（电机与电器专业论文）油田抽油机用稀土永磁同步电动机研究.pdf

吐北工业人学硕士论文 a b s t r a c t h i g he f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n gr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( r e p m s m ) a r ei m p o r t a n c ea p p r o a c ht o t h ep r o b l e mt h a tt h ec o s to fo i l e x t r a c t i o ni nc h i n e s eo i lf i e l d si st o oh i g ha n dp u l l i n gs m a l lc a rw i t hb i gh o r s ea t l a r g ei nd r i v i n ge l e c t r o m o t o ri np u m p i n g u n i t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o nf o r r e p m s mi np u m p i n gu n i ti no i lf i e l d s t h e r ea l ef o u rm a i n p a r t si nt h ep a p e r ，i e f i r s to fa l i t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c eo fr e p m s m w i t ht h et h e o r yo fv e c t o rg r a p ha n de q u i v a l e n te l e c t r oc i r c u i t c h a r a c t e r i s t i co f p o w e ra n g l e ，d e t e r m i n a n to f s t a t i co fm o t o r m o v i n g ，l o s s e sa n da r m a t u r er e a c t i o na l e a n a l y z e di nt h i sp a r t t h et w ok e yp a r a m e t e r s ，b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( e m f ) a n d r e a c t a n c eo fdqa x i a la r m a t u r er e a c t i o na l e i n v e s t i g a t e d ，t o o i nt h ep r o c e s so fa s y n c h r o n o u ss t a r t i n g ，m a t h e m a t i c sm o d e lo fr e p m s mi s e s t a b l i s h e dw i t hl ，2 ，0c o m p l e xn u m b e rc o o r d i n a t es y s t e m c o m b i n e dw i t ht h e m o d e l ，e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e i ss t u d i e d c h a r a c t e ro fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei s a n a l y z e ds u b s e q u e n t l y t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e sap r a c t i c a lm e t h o do fc a l c u l a t i n g t o r q u e i nt h e p r o c e s s o f s t a r t i n g t h e b a s i c a n a l y s i s o fm o t o r m r m i n g i n t o s y n c h r o n i z a t i o ni s w o r k e di nt h i sp a r t t h ed i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r sf o r m o t o r s t a r t i n gi nt h ee n do f t h i sp a r t t h i sd i s s e r t a t i o n p r o v i d e s t h eb a s i cr u l e so f d e s i g n o fr e p m s m a n d r s m1 6 0 l 一6i sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a