基于交流调速永磁同步电机技术对潜水泵的节能改造

姜远远，闫强波，郑建平

（ 1.日照东方电机有限公司，山东 日照 276800；2.博能传动(苏州)有限公司，江苏 苏州 215131 ）

基于交流调速永磁同步电机技术对潜水泵的节能改造

姜远远1，闫强波2，郑建平1

（ 1.日照东方电机有限公司，山东 日照 276800；2.博能传动(苏州)有限公司，江苏 苏州 215131 ）

基于永磁电机技术对灌溉用7.5kw潜水泵进行改造，实现节能目的。阐述利用有限元等手段对电机改造的设计过程，通过实际测试，证明改造后节能效果明显。

永磁同步电机；潜水泵；节能；有限元

0 引言

近年来，随着稀土永磁材料的快速发展，交流调速永磁同步电机受到了人们的重视，由于其效率高、功率因数高，故在多场合得到了广泛的应用。本文主要介绍采用交流调速永磁同步电机技术对7.5 kW潜水泵的节能改造以及改造后的节能效果。

1 应用现状

在我国农村，农田灌溉水源大多通过农用潜水泵从地下取水，其效率低、功率因数低，属于耗能大户。

市场上常见的7.5 kW潜水泵产品开发较早，电机能耗较高。表1所示为待改进的7.5 kW潜水泵铭牌显示数据：

表1 7.5 kW潜水泵性能参数

该水泵实际运行时，在流量及扬程均满足额定要求的情况下，电流均在20 A以上，可见其能耗实际值高于设计值。

与此同时，在调查其他不同制造商生产的7.5 kW潜水泵时，通过实际测量，在流量及扬程均在额定要求的情况下，运行电流均在20 A以上。表明现有7.5 kW潜水泵效率过低，能耗较高，属于高耗能产品。

2 改进设想

永磁同步电机是在稀土永磁材料的基础上发展起来的，具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗少，效率高等显著特点。与感应电机相比，永磁同步电机不需要无功励磁电流，显著提高功率因数，减少了定子电流和定子电阻损耗，且在稳定运行时没有转子电阻损耗，可因总损耗降低进而提高设计热负荷，其效率相比同规格感应电动机提高2%～8%。同时，永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使其轻载运行时的节能效果更为明显。

设想以一台正在使用的7.5 kW潜水泵为改造对象，通过更换全新设计的永磁同步电机定转子，实现整体高效、节能设想。

3 方案设计

3.1 参数设定

已知潜水泵电机技术要求为：额定功率7.5 kW；额定转速3 000 r/min；额定转矩23.9 N·m。

考虑到电机材料用量、转子空心率、工艺难度等因素，确定电机极对数为8极，相对于2、4、6极而言，跨距小，绕组端部短，材料用量少。同时，转子直径大，定子轭部尺寸适中，可避免轭部过窄时工艺性差以及过宽时材料利用率差等不良现象。

确定电机额定频率为：200 Hz。

为获得更优的反电势波形，定子选择30槽。

为提高转子凸极率，提高电机磁阻转矩，采用内置一字形转子结构。

3.1.1 铁芯长度

参考异步电机的电枢直径，定子内外径比值应在0.68左右，故初选定子内径为120 mm。采用国外相关文献中的TRV值估算铁芯长度：

式中 T—转矩

Da—定子内径

L—铁芯长度

对于全密闭的永磁电机，TRV一般如下：

1）小型铁氧体永磁电机：7 kN·m/m3～14 kN·m/m3

2）粘结钕铁硼永磁电机：20 kN·m/m3

3）烧结钕铁硼，稀土钴永磁电机：14 kN·m/m3～ 42 kN·m/m3

由于潜水泵电机属机壳外水冷电机，根据经验，TRV取22 kN·m/m3。通过估算的定子内径，算出铁芯长度为96 mm。

3.1.2 线圈匝数

通过电源频率、电源电压和每极基波磁通Φm1确定匝数：

式中 Kw1—绕组系数

Tph—每相串联匝数

Φm1—基波气隙磁通

f—电机额定频率

基波磁通Φm1随着电机尺寸不同发生变化，在正常负载点采用式3与峰值气隙磁密Bm1联系：

式中D为定子铁芯内圆直径，P为极对数。因使用了稀土永磁体，Bm1可达0.8 T。针对本机所需速度可能太高，如设Bm1为0.79 T，D为120 mm，Lstk为96 mm，P为4，根据式（3）求出Φm1为0.002 304 Wb。

