适用于大惯量负载的异步电动机设计

魏静微，张其江，顾 扬,于 晓

(哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080)

0 引 言

通常在油井抽油、铁道并轨、升降重物和锅炉预热系统等大惯量负载情况下，普通异步电动机起动转矩较小，目前解决的方法有增大电动机容量、使用变频器起动、改进转子槽型等。增大电动机容量，按照电动机的最大负荷来选择电动机的功率，虽然能够满足起动转矩的要求，但是电动机正常运行时负载率大多低于50%，轻载状态下会导致电动机的功率因数和效率较低，浪费电能[1]。使用变频器起动，成本较高，且一些复杂环境中不适合使用变频器起动。

近年来，针对普通异步电动机带动大惯量负载起动表现不佳的问题，国内学者们主要着重于转子槽形的改进，文献[2]以电动机的国家标准为约束条件，进行了转子槽形尺寸的设计。从上世纪80年代年起，性能高、价格低的永磁材料接连涌现，许多专家对异步起动永磁同步电动机进行了探索，异步起动永磁同步电动机有了比较大的发展[3-6]。但是很少有学者以驱动圆盘式大惯量负载为目标，从异步电动机的角度去设计大起动转矩电动机，最后加上磁钢片牵到同步转速的案例。本文设计的电动机具有起动转矩大、制造成本低等优点,但其效率和功率因数略低。文献[7]对异步电动机进行改进，设计成异步起动永磁同步电动机，其转子采用内置切向式磁路结构，与本文设计的电动机相比，虽然其功率因数和效率较高，但其漏磁系数较大、永磁体用量较多且起动转矩倍数较低。文献[8]按照抽油机用电动机的要求，设计了一种抽油机用异步起动永磁同步电动机，其转子采用内置混合式磁路结构，虽然其经济运行范围较大，但其转子制造工艺复杂且永磁体用量较多。

为了解决普通异步电动机带动圆盘式大惯量负载起动表现不佳的问题，同时为了节约能源、控制成本等, 本文设计了一种适用于大惯量负载的驱动电动机，设计过程中用有限元分析方法对电动机的转矩、转速等参数进行了仿真分析，最后利用Simulink软件进行了仿真分析，通过对比2种仿真结果，验证了优化设计的正确性和合理性。

1 设计原理与方法

1.1 设计原理

为了驱动圆盘式大惯量负载，电动机需要有较大的起动转矩，若按照起动转矩来选择电动机的功率，则电动机稳态运行时负载率较低，导致功率因数和效率较低。针对这些问题，本文设计了适用于大惯量负载的驱动电动机，下面介绍其原理。

普通异步电动机的最大转矩Tmax和临界转差率sm计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

由上述公式可得，当转子电阻增大到临界转差率为1时，电动机的起动转矩为最大转矩[8]。

由以上分析可得，提高起动转矩,需要增大转子电阻，可以通过改变转子槽形及端环材料，有效增大转子电阻，从而增大起动转矩。在此基础上，设计深槽形转子结构，将转子槽形做得深且窄。电动机起动时，转子电流频率较高，由于集肤效应，转子导条中的电流主要分布在转子表面，从而降低了转子导条的有效截面，增大了转子电阻，达到了增大起动转矩的目的。在电动机正常运行时，转子电流频率较低，转子漏抗大于普通异步电动机，转速较低，处于高转差状态下，因此其功率因数和效率有所降低。

永磁同步电动机具有损耗小、功率因数高、效率高、功率密度高等特点，所以本文借鉴永磁同步电动机的特点，提出了在转子内嵌装磁钢片的方法，利用磁拉力使电动机异步起动后牵入同步运行。

本文的设计适用于大惯量负载的驱动电动机，起动与牵入同步过程十分复杂，与一般的永磁同步电动机起动与牵入同步过程相似，故可以用一般的永磁同步电动机的起动与牵入同步理论解释[9]。

1.2 设计方法

电动机带动的负载基本参数如表1所示。

表1 负载参数

针对圆盘式大惯量负载的负载特性，并且综合节约成本等因素，初步确定使用功率11kW、三相6极异步电动机，其型号为Y-160L-6，其参数见国家标准，但因为其起动转矩等性能不满足要求，需要进行优化设计。

负载为圆盘式大惯量负载，为了追求大转矩起动的效果，在增大转子电阻、提高电动机起动转矩的同时，需要将齿轮减速器和电动机结合起来，这种机构结构紧凑、占地小，从而充分满足小空间高扭矩输出的需要。电动机通过齿轮带动负载如图1所示。

图1 圆盘式大惯量负载系统示意图

电动机使用3级减速齿轮箱，每级齿轮比为10∶1，大惯性负载为圆盘形。

电动机的机械运动方程如下：

(4)

根据电动机的机械运动方程和相关计算公式，经过一系列的计算可得，大惯性负载需要的最小起动转矩约为220N·m。

根据前文所述，仅满足起动转矩要求时，电动机会出现高转差、功率因数和效率降低等问题，为了解决以上问题，本文提出了在转子内嵌装磁钢片的设计。本文设计的适用于大惯量负载的驱动电动机的转子磁路结构为内置式，内置式又分为内置径向式与内置切向式。内置径向式磁路结构时永磁体高度和宽度的预估如下：

(5)

式中：Ks为电动机的饱和系数，其取值范围为1.05～1.3；Ka为与转子结构有关的系数，其取值范围为0.7～1.2[10]。

2 设计与有限元仿真

2.1 高转差异步电动机设计

为了增大转子电阻，对转子槽形进行优化设计。电动机原来的槽形为平行槽，本文按照中小型电动机的国家标准，设计新的槽形，估算新的槽形尺寸，在AnsysMaxwell中设计了刀形槽[11]。优化前后转子槽形及其尺寸如图2所示。