tl a s t ，t h eb a s i cr e p m s m p a r a m e t e r st e s t i n gm c t h o di s i n t r o d u c e d t h e r e s u l t so f r s m l 6 0 l 一6d e m o n s t r a t e dv e r a c n yo f r e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d ：r e p m s m ，s t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e ，s t a r t i n g ，a r m a t u r er e a c t i o n ，t o r q u e ， d e s i g n ，r s m l 6 0 l - 6 ，t e s t i n g ，p u m p i n gu n i t 西北i ：业人学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国是一个发展中国家，人口约占世界人口的2 2 ，而能源相对匮乏，人均 能源占有量不到世界平均水平的一半。同时，我国是世界上第三大能源生产国 和第二大能源消耗国目前已经是石油净进口国。随着我国经济的发展，未来 我国凡年对原油的需求量将急剧增加，仅依靠目前的能源生产和利用状况，远 远满足不了未来市场的要求，而大量进口石油不符合我国的长期发展战略，会 使我国经济增长面临着巨大的风险。 三相异步电动机是生产机械最主要的原动机，其用电量占全国总用电量的 2 0 以上。这些电动机拖动9 0 以上以电为能源的运动机械。在资源不足的情况 下，我国还存在能源利用率较低和无节制的资源浪费现象。我国目前能源效率 比国际先进水平低1 0 个百分点，能源密集产品单位耗能平均比国际先进水平高 4 5 ，由此引起的环境污染和资源枯竭问题已日趋严重。节能就是在这种背景下 越来越受到我国政府和社会各界的重视。根据国家经贸委的初步测算，我国企 业能源和原材料消耗占企业成本的7 0 左右，主要产品的单位耗能比国外先进 水平高3 0 9 0 。若降低一个百分点。就可带来节约成本1 0 0 亿元的惊人效益。 我国如何面对这一挑战? 一方面需要提高我国石油生产量，另一方面需要 提高能源的利用效率。从“可持续战略”的角度来讲，后者更为重要。要提高 使用效率，重要的一点是大力发展我国的高科技节能技术和产业。 稀土永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数 高等特点，近年束发展迅猛。与电磁式同步电动机和三相异步电动机相比，稀 土永磁同步电动机具有自身的优点。 与电磁式同步电动机相比，稀土永磁同步电动机具有以下优点： 卅北j i 业人学硕七论文 第一章结论 稀土永磁同步电动机无需电流励磁，不设电刷和滑环，具有结构简单，使 用方便，可靠性高； 稀土永磁同步电动机转子上没有励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗 和接触电损耗； 稀土永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且不同的转子结构往往 带来自身性能上的特点： 稀土永磁同步电动机在定的功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有 更小的体积和重量。 与三相异步电动机相比，稀土永磁同步电动机具有以下优点： 高效节能： 体积小、重量轻、功率密度高： 转速与频率严格成正比。 1 2 异步起动稀土永磁同步电动机发展现状 1 2 1 稀土永磁材料的发展 稀土永磁电机的发展历史与稀土永磁材料的发展紧密相关。我国是世界上 最早发现并利用永磁材料的国家。早在两千多年前我国就利用永磁材料制成指 南针，在航海、军事等领域发挥了巨大作用，成为我国古代闻名于世的四大发 明之一。1 9 世纪2 0 年代诞生了世界上第一台电机就是采用天然铁矿石( f e 。0 。) 制造的永磁电机，但是由于永磁材料磁能积较小，电机体积过大，不久就被电 励磁式电机所代替。 随着人们对永磁材料的机理、构成及工艺过程研究的深入，相继发现了碳 钢、钨钢等永磁材料。2 0 世纪3 0 年代发现的铝镍钴和5 0 年代发现的铁氧体， 使得磁性能有了较大的提高，永磁电机又有了新的生命。但是，出于铝镍钻永 磁材料的矫顽力偏低、铁氧体永磁材料的剩磁密度不高，限制了它们在电机中 所北j ：业人学硕七论文 第一章绪论 的应用。直到上世纪6 0 年代和8 0 年代发现的稀土永磁材料，以其高剩磁密度、 高矫顽力、高磁能积和线f 生退磁曲线等优越的磁性能特别适合于电机制造，从 而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。 稀土永磁材料的发展大致可分为三个阶段。 1 9 5 7 年美国道尔顿大学的s t r n a t 教授发现的钐钻永磁材料，其化学式为 r c o 。( r 代表钐、镨等稀土元素) ，简称为l ：5 型永磁材料，最大磁能积可达 1 9 9 k j m 。