CN108733963A - 一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法，包括以下步骤：1)转子铁芯的确定方法；2)永磁体宽度尺寸初步设计；3)永磁体空载工作点bm0计算与宽度bm的调整确定。本发明利用永磁电机制造厂家系列产品转子铁芯进行适当的机械加工，避免了改造过程中转子铁芯制造昂贵的冲模费用，在现有铁芯的基础上运用永磁电机效率最大时空载感应电势近视等于相电压的关系设计计算永磁体宽度，设计出了节能改造后永磁转子，大大减少了计算量，使三相异步电机永磁节能改造工作得以规模化地进行。

Description

一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法
技术领域
本发明涉及一种利用永磁电机制造厂家系列产品转子和基于空载感应电势等于相电压关系进行永磁体尺寸计算，实现三相异步电动机永磁节能改造转子设计的方法。
背景技术
随着第三代稀土永磁材料钕铁硼(NTB)的出现，永磁电机作为一种低损耗、高效率或超高效率电机应用越来越广泛。与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小，效率高等显著优点，特别是与异步电机50％的额定负载以下效率和功率因数急剧下降相比，永磁同步电机在25％～120％额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，且可以减少线路中无功功率传输造成的线损，节能效果非常明显。随着国家大力提倡循环经济和资源综合利用，在电动机节能改造技术中，对三相异步电动机进行永磁节能改造无疑是最佳优选方案之一。
三相异步电动机永磁节能改造关键是重新设计、制造和更换电动机转子铁芯，目前还没有成熟的专门针对电机节能改造永磁转子铁芯的设计方法和程序，通过异步起动永磁同步电动机电磁计算程序也能够完成新转子的设计，但这种设计方法计算量很大，也是规模化开展异步电动机的永磁节能改造工作的障碍之一，另一障碍是永磁材料价格贵的问题。
发明内容
本发明的目的就是要解决以上问题，提供一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法，充分利用专业制造厂家现有资源，减少异步电动机永磁节能改造巨大的设计计算量，避免改造过程中转子铁芯制造昂贵的冲模费用，使得不具备电机制造能力的企业亦能开展异步电动机永磁节能改造工作。改造后电机效率、功率因数等性能与永磁电机性能相当。
本发明的技术方案是这样得以实现的，一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法，其特点是：包括以下步骤：
1、转子铁芯的确定方法：需改造的电机解体后，测量定子内径、转子外径、转轴外径及定子槽数，在永磁电机制造厂系列产品的转子冲片图中选取满足改造要求的转子铁芯；其基本要求：极数相同、功率相等或上下差一个功率等级、转子槽数与定子槽数满足槽配合要求；转子外径在不破坏阻尼槽机械强度前提下经切削加工后比原转子外径小0.01-0.02mm；原转轴经切削加工或堆焊后切削加工能满足转子铁芯与转轴的装配要求；
2、永磁体宽度尺寸初步设计：对永磁电机设计而言，其空载感应电势越接近相电压，其效率越高；基于空载感应电势等于相电压的关系，进行永磁体宽度尺寸的初定；具体表述，选择相应的永磁材料，根据其性能计算主要电磁参数，由电磁感应定律及空载感应电势等于相电压的关系，我们可以得出气隙磁通量φδ0，而空载时气隙磁通量由永磁体产生可初步计算出永磁体宽度bm＝Φδ0σ0’/bm0’BrLm10-4，其中bm0’为永磁体工作点设定值，在0.65-0.85之间，σ0’为空载漏磁系数设定值，对串联式磁路在1.2-1.3之间，Br为永磁体计算剩磁密度，Lm为铁芯长度；如初步计算的永磁体宽度大于选取铁芯永磁体槽总宽度，则应另选择其他牌号的永磁材料；
3、永磁体空载工作点bm0计算与宽度bm的调整确定：永磁体空载工作点bm0计算：按永磁电机电磁设计程序进行磁路的计算，如与前设定值不同，按永磁体空载工作点bm0与永磁体宽度bm反比关系调整永磁体宽度bm值；如偏差不大且在0.65-0.86之间、离0.65点和0.85点较远，即可确定永磁体宽度bm，一般考虑永磁材料的利用，空载工作点应稍定高一点；永磁体磁化方向长度按永磁体槽的尺寸。
本发明利用永磁电机制造厂家系列产品转子铁芯进行适当的机械加工，避免了改造过程中转子铁芯制造昂贵的冲模费用，在现有铁芯的基础上运用永磁电机效率最大时空载感应电势近视等于相电压的关系设计计算永磁体宽度，设计出了节能改造后永磁转子，大大减少了计算量，使三相异步电机永磁节能改造工作得以规模化地进行。
具体实施方式
实施例：
一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法，包括以下步骤：
1、转子铁芯选取与确定：需改造的三相异步电动机解体后，测量定子内径、转子外径、转轴与铁芯装配处外径及定子槽数，在永磁电机专业制造厂家系列产品转子冲片图中选择符合要求的转子铁芯。基本要求为：极数相等，功率相当，满足槽配合要求，几何尺寸相近(转子外径经切削加工后比原转子外径小0.01-0.02mm，转轴外径经切削加工或堆焊后切削加工能满足与转子铁芯的装配要求)，一般采用内置径向“U”、“W”或“V”型永磁体槽，属串联式磁路结构。
2、基本参数计算：运用电机电磁设计程序，分别计算气隙计算长度lef,每极每相槽数q1，定、转子极距τ1τ2，定、转子齿距t1t2，每相串联匝数N，极距系数β，绕组短距因数Kp1，绕组分布因数Kd1，斜槽因数Ksk1，绕组因数Kdp，极弧系数αp，计算极弧系数αi，气隙磁密波系数Kf，气隙磁通波系数Kφ等。
3、所需磁通量计算：运用空载感应电势近视等于相电压的关系，计算磁通量，
4、永磁体相关参数计算：
根据选取的永磁材料牌号及相应性能，计算永磁体相关参数，得到计算剩磁密度Br、计算矫顽力Hc、相对回复磁导率μr
5、永磁体计算：
永磁体空载工作点bm0’设定：在0.65-0.85之间，低于0.65进入退磁拐点，高于0.85永磁体工作不能保持稳定。
空载漏磁系数σ0’假设：串联式磁路1.2-1.3
永磁体宽度bm＝Φδ0σ0’/bm0’BrLm10-4
7、按电机电磁设计计算程序，进行磁路参数的设计计算。
8、空载漏磁系数σ0校核：按永磁电机转子漏磁通计算程序计算σ0，其值应与前假定值偏差小于1％，否则重新迭代计算。。
9、永磁体空载工作点bm0计算：按永磁电机电磁设计程序进行计算，如与前设定值不同，则按反比关系调整永磁体宽度bm值。如偏差不大在0.65-0.85之间且离0.65点和0.85点较远，即可不调整，一般考虑永磁材料的利用，空载工作点应稍定高一点。
10、转子设计完成后，即可订购转子铁芯部件，进行组装等工作。
我们对1台55kW Y250M-4电机进行了转子永磁节能改造，电机改造前在对电机进行了原始性能参数测试；电机解体后，根据槽配合及电机几何尺寸进行电磁计算，选用永磁电机制造厂合乎要求转子冲片制造了永磁转子。电机改造前后参数比较见下表。
电机改造后效率增加2.95％，超过国家《GB18613-2012中小型异步三相电动机能效限定值及能效等级》规定的二级标准(94.6％)，接近一级标准(95.8％)，功率因数提高0.07，温升降低28K，最大转矩和堵转转矩基本持平。
按年改造55kW电机100台，每台改造费用较购买永磁电机节约5000元计，则年可产生效益50万元。

