纺织机用高效电机的研究

唐 雷

（深圳航天微电机有限公司，广东 深圳 518055）

0 引言

纺织行业普遍使用变频调速感应电机，由于感应电机原理决定：其启动、低速时高效低下，能耗非常高。本项研究的是针对纺织行业应用需求进行，开发一种成本较低的节能型纺织机用调速电机。

1 现行电机概况及设计目标。

现需要我们设计一台无刷电机，用于取代现行的感应电机，且要求效率提升5%，低速运行平稳。

感应电机Y100L1-4主要数据：

额定转速1450RPM

额定功率2.2kW

电机本体效率≥82%

无刷电机设计目标：

额定转速1450RPM

额定功率2.2kW

电机本体效率≥86.1%（83%x1.05）

2 无刷电机基本原理、公式

三相无刷电机运转时，其电压平衡方程为：

电机转速方程为：

U为电源电压；△U为驱动电路压降；Iav电枢电流；rav电枢电阻KE电机电势常数。

转矩平衡方程为：

电机的主要尺寸与工作点的线负荷、气隙磁密有关。其公式为：

Di1电子内径，l计算长度，nN额定转速，P′计算功率，αp极弧系数，KΦ气隙磁场波形系数，Kw基波绕组系数，B0气息磁密，A电负荷。

主要尺寸与工作点的线负荷、气隙磁密相关。其中线负荷又由负载方式和散热条件来确定，如果为短时运行或加强的散热条件，可取大值，否则将要适当的取小。气隙磁密则根据所选永磁体材料，磁钢的布局结构来取值，如果是钕铁硼，一般取0.5～0.75b0。

3 主要设计方案

本研究以现行感应电机Y100L1-4作为参照。其主要数据为：效率82.0%，定子外径155.0mm，定子长度105.0mm，铜线重2.5kg，硅钢片重量16.4kg。

本研究设计无刷电机对比了典型的圆柱方案、盘式方案；并对主要影响电机性能、成本、尺寸的转子永磁材料，分别对比了稀土钕铁硼磁体永磁体以及铁氧体磁体。交叉形成四个对比方案，四种方案均做了电磁优化。

本研究设计方案的目的是为了验证各种典型材料、设计方案，对效率提升的效果、以及这些设计方案对材料消耗、成本影响的情况。如下图，由上至下分别是方案A、B、C、D。

图1

方案A：采用烧结铁氧体磁铁，1型磁极（表贴）。圆柱结构，外形尺寸同三相异步电机Y100L1-4。由于转子较小，工艺原因造成磁极不能太多，更不没法采用内嵌磁极等其他提高功率密度的方案。计算结果：效率83.7%，定子外径155.0mm，定子长度105.0mm，铜线重1.6kg，硅钢片重量16.4kg。

方案B：采用烧结钕铁硼磁铁，1型磁极（多极磁环）。圆柱结构，外形尺寸同三相异步电机Y100L1-4（长度略短）。计算结果：效率83.4%，定子外径155.0mm，定子长度58.0mm，铜线重0.8kg，硅钢片重量7.8kg。

方案C：采用烧结钕铁硼磁铁，1型磁极（表贴）。其余结构尺寸基本同下面方案D。计算结果：效率89%，定子外径237mm，定子长度22mm，铜线重0.6kg，硅钢片重量6.3kg。

方案D：考虑成本低廉，永磁体优选烧结铁氧体，4型磁极。同时，为了低速平稳，选用了多磁极的方案。由于磁极较多，转子直径较大，电机设计成扁平盘式结构。效率88%，定子外径237mm，定子长度22mm，铜线重0.9kg，硅钢片重量6.3kg。

4 试验、验证

本研究按方案A、方案D制作验证样机：

图2

经过测量、试验，得出结论是方案D具有最优的成本、节能的优势。与参照感应电机Y100L1-4相比：额定效率达到87.1%，提升6.2%。 用铜量 0.96kg，节约 62%。 用铁量（硅钢片重量）6.45kg，节约61%。

5 结论

无刷电机取代千瓦级感应电机+变频器系统，采用无刷电机，若稀土磁体，虽然磁体成本很高,但是气隙磁密提升后（约0.8t），功率密度较高，总体成本还是下降。但使用铁氧体磁体时，如果采用表贴磁体气隙磁密较低（约0.4t），功率密度不高，总体成本反而上升；如果采用嵌入式磁体，因为大幅提升了气隙磁密（约0.8t），总成本比稀土磁铁的电机还低20～30%。

6 结束语

本研究设计的无刷电机，显著提高了效率，同时对铜铁等材料的用量还能做到大幅节省。推广使用将有较好的经济效益及社会效益。

［1］郭庆鼎,赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].中国电力出版社,2008.

［2］The Mathworks.SIMULINK Model-Based and System-Based Design,Writing S-Functions[M].Version 5 COPYRIGHT 1998-2002 by The MathWorks,Inc.