1 9 7 3 年又发现第二代稀土永磁材料，其化学式为r ：c o 。简称2 ：1 7 型永磁材料，其最大磁能积可达2 5 8 6 1 9 9 1 ( j h i 3 。1 9 8 3 年同本住友特殊金属公 司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼( n d f e b ) ，其实验室最大磁能积可 达4 3 1 3k j m 1 ，商品化磁能积可达3 9 7 。9k j m 3 ，称为第三代稀土永磁材料。 由于n d f e b 永磁材料的磁性能高于其它永磁材料，而价格又低于稀土钴永磁材 料，同时在稀土矿中钕的含量是钐的几十倍，而且不含战略物资钴，因而立即 引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行开发 研究。 1 2 2 稀土永磁电机的发展 稀土永磁电机的研究和开发可以分为三个阶段。 2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，由于稀土钴永磁材料价格昂贵，研究开发的重 点是航空、航天用电机和要求性能高而价格不是主要因素的高科技领域。 2 0 世纪8 0 年代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁材料后 国t h # b 的研究开发的重点转到工业和民用电机上。稀土永磁材料的优越磁性能， 再加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使传统的电励磁式电机 可用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统电励磁电机难以达到的高性能。 进入到2 0 世纪9 0 年代以来，随着稀土永磁材料性能的不断提高和完善。 特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电 力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力 西北：业大学硕士论文 第一章结论 推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和r 常生活等方面 获得越来越多的应用外。稀土永磁电机的研究开发进入一个新的阶段。一方面， 正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化发展；另一方面，促使永 磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了 崭新的局面。 我国稀土资源丰富，储量占全球的7 5 左右，号称“稀土王国”。目前，我 国稀土矿石和永磁材料的产量都居世界前列，同时稀士永磁材料和稀土永磁电 机的科研水平都达到了国际先进水平。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大 力发展稀土永磁电机，对我国社会主义现代化建设具有重要的理论意义和实用 价值。 1 2 3 异步起动稀土永磁同步电动机国内外发展动态 国外利用稀土永磁材料进行稀土永磁同步电动机的开发已经有2 0 多年的 历史。1 9 7 8 年，法国的c e m 公司研制的i s o s y n 系列0 5 5 1 8 5 k w 稀土钴同步 电动机，效率比一般的异步电动机高2 8 ，功率因数提高0 0 5 o 1 5 。我国 在稀土永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就，先后开发了应用于纺织 行业中织布机、细纱机以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的稀土永磁 同步电动机，取得了较好的经济效益。8 0 0 w 纺织专用稀土永磁同步电动机是国 内第一台研制成功的稀土永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率因数高于0 9 5 ， 节能率高达1 0 以上，已经进行生产并取得了很好的经济效益。我国已研制成 最大容量为li o k w 和2 5 0 k w 的稀土永磁同步电动机。 虽然关于稀土永磁同步电动机的研究国内外已经进行了很多工作，但迄今 为止，稀土永磁同步电动机在我国并没有得到全方面的推广，其原因是多方面 的，其一是稀土永磁同步电动机成本很高，但是随着稀土永磁材料的发展，稀 土永磁同步电动机的成本呈下降趋势，同时在稀士永磁同步电动机设计中如何 选用适量的稀土永磁体的用量已成为学术界研究分析的重点。稀土永磁同步电 4 l l i 北l 业入学硕士论文第一章绪论 动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂，如何准确分析和计算是设计高效节能 稀土永磁同步电动机的关键。同时稀土永磁同步电动机的稳态性能研究和起动 过程研究一直咀来是国内外专家研究分析的焦点。稀土永磁同步电动机性能直 接由参数决定，因而稀土永磁同步电动机的测试方法目前显得越来重要。 