(a) 平行槽及其尺寸

(b)刀形槽及其尺寸

由图2可得，刀形槽的面积比平行槽的面积大，所以改进后的转子电阻增大。由式(1)和式(2)可得，转子电阻增大时，临界转差率增大，最大转矩不变。结合式(3)可得，当转子电阻增大到使临界转差率为1时，电动机的起动转矩为最大转矩，从而通过增大转子电阻增大了起动转矩。

2.2 高转差异步电动机有限元仿真与分析

高转差异步电动机额定负载运行时，对电动机的转矩、转速等性能进行了有限元仿真与分析，本文仅给出电磁转矩与转速曲线，如图3所示。

(a) 电磁转矩

(b)转速

由图3可得，负载起动时，电动机起动转矩符合要求，电动机转速也随着时间上升，电动机的起动性能符合要求,电动机稳态运行时转速约为680r/min。

通过有限元仿真所得的电动机的线负荷和电流密度对电动机温升进行估算，其结果如表2所示。

表2 电磁负荷控制数据对比值

从仿真与计算结果可得，首次改进后的电动机起动转矩达到了要求，但是首次改进后电动机达到稳定时运行于高转差状态，转速较低，热负荷比原电动机增大了93.5%，并且负载为恒功率负载时，在实际生产中电动机稳定时负载转矩较小，还会出现负载率较低等问题，所以电动机需要进一步优化设计。

2.3 大惯量负载下驱动电动机设计及有限元仿真

2.3.1 转子磁路结构设计

针对首次改进后电动机出现的问题，借鉴永磁同步电动机的特性，进一步对电动机转子进行优化设计，在转子内嵌装永磁体，按照前述永磁体设计方法并且查阅相关设计手册，设计的永磁体材料为烧结钕铁硼，型号为N30H，设计了2种转子磁路结构，分别为内置径向式和内置切向式，并分别设计了永磁体尺寸。

2种转子磁路结构用有限元软件仿真得到其性能曲线，这里仅给出气隙磁密及其谐波分析图，如图4所示。

(a) 切向式气隙磁密

(b)切向式气隙磁密谐波分析

(c) 径向式气隙磁密

(d) 径向式气隙磁密谐波分析

由图4可得，切向式磁路结构的气隙谐波含量比径向式磁路结构的气隙谐波含量明显大一些。综合性价比等因素，并且结合仿真所得其余的性能曲线，最终采用径向式转子磁路结构的方案。

2.3.2 磁钢位置设计

按照永磁体离轴心的长度不同，设计出3个方案，图5为永磁体距离轴心不同长度时有限元仿真的电动机负载稳定运行时磁密云图及磁力线图。

(a) 轴心距34 mm磁密云图

(b)轴心距34 mm磁力线

(c) 轴心距40 mm磁密云图

(d)轴心距40 mm磁力线

(e) 轴心距46 mm磁密云图

(f)轴心距46 mm磁力线

永磁体距离转子轴心的长度不仅影响气隙磁密的大小，也影响漏磁的大小。由图5可知，轴心距34mm时，磁钢离转轴较近，漏磁较大；轴心距为46mm时，磁钢离槽较近，气隙磁密较大，容易饱和；40mm时各种参数适中。

表3 不同磁钢位置时的性能数据对比

由表3可得轴心距分别为34mm,40mm,46mm时，电动机的最大起动转矩差距较大，负载电磁转矩、负载转速和电动机到达稳定的时间差距不大，但轴心距为40mm时这几个性能数据最合适。综合气隙磁密、负载电磁转矩和负载转速等性能参数，最终选择永磁体距离轴心40mm的方案。

2.3.3 大惯量负载下驱动电动机的有限元仿真

上文已经给出了适用于大惯量负载的驱动电动机有限元仿真的部分结果，这里仅讨论空载反电动势。

空载反电动势是电动机设计的重要指标之一，其大小及正弦度好坏会对电动机的性能造成直接的影响。电动机A相绕组空载反电动势的有限元仿真结果如图6所示。

(a) A相空载反电动势波形

(b)A相空载反电动势谐波分析

由图6可得A相绕组空载反电动势的5次、9次、15次谐波含量相对较大，5次谐波幅值30.93V，9次谐波幅值为25V，15次谐波幅值为15V，空载反电动势总谐波含量达10.37%。由此可得，此电动机的空载反电动势及其谐波含量在合理的范围内。

3 仿真结果

在磁路法基础上，利用Simulink软件对电动机进行仿真，得到了电动机的性能曲线图，如图7所示[12]。

(a) 转矩曲线

(b) 转速曲线

电动机稳态运行时的仿真数据对比如表4所示。

表4 2种仿真方式稳态运行性能数据对比

由图7和表4可以看出，电动机起动和稳态运行时，电动机的转矩、转速和电流误差在允许的范围内，从而相互验证了有限元仿真和Simulink仿真结果的正确性，证明了本文对电动机的优化和设计是合理的。

4 结 语

本文设计了一种适用于大惯量负载的驱动电动机，并进行了有限元仿真和Simulink仿真分析，得出以下结论：

1) 仅对转子槽形优化设计后，电动机虽然能够满足起动转矩的要求，但电动机稳态运行时存在转速较低、热负荷增大了93.5%等问题。

2) 通过分别对2种转子磁路结构和3个永磁体轴心距对比分析，采用内置径向式磁路结构且永磁体轴心距40mm时，电动机的主要性能参数最合适。

3)Simulink仿真与有限元仿真结果的误差在允许的范围内，验证了本文优化设计的合理性。

本文设计的电动机可应用于起动转矩大、不宜使用变频器起动、成本低等场合，为针对大惯量负载设计驱动电动机开创了一种新的思路，具有实际意义与理论价值。