航空中频自起动永磁同步电机的设计与试验(2) - 航空学报杂志社投稿

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航空中频自起动永磁同步电机的设计与试验(2)

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对于内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸可以近似地由式（1）、式（2）确定[11]:

2 有限元仿真分析

在电机方案设计的基础上，采用有限元软件建模，分别对其进行了空载、满载和起动性能电磁场仿真分析。

（1）空载性能仿真

电机空载仿真结果如图3～图5所示。从图3～图5仿真结果可以看出，电机漏磁较少，磁密分布合理，空载反电势有效值为108.1V，计算误差为6.67%，齿槽转矩的有效值为0.7157N·m，占额定转矩的比例为6%，误差在允许范围之内，基本满足设计要求。

（2）满载性能仿真

电机满载仿真结果如图6 所示。从图6 仿真结果可以看出，电机运行在额定负载状态时，除局部点有饱和外，电机定子最大磁密在1.6T左右，设计基本合理。

（3）起动性能仿真

图3 空载磁密云图Fig.3 The magnetic density distribution of no-load

图4 空载反电动势Fig.4 The back EMF waveform of no-load

图5 齿槽转矩Fig.5 The cogging torque

电机起动性能仿真结果如图7～图9所示。从图7～图9仿真曲线可以看出，带额定负载条件下，电机能够顺利起动到同步速运行，起动时间约为150ms，电机起动过程中的最大电流为180A 左右，额定运行时电机的电流为33A 左右，满足初始设计要求。

3 试验研究

3.1 样机研制

图6 额定负载磁密云图Fig.6 The magnetic density distribution of full-load

图7 转速曲线Fig.7 The speed curve

图8 转矩曲线Fig.8 The torque curve

在电机方案设计和电磁场仿真分析基础上，研制了一台航空中频自起动永磁同步电机样机，样机实物如图10所示。经测量，样机重量为12.4kg，满足初始设计要求。

3.2 样机试验

通过搭建试验台，分别对样机进行了起动性能测试和负载性能测试。电机试验台如图11 所示。试验条件均为常温、常压。

（1）起动性能测试

图9 起动电流曲线Fig.9 The starting current curve

图10 航空中频自起动永磁同步电动机样机实物Fig.10 The prototype of aeronautical intermediate frequency line-start PMSM

图11 电机试验台Fig.11 The motor test-bed

由于自起动永磁同步电机起动转矩是随着转子角度不同而发生变化，对于6 极电机来说，转子每一极对应的机械角度为60°。试验中，以12°为间隔，在一个周期内共测试了5 个位置点的参数，测得的工程样机起动电流和起动转矩见表2。

从表2试验数据可知，一个周期内工程样机最小起动转矩为9.268N·m，对应起动电流为144.5A，满足初始设计要求。

（2）负载性能测试

试验中，工程样机通过115V/400Hz中频电源供电，电机稳定运行在额定转速8000r/min，通过控制试验台测功机给电机施加负载，并测量电机由1.35TN逐步降到空载过程中每个负载点的性能参数，测得的电机功率因数和效率随负载率变化关系曲线如图12所示，电机额定点性能参数见表3。

表2 电机起动性能测量数据Table 2 The measurement data of motor starting performance位置角/（°）起动转矩/（N·m）起动电流/A 位置角/（°）起动转矩/（N·m）起动电流/A 0 36 48 9.268 9.829 144.5 149.7 12 24 10.301 10.493 9.992 158.4 160.1 153.2

图12 功率因数和效率随负载率变化曲线Fig.12 The curves of power factor and efficiency with load rate

表3 电机额定点性能测量数据Table 3 The measurement data of rated-load motor performance参数额定电压/V额定频率/Hz额定转速/（r/min）输入电功率/kW输出机械功率/kW数值200 400 8000 10.889 10.055参数额定电流/A额定转矩/（N·m）额定效率/%功率因数过载倍数数值37.92 12.0 92.33 0.839 1.35

通过上述试验数据可以看出，研制出的航空中频自起动永磁同步电机工程样机实测性能参数完全满足电机初始性能要求，且部分技术指标远高于要求参数，这也验证了所提方案和设计方法的合理性。

3.3 仿真与测试结果对比

在前述研究的基础上，本节分别从起动性能和负载性能两方面将样机的仿真分析结果与试验结果进行对比分析。

（1）起动性能

样机起动性能的仿真与测试结果对比见表4。从表4中对比数据可以看出，与稳定情况相比，在动态性能方面，仿真与测试结果误差较大。究其原因，主要是因为动态性能仿真过程中无法考虑实际情况存在的电源电压波动、试验台系统惯量等因素。

文章来源：《航空学报》网址: http://www.hkxbzz.cn/qikandaodu/2021/0222/584.html