论文研究的油田抽油机用稀土永磁同步电动机需要在轻载工作时的效率 高，起动过程中电机的起动转矩足够大，电机在负载变化较大的范围工作要稳 定，电机的效率曲线要具有高而平的特点，要求电机的稳态性能要好。 1 3 课题来源 论文基础理论研究来源于国家科技部重大基础研究9 7 3 项目 ( g 1 9 9 8 0 3 0 4 0 1 ) 中的高性能稀土电机的研究：本项目的工程技术基础研究 来源于国防科工委基础科研计划项目一军民两用技术中的高效自起动稀土永 磁同步电动机( l 0 3 0 0 8 0 0 4 ) 。本项目产品开发和产业化工作来源于西北工业大 学与延安变压器股份合作公司签订的技术开发合同油田抽油机用稀土永磁同 步电动机。 1 4 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容包括稀土永磁同步电动机的稳态运行性能、影响电机 运行的关键参数、电机异步起动过程和稀土永磁电动机电磁设计的基本准则， 并进行油f f i 抽油机用稀土永磁同步电动机r s m l 6 0 l 一6 的设计丌发，论文还对稀 土永磁同步电动机参数测试方法进行了较深入的研究。 电机的稳态性能研究通过向量圈和等效电路，对稀土永磁同步电动机的运 行状态进行深入研究，得出感性去磁状态是稀土永磁同步电动机的最佳运 行状念；对电机的功角特性进行了深入的分析，得出稀土永磁同步电动机 功角特性特点：同时还对电机损耗问题特别是铁耗进行了较深入的理论分 析，并且采用等效电路来研究影响损耗的电气参数及其试验方法，最后得 眄北l ：业大学硕七论文 第一章绍论 出空载电流和空载损耗随着端电压变化曲线为v 行曲线，并且曲线最低点 是电机的空载电势的结论。 空载电势和电枢反应电抗是稀土永磁同步电动机中最关键的参数。论文研 究了空载电势对电机效率，功率因数和过载能力的影响。同时分析稀土永 磁同步电动机电枢反应的特点，提出电枢反应电抗的计算方法。 稀土永磁同步电动机的起动过程是研究的重点。本文建立了在1 ，2 ，0 复 数坐标系下电机起动时的数学模型，推导出起动过程中的电磁转矩，对电 磁转矩的性质进行了分析，提出起动时平均电磁转矩的计算方法，对电机 的牵入同步过程进行了分析，讨论了参数对电机起动和牵入同步性能的影 响。 提出稀土永磁同步电动机的电磁设计基本准则，给出r s m l 6 0 l - - 6 电机的电 磁设计。 研究稀土永磁同步电动机参数测试方法，并对电机样机进行空载和负载试 验分析，并结合样机在油田现场应用，证明稀土永磁同步电动机具有高效 节能，在油田抽油机上使用可以替代三相异步电动机，具有巨大理论研究 和应用价值，是一种高科技高效节能绿色环保产品。 西北】业人学硕士论文第二章稀士永磁同步屯动机稳态性能研究 第二章稀土永磁同步电动机稳态性能研究 稀土永磁同步电动机稳态性能的研究方法与普通同步电动机一样，都是采 用向量图和等效电路作为工具，但是由于稀土永磁同步电动机转子结构灵活多 样，因而具有自身的特点。本章对稀土永磁同步电动机运行状态、功角特性、 功率因数、损耗等方面进行较深入研究。 2 。l 稳态运行和向量图 异步起动稀土永磁同步电动机与电励磁式凸极同步电动机有着相似的内部 电磁关系稀土永磁同步电动机是气隙均匀的凸极同步电动机，由于永磁体的 磁导率与空气接近，约为l ，所以直轴磁阻大于交轴磁阻，电动机直轴电枢反 应电抗一般小于交轴反应电抗，这是稀土永磁同步电动机一个鲜明的特点。 2 1 1 电压平衡式 稀土永磁同步电动机稳定运行时，其相电压平衡方程式表示 0 = j l r l + j l x 卅+ 宴耐+ 丘田十立。 ( 2 1 ) u = i ，l + f l 、x n 七j id x 翻+ j lq x q 七e o u = l t r t + j id x d + j lq x q + e n d = ( 1 + 豇。) ，1 + 岛 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 或气隙电势：如直轴电枢反应电势；屯交轴电枢反应电势；定子相绕组电阻 x c r l 定子绕组绕组漏抗；x 。直轴电枢反应电抗：x 。交轴电枢反应电抗； h 直轴同步电h = x 。+ 工。；x 。交轴同步电拙。= x q4 x a 。；j 。直轴电流： ，。交轴电流。 稀土永磁同步电动机气隙磁场由稀土永磁体和电枢电流共同作用产生的， 哺北【业大学硕十论文第二章稀土永磁同步电动机稳态性能研赶 其气隙电势为 e s = 4 4 4 月匕k 。w t l ) d ( 2 5 ) 凡源频率；k , c r , 绕组系数；嗍组匝数；m ；气隙磁通。 2 1 2 电机运行状态 g j ) 1 e 图2 i 是稀土永磁同步电动机向量图。电压0 与空载电势忘夹角0 称为 功角，0 超前或时，8 为正，0 滞后屯时，o 为负：电压【：r 与电流j 夹角p 为 功率因数角，。滞后d 妒为正，j 超前0 时妒为负：空载电势或与电流，夹角 y 为内功率因数角j 滞后岛y 为正，超前战y 为负。在电动机状态功角 0 为正，在发电机状态功角0 为负。 图2 1 中的夹角均为正值，可列出方程组如下： u c o s e = e q + i d ：d iqr、(2-6、 i us i n 0 = l q x g 一，d r i 舀北r 业大学硕十论文第二章稀_ 七永磁同步电动机稳态性能研究 解方程组，有 ，( u c o s # - e o ) x 口一r l u s i n o 1d = ：一 吖+ o d x 口 ，：(ucoso-eo)rt+xdusino 1 9 _ 2 + h x 。 ( 2 7 ) v ：。t a 【l i 兰! ! 鱼! 竺二竺竺王! ! 竺纠 7 l _ u ，电机处于空载或 轻载状态。若电机额定运行在该状态，不仅需要永磁体多，而且电机的有效体 积也要增大，在对电机功率因数没有特殊要求的场合，稀土永磁同步电动机不 应设计在容性去磁状态下。 如图2 2 ( b ) ，电机运行在感性增磁状态，此时e 。 1 一量 ( 2 一1 3 ) u j 。 稀土永磁同步电动机功角特性如图2 3 所示。稀土永磁同步电动机，必须 合理设计空载电势和交直轴同步电抗的值。使得稀土永磁同步电动机的功角特 性如图2 3 所示。由图可知，稀土永磁同步电动机电磁转矩的最大值对应的功 角必处于( 9 0 。，1 8 0 0 ) 范围内，目前几乎所有的异步起动的稀土永磁同步电动 机的电磁转矩对应的功角处于( 1 1 0 0 ，1 2 0 。) 。在稀土永磁同步电动机中，我们 把导数d d o 称作比整步功率由式( 2 9 ) 可得 一d e ：丝型c o s a + m u 2 ( 土一土) c o s 2 0 ( 2 1 4 ) d o x d、x 。x d j 令等= 。，则有2 k c o s 2 + c 。s 一k = 。( 2 - 1 5 ) 明北r 业大学硕士论文蒴二章稀土永磁同步电动机稳态性能研究 j p 、 0 9 0 1 8 0 0 2 图23稀土永磁同步电动机功用特性 1 永磁体产生自g 功率2 凸极效应产生的功率3 电磁功率 其中女：了u ( 塑一1 ) 塑d o 。表示当功角从零增加到以，稀土永磁同步电动机有功 功率的增加速度大于无功功率的增加速度；当空载电势e 。 u q 以，塑d o = 等，功率因数迅速下降。 兰巩 n n 虬 一吼 d d 一 一 一 h一h一旦堡旦砜 + 一 + 一民 一 一 n 洒 一曲 = 虹 两北1 ：业大学硕士论文第二章稀士永磁同步电动机稳态性能研究 堡益 ：一。厂、 棚、塑 压v 砖 1 8 0 日 图2 4 稀土永瑶同步电动帆罢手，嚣和只，比较 当空载电势e 。 o 和功角目在( o ，以) 范围时，d d e 曰e m 嚣，稀土 永磁同步电动机的运行状态由感性增磁作用逐步变为感性去磁作用，功率因数 逐步增加到最大值；当口 乱，等 d d e 目e r ”时，稀土永磁同步电动机的功率因数 下降。 综上所述，稀土永磁同步电动机的功角在见左右时，功率因数可能得到最 大值。一般情况下，稀土永磁同步电动机的功角额定值略大于目。 令堡：一a o ，有 d 口d 曰 m e o uc 。s 吼+ 州u ：( 上一上) c 。s 2 8 。：型s i n 眭+ i ，l u 2 ( 上一上) s i n 2 见 x d q x dx d q x d ( 2 2 4 ) 解得 1 4 阳j 七l 业大学硕十论文第二章稀士永磁同步电动机稳态性自研究 鬻2 苦驴咖。 。s ， 进一步分析，e u o l _ x 型，有鲁( 1 一 k 。 0 x 甜 z 叩 对于稀土永磁同步电动机 k = 鲁( + 詈) ( 击) 牛鲁( + 詈) 击 ( 击) 。：生，6 ：生，。：生，d ：尘业 r 6r 6r 5f ft r m r 。，r 。，r 。，r q 分别为永磁体，气隙，漏磁和交轴方向的磁阻 m 。磁桥饱和磁通 一永磁体工作时的磁势 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 西北l 业人学硕十论文第三章稀十永磁同步电动机关键参数研究 f r ( a ) 图3 2 稀土永磁同步电动机等效磁路图 ( a ) 永磁体单独作用( b ) 直轴电枢反应磁势单独作用( c ) 交轴电枢反应磁势单独作用 分析上式 出于稀土永磁同步电动机的转子的特殊结构，使得电磁式凸极同步电机中的 电枢反应折合系数在稀土永磁同步电动机中不能成立； 稀土永磁同步电动机中的电枢反应折合系数是气隙，极弧系数，磁钢磁阻， 线性漏磁和非线性漏磁等的多元函数； 直轴电枢反应折合系数随着漏磁的增加而增大； 稀土永磁同步电动机的电枢反应折合系数较大，但是由于稀土永磁体的高矫 顽力和磁阻的影响，电枢反应较弱，h o n s i n g e r 研究指出，稀土永磁同步电 动机的直轴电枢反应折合系数小于电磁式的。 f i l i 北l 业人学硕士论文 第三章稀七- 永磁同步电动枫关键参数研究 3 3 电枢反应电抗研究 电枢反应电抗是稀土永磁同步电动机最重要的参数，包含直轴电枢反应电 抗和交轴电枢反应电抗。由于稀土永磁同步电动机的电枢反应不同于普通的电 励磁式同步电动机，因而在电枢反应电抗的计算方法上也有较大的差别。 3 3 】电枢反应电抗计算的基本原理 _ 任稀土水橛同步电_ 瑚硼l 甲- 咀椹反_ 匝电抗刚通过电) 眍及t | 亚磁场任定于绕组 感应产生电势来计算。交直轴电枢反应电势可以表示为以下形式： e m = j id x n 心一1 8 ) 庄。= ，j ，x 。 ( 3 1 9 ) 所以电枢反应电抗应该定义为 铲等 仔z 。， v 等 z - ， 设交直轴电枢反应磁势所产生的磁通基波幅值为m m ，巾。