Claims (1)

1.一种三相异步电动机永磁节能改造转子设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)转子铁芯的确定方法：需改造的电机解体后，测量定子内径、转子外径、转轴外径及定子槽数，在永磁电机制造厂系列产品的转子冲片图中选取满足改造要求的转子铁芯；其基本要求：极数相同、功率相等或上下差一个功率等级、转子槽数与定子槽数满足槽配合要求；转子外径在不破坏阻尼槽机械强度前提下经切削加工后比原转子外径小0.01-0.02mm；原转轴经切削加工或堆焊后切削加工能满足转子铁芯与转轴的装配要求；
2)永磁体宽度尺寸初步设计：对永磁电机设计而言，其空载感应电势越接近相电压，其效率越高；基于空载感应电势等于相电压的关系，进行永磁体宽度尺寸的初定；具体表述，选择相应的永磁材料，根据其性能计算主要电磁参数，由电磁感应定律及空载感应电势等于相电压的关系，我们可以得出气隙磁通量φδ0，而空载时气隙磁通量由永磁体产生可初步计算出永磁体宽度bm＝Φδ0σ0’/bm0’BrLm10-4，其中bm0’为永磁体工作点设定值，在0.65-0.85之间，σ0’为空载漏磁系数设定值，对串联式磁路在1.2-1.3之间，Br为永磁体计算剩磁密度，Lm为铁芯长度；如初步计算的永磁体宽度大于选取铁芯永磁体槽总宽度，则应另选择其他牌号的永磁材料；
3)永磁体空载工作点bm0计算与宽度bm的调整确定：永磁体空载工作点bm0计算：按永磁电机电磁设计程序进行磁路的计算，如与前设定值不同，按永磁体空载工作点bm0与永磁体宽度bm反比关系调整永磁体宽度bm值；如偏差不大且在0.65-0.86之间、离0.65点和0.85点较远，即可确定永磁体宽度bm，一般考虑永磁材料的利用，空载工作点应稍定高一点；永磁体磁化方向长度按永磁体槽的尺寸。
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