不同气隙长度对电机启动性能的影响分析

不同气隙长度对电机启动性能的影响分析宋林峰

王爱元

陈

哲

庄石榴

（上海电机学院，上海201306）

摘

要：在电机设计过程中，只有选定了气隙长度，才能确定转子尺寸，因此电机气隙长度的选取十分重要，可以通过对电机性能

的分析与计算来合理选取气隙长度。对于异步启动永磁同步电机，首先应考虑电机采用均匀气隙结构的情况，利用有限元法对异步启动永磁同步电机进行启动分析，得到不同气隙长度对电机启动性能的影响；再通过对启动转矩/转速、启动电流的分析对比，选择较为合适的均匀气隙长度。

关键词：异步启动永磁同步电机；启动性能；气隙长度；有限元分析

0引言异步启动永磁同步电机是具有自启动能力的永磁同步电

转矩以及启动电流。要尽可能使得电机的启动转矩增大，同时减小启动电流，并缩短拖入同步的时间。由于每个参数对应的图形较多，因此需要在对比电机的转矩波形的基础上来分析在修改气隙长度的情况下电机启动性能的差异。图2所示为该电机修改气隙长度后的转矩波形对比图，较为明显的是0.8mm、1mm、1.2mm及1.3mm的波形。由于其他参数的波形绝大部分是重复的，所以在图2中没有展现出来。

机，其依靠定子旋转磁场与转子导条相互作用产生的异步转矩启动，启动原理与感应电机基本相同。与普通的电励磁同步电机相比，异步启动永磁同步电机性能更优、结构更加简单且能量密度显著提高[1]。永磁同步电机的理想运行条件是正弦分布的电机电流与正弦分布的电机气隙磁场。虽然永磁同步电机电流的正弦性能够保证，但由于永磁同步电机本身的磁路特点，其气隙磁场远非正弦分布，因而影响了电机性能。气隙磁场中的谐波含量会使系统的转矩脉动增大，在电机中产生附加的振动噪声，影响电机额定运行及空载运行时的效率[2]。当谐波磁场相对于磁极表面运动时，会在极面感应出涡流，从而产生表面损耗。当谐波磁场相对于齿部运动时，会在齿中感应出涡流，从而产生脉振损耗，因此优化电机的气隙磁密分布非常必要[3]。若能分析得出电机的各结构参数变化对电机启动性能及气隙磁密的影响规律，则可综合分析结果及工程实际得出该结构的较优参数，从而优化电机的结构及性能。在电机性能分析及参数选取过程中，需要利用有限元软件搭建模型进行辅助分析。

图24种气隙长度下的转矩波形对比图

2参数化分析根据波形图可以发现，当气隙长度在1.2mm左右时，转矩

1气隙长度的选择根据电机参数，利用AnsoftMaxwell软件搭载二维模型进

波形在接近230ms时就将进入同步，相对于其他数值的波形，能够较早进入稳定状态。基于对气隙长度的初步分析，将对气隙长度进行参数化分析，通过参数化分析来观察不同气隙长度下的平均转矩及电流。

图3、图4就是进行参数化分析得到的平均转矩及电流波形。

行仿真分析，其中气隙长度取为0.6～1.6mm。图1所示为气隙长度选择为0.6mm时的转矩波形。

图10.6mm时转矩波形

由图1可以看出，当气隙长度选择过小时，电机无法进入稳定状态，由转速波形图同样也可得出该结论。所以在参考相关资料及实际生产加工难度的情况下，将气隙长度的参数变化范围调整为0.8～1.6mm。

本文研究的是笼型异步启动永磁同步电机的启动性能，所以，需要观察电机的启动性能，而启动性能又需要观察启动26图3不同气隙长度下平均转矩参数化分析图

再由之前的结论可知，启动过程中需要尽可能大的启动转矩、尽可能小的启动电流。可以将平均转矩与电流的比值作为观察结果，在气隙长度合理的范围内，使转矩/电流的比值越大越好。

DianqiGongchengyuZidonghua◆电气工程与自动化4结语在对异步启动永磁同步电机的启动性能分析中，考虑到

了气隙对启动性能的影响，通过数据的仿真并综合实际生产的考虑，将气隙值确定在一定范围内，最终通过数据化分析，选出了一个最优值。虽然只是确定了一个气隙长度，但这种研究方法可以为接下来的其他因素对该电机启动性能影响的研究提供帮助。

［参考文献］

[1]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版

社，1997.

[3]李志强.自起动永磁电机动态过程的有限元分析与实验研究

[D].北京：华北电力大学，2009.

图4不同气隙长度下电流参数化分析图

3数据对比通过对数据的处理，得到图5所示结果。由此我们可以判

断，气隙长度在1.4mm时，转矩/电流比达到最大，暂定取气隙长度为1.4mm。

收稿日期：2018-08-16

作者简介：宋林峰（1992—），男，江苏常州人，硕士研究

图5转矩/电流比折线图

生，研究方向：电机与电器。

（上接第25页）

图1只画出第一组跳闸线圈A相跳闸的信号回路，其他各相及第二组跳闸线圈信号回路同理。

如图1所示，双位置继电器TXJ由防跳继电器11TBIJ的常开接点串接手跳继电器STJ的常闭接点启动。即只有保护出口跳闸，使防跳继电器11TBIJ动作，11TBIJ的常开接点闭合，并且没有手动跳闸信号时才会启动TXJ继电器。且TXJ继电器为双位置继电器，只有当按下保护复归按钮4FA后才可以复归，保证信号回路的稳定性。“启动事故音响”信号回路接线按图2的接线原理更改，从而使得“启动事故音响”信号回路变成，当保护有出口跳闸信号，且开关跳闸后，启动“启动事故音响”信号回路；而当到现场按下复归按钮4FA后，保护和“启动事故音响”回路可以一起复归。

由于TXJ是原有的双位置继电器，辅助接点也容易找到，回路改变简单，且可省去原有的KKJ继电器，所以这种方法比第一种方法更加容易实现且成本更低。但是由于并入的接点过多，容易造成误发信。

（3）现在很多变电站都有综合自动化系统，所有的保护动作信息和开关的变位情况都可以在监控系统反映出来。那么我们只要在监控系统中加入一条程序，使它监视保护出口和开关的跳闸情况，在同时出现这两个判据后，启动程序发出“启动事故音响”信号，并由监控程序追踪复归确认信号。

这种方法比较灵活，由监控系统厂家编程完成，相信编写

方法并不困难，对原有的系统程序升级也容易实现，还可省去原有的实际接线，完全依靠软件的方法实现。缺点是当保护和监控系统的通信发生异常时，将导致无法发出“事故音响”信号提醒值班人员，但是对于当今保护和测控单元都采用双机双网的大多数变电站监控系统来说，这种异常情况还是极少会发生的。

4结语文中提出了三种不同的方法，其各有优缺点，笔者比较趋

向于选择第二种方法，其实现简单，成本低廉，且不会受网络和电脑软件等瓶颈的影响。本文意在抛砖引玉，与大家一起探讨问题，提出更加方便和合理的方法，实现事故信号的复归工作，提高变电运行的效率，使得变电站安全运行得到更好的保障。

［参考文献］

[1]李炳煌，王永钊，庄小河.继电保护操作箱继电器动作特性测

试仪的研制[J].电工技术，2018（1）：73-76.

[2]周志强.继电保护操作回路现场调试中常见问题分析[J].居

舍，2017（31）：126.收稿日期：2018-08-08

作者简介：吴明珠（1977—），女，广东湛江人，工程师，研究方向：变电站电气设备的运行维护与故障分析处理。

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