，交直轴电枢反应 电势又可以表示为 5 篡彬舻，( 3 - 2 2 ) e 0 = 4 4 4 j w k 巾q f 考虑以上各式有 驴半 z 。， ：竺盟( 3 - 2 4 ) “ a 两北业大学硕士论文第三章稀土永磁同步电动机关键参数碗究 所以，交直轴反应电抗的求驭实际上就是交直轴反应磁通的求取。 3 3 2 电枢反应电抗不饱和值的求取 电机的激磁电抗为 小2 矿巫甓竽 根据前文对稀土永磁同步电动机的屯枢反应分析 x 。吨i 4 - 4 - a o 瓦口口 x 。= k q 南x m 3 3 3 饱和对电枢反应电抗的影响 考虑到磁路饱和对电枢反应电抗的影响时，应乘以一个饱和系数疋 弘志 所以直交轴电枢反应电抗饱和值 x “= k j k “。“ x q = k ，k q x 3 3 4 斜槽对电抗参数的影响 ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) 稀土永磁同步电动机一般定子均采用斜槽形式，减少了电枢反应电抗，增 加了漏抗。其影响可以用斜槽系数表示。定子斜槽后，每个定子槽可以看作是 无数的小导条组成。所以，斜槽系数可以看作是每极每相槽数是无穷大的绕组 分布系数。 蚯北l ：业人学硕士论文第三章稀土永磁同步电动机关键参数研究 s i n v 纽丝 小誊 v 一= 一 t z 一般隋况下，主要消除一阶齿谐波的影响，即b , k = ，所以 s i n 丝 。一z 1 k “l 一了 z 3 3 5 电枢反应电抗的精确计算 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 电枢反应电抗计算，归根到底是交直轴电枢反应产生的磁通的计算。因此 可以采用有限元的方法计算交直轴电枢反应磁通，然后在计算交直轴电枢反应 电抗，由于问题较复杂，本文就没有进行研究。 3 4 本章小结 本章研究了在稀土永磁同步电动机中晟重要的参数空载电势和交直轴电枢 反应电抗。稀土永磁同步电动机励磁不可调，因而空载电势的大小对电机性能 至关重要。稀土永磁同步电动机由于其转子结构不同于普通的同步电动机，因 而在电枢反应上具有自身不同于普通同步电动机的特点，从而使稀土永磁同步 电动机的电枢反应电抗也具有自身的特点。 两北i 业人学硕十论文第四章稀十永磁同步电动机起动过程研究 第四章稀土永磁同步电动机起动过程研究 稀土永磁同步电动机起动过程研究一直以来都是学术界研究的热点。起动 性能的好坏直接影响稀土永磁同步电动机的应用，即使电机具有非常优良的稳 态性能，如果没有良好起动性能电机的应用价值也不大。本章对于稀土永磁同 步电动机起动过程进行深入分析，基于复数l 、2 、0 坐标系建立稀土永磁同步 电动机起动时的数学模型，对电机的电磁转矩进行分析和计算，还对稀土永磁 同步电动机的牵入同步过程进行了一定的研究，最后阐述了电机参数对于稀土 永磁同步电动机起动性能的影响。 4 1 电机数学模型的建立 异步起动稀土永磁同步电动机电机在起动过程中，主要靠转子鼠笼条与定 子三相绕组作用，而且转子永磁体仍然起作用，电磁过程很复杂。 4 1 1 复数l 、2 、0 坐标系 在电机理论研究中，从三相a 、b 、c 坐标系统转换而成的。、b 、0 和d 、 q 、0 两种最常用的坐标系统带来研究上的方便。下面将在这两种坐标系统上， 来研究1 、2 、0 复数坐标系。 l 、2 、0 坐标系统，其中1 分量是以a 轴的变量作为实部，1 3 轴的变量作 为虚部所构成的新变量，2 分量与1 分量是共轭的，以电流为例，1 、2 分量与 n 、0 分量间的关系式为 卜扭枷，) k 丢也叫，) m 1 强 ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 两北i 。业大学硕十论文第四章稀_ 十i 永磁同步电动机起动过程研究 m 1 f | i 。， 吁彤j e j 9 ： t ， a ：一；+ ，粤为复数算子( 4 - 5 ) 路不对称，这个电流产生0 。+ s c o 。) 的旋转磁场在定子中感应出频率为 s , o 一2 s ) ，的电流。同时，由转子水磁体在定子中感应出频率为( 1 一s ) s 的电流。 因此，定子中就有频率为f ，( 1 2 s ) ，( 1 一s ) l 的电流，三相电流相位相差喜石。 西北1 业尺学硕士论文第四章稀土永磁同步电动机起动过 q 研究 篇麓+ 1 2 e 娄i - 2 s ) r4 - 1 3 茹e j ，式，：，式，互为共轭复数 引 刚黔：笳- 2 s 如f f - - 嘶多3 e t ( 麓 ( 4 - 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 氓，就，庐：，咖：，热，戎互为共轭复数。是由相应频率的电流产生的磁链。 驴。= 工；( 血) ，+ 石。( j s ) i ： 衍= t ( 一j s ) i ? + ( _ 弘) j ： 痧：= t ( 一j s ) j ：+ ( - 声讲 获= t ( j s ) i ：十如协m 咖= = ie 。一t ( o v ，一x 。( o v ： 驴，= 妻e 。一x s ( o v ；一工。( 0 ) j ， 平均运算电抗t ( p ) = 昙k 0 ) + x q ( 洲 半差运算电搬。