通过计算绕组系数Kw1=0.9 099，但仍然指定一个值线圈匝数来产生反电动势，本次反电势设计按照90%的端电压设计，其相电压是因此每相串联匝数Tph≈ 110。

3.1.2 永磁体尺寸

以极距τ和气隙δ确定永磁体尺寸，通过式（4）、式（5）估算，基本确定永磁体尺寸：

3.2 有限元仿真

3.2.1 齿槽转矩

齿槽转矩是由永磁电机绕组不通电时永磁体和铁芯之间互相作用而产生的转矩，由永磁体和电枢齿之间相互作用力的切向分量引起。当定转子处于相对运动状态，处于永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导基本不变，因此电枢齿周围磁场基本不变，而与永磁体两侧面相对的由一个或两个电枢齿构成的一小段区域内，磁导变化大，导致磁场储能变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩对速度控制系统中的低速性能与位置控制系统中定位精度都有很大的影响，如低速运行时产生很大的振动和噪声。7.5 kW潜水泵永磁电机齿槽转矩曲线见图1，齿槽转矩数值见表2。

图1 7.5 kW潜水泵永磁电机齿槽转矩曲线

表2 7.5 kW潜水泵永磁电机齿槽转矩数值

从仿真数据看，齿槽转矩最大为0.073，占总转矩的0.31%。由于负载为水泵，齿槽转矩不大，故无需特殊消除齿槽转矩措施。

3.2.2 空载反电势

空载反电势是永磁同步电机非常重要的参数。空载反电势由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生。空载反电势不仅决定电动机运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动、稳态性能均有很大影响。图2为7.5 kW潜水泵永磁电机空载反电势曲线，空载反电势数值见表3.

图2 7.5 kW潜水泵永磁电机空载反电势曲线

表3 7.5 kW潜水泵永磁电机空载反电势数值

仿真数据显示：空载反电势有效值为216 V，与最初的设计估算值202 V略有差异，这里以仿真数据为准。

3.2.3 空载磁密分布及气隙磁密波形

空载磁密分布见图3，气隙磁密波形见图4。

图3 空载磁密云图

图4 气隙磁密波形

3.2.3 运行仿真结果

永磁同步电机的运行仿真结果见表4。

表4 仿真结果

4 测试比对

同条件下的运行测试数据见表5。

表5 测试数据

表5数据显示，实际运行值基本满足仿真值。同时，由于使用了变频器驱动，起动方式为恒转矩起动，起动瞬间对电网无冲击，电机也不存在5～7倍起动电流，使电机安全运行更有保障。运行时调速也极为方便，可实时控制水泵流速。

改造前后水泵电机用材对比见表6：

表6 材料对比

表6数据显示，永磁同步电机替代了异步电机，虽在转子上使用价格较高的稀土永磁材料，但使用永磁材料后可使定转子铁芯缩短，减少定转子铜重和铁重，成本并未发生较大增长。但是，由于使用了不同的极数和槽极配合，定转子需要重开模具，由此带来的初期投入费用较大。

5 结论

利用永磁调速同步电机技术改造的水泵具有较高的节电率，是水泵企业进行产品更新换代时较优的选择，且成本基本保持不变，对目前国家提倡的节能减排有着积极的意义。

[1]J.R. Hendershot & T.J.E. Miller.Brushless Permanent Magnet Motor Design [M].1994.

[2]黄国治.傅丰礼.Y2系列三相异步电动机技术手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4]王艾萌.新能源汽车电机的设计及弱磁控制[M].北京:机械工业出版社,2013.

The Energy Saving Reformation of the Submersible Pump Based on the AC Speed Regulation Permanent Magnet Synchronous Motor

Jiang Yuanyuan1, Yan Qiangbo2, Zhen Jianping1
( 1. Rizhao Oriental Motor Co., Ltd., Rizhao 276800, Shandong;2. Boneng Transmission (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou 215131, Jiangsu )

The 7.5kW submersible pump, based on the permanent magnet motor, used for irrigation is reformed to achieve the purpose of energy saving. The design process of motor transformation by means of finite element method is introduced. It is proved that the energy saving effect is obvious after the transformation through practical test.

Permanent magnet synchronous motor; Submersible pump; Energy saving; Finite element

TM351

A

1674-2796（2017）06-0017-04

2017-06-09

姜远远（1990—），男，大学专科，主要从事大中型永磁同步电机设计工作。