( p ) = 吾k 扫) 一o ) 】 - 0 ) 直轴运算电抗；p ) 交轴运算电抗。 电磁转矩为 t 。= j 2 晒1 i 2 一妒：f 1 ) ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) ( 4 一1 1 ) ( 4 一1 2 ) 曲北1 ：业人学硕十论文 第四章稀土永磁同步电动机起动过程研究 考虑以上各式，稀土永磁同步电动机起动电磁转矩可表示为 瓦。= 2 啦：庐，一j ，庐f ) 十o ：庐：一j ：戎) + p ；，一，痧：) j 川+ j 2 。e = 隧舅糍；热矧) 】 一”；驴：+ ，：妒；) 一庐，+ j ，妒：) j + j 2 e 2 一m 一( 丘庐。一，戎) + ，2 e - 2 j s m h tc ? 驴：一t 妒i ) 4 1 3 起动电磁转矩分析 电磁转矩公式( 4 1 3 ) 很复杂，下面对式中各项的物理含义进一步分析。电 机起动时，电磁转矩按作用性质分为两类：平均电磁转矩和脉振电磁转矩。平 均电磁转矩是由频率相同的电流和磁链产生的，而脉振电磁转矩则由频率不同 的电流和磁链互相作用而产生的其中后者根据频率，可分频率为2 s f 的脉振 转矩和频率为旷的脉振转矩。 根本原因在于稀土永磁同步电动机异步起动时存在三种旋转磁场： 相当于定子基波电流以转速鳓旋转的磁场： 相当于定于中频率为( 1 2 s ) f 的电流的以转速( 1 2 s ) f 旋转的磁场； 相当于励碰绕组中的直流电流或定子中的频率为( 1 一s ) ，的电流的以转速 ( 1 一s 驴旋转的磁场。 电压方程可以表示为 阱p 卧，嘲 r 表示定子电阻。 稀土永磁同步电动机定子电阻一般均很小，可以忽略不计： 三相电压是对称的。在这两种条件下，可得如下等式： ，驴= t b v 。+ x 。协v ： ( 4 - 1 4 ) 另外，还可以认为 ( 4 - 1 5 ) 两北【：业犬学硕士论文第四章稀士永磁同步电动机起动过程研究 0 = 工d l ，s m + i s 妒：( 4 - 1 6 ) 解得 私揣 m 埘 扛揣 ( 4 _ 1 8 ) o ，表示同步电动机d 轴及q 轴电流分量of 。的时间向量 j 。= ，。+ ( 4 2 0 ) j 。= ，- i ： ( 4 2 1 ) l d ：- t 半l t i ( 4 锄) 一再两碉 博“7 7 。= 而翮j u ( 4 2 3 ) l ：豢 ( 4 - 2 4 ) 幻。i 丽 诤- u 小耥 ( 4 _ z s ) 平均电磁转矩 根据前面对电机起动过程的分析，存在三种频率不同的电流和磁链，因而 电磁平均转矩由以下三项组成：由基波电流和磁链产生的鼠笼条贡献的异步转 矩，在稀土永磁同步电动机的起动过程中起着主导性作用；由频率为( 1 2 s 耵 的电流和磁链产生这是由于磁路不对称的原因引起的，称为凸极效应转矩： 由频率为0 一s ) ，的电流和磁链产生的，反应了稀土永磁同步电动机的永磁体在 帛虮起动过程中的作用称为置甫御副l 转铝。 4 0 旧北】：业人学硕十论文第四章稀士永嫩同步电动机起动过程研究 1 异步转矩 2 p ? 咖。一 驴? ) = 圭0 2 l 1 2 胄。+ f 2 j ， 2 尺， 足。和r ，为复数电抗h 晴聊均虚部。 2 凸极效应转矩 础庐z j z 破) = w 去 3 发电制动转矩 础铲训一- s 阱击。一砖石 二频率为2 s f 的脉振转矩 该转矩是由于转子磁路不对称引起的，其值近似为 b 1 = 譬慝瓣 ( 4 - 2 6 ) ( 4 - 2 7 ) ( 4 - 2 8 ) ( 4 2 9 ) 一般情况下，转速较低时，该转矩对起动性能影响不大，但是当电机接近于同 步速时，有可能出现极大值，表现为电机出现转速摇摆的现象。若转子磁路对 称，该转矩为零。当电机同步速运行时，该转矩的幅值 旦2 卜。, x a 爿 s 。， 为凸极同步转矩的最大值。 三频率为矿的脉振转矩 孩转矩是由于稀土永磁体的作用而产生的。 巧：eou(4-31) 可见该转矩也为同步转矩的最大值。 四结论 平均电磁转矩在稀士永磁同步电动机的起动过程中起主导作用，对电机的 4 l 州此l + 业大学硕士论文第四章稀士永磁同步电动机起动过程研究 起动能力影响很大。它不仅含有鼠笼条产生的类似于异步电机的电磁转矩，还 包括凸极效应转矩和发电制动转矩，其中后者体现了永磁体对电机起动的阻碍 作用，若该转矩值取得过大，即使电机的稳态性能良好，但是由于电机起动存 在死点，换句话说，电机就不能起动。当电机转速较低时，脉振转矩对电机的 影响可不计。当电机接近于同步速时，脉振转矩其主导作用，此时表现为电机 的同步转矩性质，而电磁转矩由于转速较高，作用能力有所下降。因而脉振转 矩主要在接近于同步速方蕊发挥它的牵入同步能力。 4 2 起动转矩的计算方法研究 稀土承槭同步电动机的起动转矩计舁司以简化为电磁平均转矩的计算。我 们知道，平均电磁转矩由三部分组成t 异步转矩、凸极效应转矩和发电制动转 矩。通过把转子参数折合到定子边，且考虑定子为m 相，我们可进一步推导出 以下各式： 稀土永磁同步电动机异步起动转矩f 0 = 等2 十m 2 ) ( 4 - s z ) 和。为折算到定子边上的直交轴鼠笼条电阻。 稀土永磁同步电动机凸极效应转矩z 二 l ，= 8 拙1 2 去( 4 - 3 3 ) 稀土永磁同步电动机发电制动转矩瓦 卜焉2 m s n ， 平均电磁转矩咒，= l 。+ l ；+ 瓦，其曲线如图4 1 所示。 4 2 西bi ? 业人学硕士论文第四章稀土永磁同步电动机起动过程研究 4 2 1 直接采用异步电动机转矩公式 忽略凸极效应转矩，发电制动转矩，把稀土水磁同步电动机近似成异步电 动机，可直接采用异步电动机的转矩公式： 。+ 乙= 碲舞黼 。s ， 一：。起动时转子折算到定子边的每相电阻一片。起动时每相总漏抗， x 。，= x 。十五，：j 0 定子漏抗，工。2 转子漏抗的折算值e t 弋、 l 八? | 一z v o 。7 图4 1 平均电礁转矩与滑差的关系曲线 l 异步转矩2 凸极效应转砸3 发电制动转矩4 平均电磁转矩 4 2 2 用等值电路法计算 同样也忽略凸极效应转矩的影响，采用上述平均转矩的方法，利用交流电 机的交直轴等效电路，计算鼠笼条起动转矩。 4 3 两北l 。业人学硕十论文第四章稀土永磁同步电动机起动过程研宽 4 2 3 正负序电流法 恢乃压计舁夏尔，1 旦精发牧局，征稀土水嗽l j 步电动利l 咆慨设计甲， 矩的计算采用此方法最佳。 乙= 署计_ 一南 j + = 如+ ) j 一= 妻( ，扩) l - = u 面而2 z p q s 坞划焘 z = r 、+ j x 。i + z m z 。= r 、+ | x ，t + z 。： z 。m = 丽r l + j x 一十瓦 当s = 0 5 时，一= 0 ，+ = 2 u ( z 女+ z q s ) 。 起动转 ( 4 3 6 ) ( 4 3 7 ) ( 4 - 3 8 ) ( 4 - 3 9 ) ( 4 4 0 ) ( 4 4 1 ) ( 4 4 2 ) ( 4 4 3 ) ( 4 - 4 4 ) ( 4 4 5 ) ( 4 4 6 ) 一，一，一。一弛 + 一 十 一 + 刍 ! 儿 工雎 鲁- 础 w 珈 跏 知 幽北l ：业大学硕士论文 第四章稀_ 十永磁同步电动机起动过程研究 转子参数可按下述方法计算： 1 鼠笼条电阻 = 1 + 也自 ( 4 - 4 7 ) l ，为导条电阻_ ，2 z s 。，为端环电阻= p 面z 2 d z d 式中屯，s ：分别为阻尼条的长度和截面积：d 。，s 。分别为转子端环的平均直径 和截面积；z ：为转子鼠笼条数，p 为鼠笼条电阻率。 2 鼠笼条漏抗x 。： x 。2 = 2 珈。b 五2 ( 4 4 8 ) 丑：计算方法同一般鼠笼异步电机。 3 鼠笼条绕组阻抗对定子边的折算 直轴折算系数 如= 罢隅 a 。， 式中，z ：，一每极鼠笼条数z ：，= z 2 2 p k b ：= s i n ( z _ 2 r 。t = ) ( 4 - 6 3 ) z 2 ps i n 口： 式中，口：为转子每槽电角度 d ：孕 ( 4 f 5 0 ) 吒2 曹 h 七w 交轴折算系数 牛等端 钏 对一般稀十永磁同 多电刮l 枷，黼链条沿转子均布既有 西北1 ：业人学硕十论文 第四章稀土承磁同步电动d l 起动过程研冤 ：= 。罢硼 沁鼢 k 。= 0 ( 4 5 3 ) 足。：置。：4 m f ( k w l w ) 2 ( 4 5 4 ) 鼠笼条均布的稀土永磁同步电动机的转子阻抗对直交轴折合系数相同，且等于 一般鼠笼电机的折算系数。 4 计算z 2 ”z 2 。 z ：。码，：掣k + ) ( 4 - 5 5 ) 选取不同的s 值，分别计算出以上各参数，可得稀土永磁同步电动机起动耐的 平均电磁转矩曲线。 5 起动电流 j 广( ，叮十c ，- ) 2 + 露 ( 4 5 6 ) 仁而篙嚣而归。2 删2 球 沁5 7 ) 。“2 i i i ：j ；j i ：i j ：i i i 丽【h 1 3 。1 9 + 。7 1 1 0 、1 。 4 2 4 挤流效应和饱和效应 稀土永磁同步电动机在起动过程中具有两个特点，其中一个与异步电动机 相似，由于转子相对于定子磁场运动产生的频率s f 的电流在转子鼠笼条引起的 挤流效应，另一个是由于电机的起动电流远大于电机的额定电流丽引起的饱和 效应。 一稀土永磁同步电动机起动时的挤流效应 一般电机在设计过程，常利用转子鼠笼条的挤流效应来提高电机的异步转 矩，一般情况下，挤流效应对转子参数的影响常常利用电阻增加系数k f 和漏抗 西北l 业大学硕士论文第四章稀士永磁同步电动机起动过程研究 减小系数。这两个系数的计算可以采用两种方法：一是解析法；另一个是数 值法。在稀土永磁同步电动机设计中，可以参考异步电动机来分析计算挤流效 应。 二稀土永磁同步电动机的饱和效应 起动瞬间，起动电流很大导致磁路饱和，饱和效应会使定转予边的漏抗 减小。一般体现在对谐波漏抗的影响和槽漏抗的影响。同样也可以参考异步电 动机进行分析和计算。 4 3 电机参数对起动和牵入同步性能的影响 稀土永磁同步电动机的起动过程应该包括电机的异步起动和牵入同步这两 个过程，前文对稀土永磁同步电动机的异步起动转矩进行了深入研究。本文将 对稀土永磁同步电动机的牵入过程进行分析，最后将综合考虑电机参数的变化 对于稀土永磁同步电动机的异步起动和牵入同步能力的影响，为以后的电机设 计提供依据。 4 3 1 牵入同步的基本原理 稀土永磁同步电动机从异步起动到牵入同步均满足以下机械运动方程。 咒= j 詈一 娜鲁 ( 4 _ 5 8 ) 式中，乙为