永磁同步電機(jī)電磁參數(shù)的研究

永磁同步電機(jī)電磁參數(shù)的研究

與傳統(tǒng)的電磁磚相比，由于永磁體的引入，電機(jī)中磁體的分布和性質(zhì)發(fā)生變化，磁體的非線性和飽和程度顯著增加。永磁體的擺放方式多種多樣,且新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn),使得在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和仿真中所采用的傳統(tǒng)計(jì)及飽和磁路分析方法不再適用。場(chǎng)路結(jié)合的方法被提出并首先用于永磁直流電機(jī)的分析。許多新型永磁電機(jī),如弱場(chǎng)雙凸極永磁電動(dòng)機(jī)(fieldweakeningdoublysalientpermanentmotor),普遍采用有限元法。文采用有限元法對(duì)4種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī),作了詳細(xì)的磁場(chǎng)計(jì)算和分析。但是絕大多數(shù)文獻(xiàn)利用有限元法,只是針對(duì)某個(gè)具體電機(jī)求得電磁參數(shù)。本論文利用有限元法對(duì)多種結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)研究其電磁參數(shù)和電機(jī)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系,將有限元法在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析中的應(yīng)用擴(kuò)展為新的方式。1基于不同結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和仿真中,直軸同步電感Ld,交軸同步電感Lq和漏磁系數(shù)δ是3個(gè)重要的電磁參數(shù)。以往利用有限元法來(lái)精確計(jì)算這些參數(shù)。但永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有多樣性,每種結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)相差很大,必須分別計(jì)算。每個(gè)特定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的Ld,Lq,δ又與定子外徑、氣隙長(zhǎng)度以及永磁尺寸密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)和分析多種結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)時(shí),每種結(jié)構(gòu)在不同的關(guān)鍵尺寸(指定子外徑,氣隙長(zhǎng)度,永磁尺寸)下都單獨(dú)計(jì)算,工作量龐大。本論文提出一種新的方法,對(duì)每種結(jié)構(gòu),確定幾套關(guān)鍵尺寸,利用ANSYS軟件包可求出所需參數(shù);然后研究總結(jié)出Ld,Lq,δ和關(guān)鍵尺寸之間的關(guān)系,繪制成曲線,存入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于每種結(jié)構(gòu)的電機(jī),都得到一系列函數(shù)曲線。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),對(duì)新的關(guān)鍵尺寸通過(guò)插值,即可得到所需值。仿真結(jié)果表明此方法能實(shí)時(shí)地設(shè)計(jì)和分析永磁同步電機(jī),同時(shí)保證了計(jì)算精度。2電機(jī)模型與電機(jī)數(shù)學(xué)模型本文對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)(包括外置表面凸出式,外置表面插入式,內(nèi)置徑向式,內(nèi)置切向式)永磁同步電機(jī),進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算,求出參數(shù)Ld,Lq和δ。因篇幅所限,僅以圖1所示模型作為試驗(yàn)電機(jī),其他3種電機(jī)模型類(lèi)似處理。因電機(jī)電磁場(chǎng)具有對(duì)稱(chēng)性,圖中只取一極模型。圖示為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī),因其漏磁大,需加隔磁槽,其中的三角槽即起隔磁作用。δ是空載總漏磁系數(shù),用公式δ=Φ總Φ主(1)δ=Φ總Φ主(1)計(jì)算。式中:Φ總為電機(jī)中總磁通,Φ主為主磁通。利用電機(jī)中的“3-2坐標(biāo)變換”,分別通入直軸電流Id和交軸電流Iq,同時(shí)將永磁勵(lì)磁磁勢(shì)設(shè)為0,求出各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量Wmd和Wmq。由公式Wm=12LΙ2?(2)Wm=12LI2?(2)得到:Ld=2Wmd/Ι2d?(3)Lq=2Wmq/Ι2q.(4)3磁體計(jì)算與模擬結(jié)果分析3.1電流磁力線分布因電機(jī)氣隙中磁場(chǎng)變化率大,需剖分密集。利用ANSYS軟件,得到圖1模型的剖分圖,見(jiàn)圖2。剖分完成后,進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算,得到磁力線分布。圖3為圖1空載磁力線分布圖,直軸電流磁力線分布類(lèi)似圖3,圖4為交軸電流磁力線分布。下面以圖1為例,給出電磁計(jì)算結(jié)果。3.2電機(jī)關(guān)鍵尺寸的關(guān)系對(duì)上述4種電機(jī)中每一種,研究Ld,Lq,δ和電機(jī)關(guān)鍵尺寸的關(guān)系。分別改變定子外徑Dso、氣隙長(zhǎng)度Gap、永磁尺寸(長(zhǎng)度Lm,高度Hm),計(jì)算出不同情況下的電磁參數(shù)Ld,Lq和δ。3.2.1氣隙長(zhǎng)度的影響當(dāng)定子外徑不變,如Dso=175mm;保持永磁尺寸恒定,如Lm=42mm,Hm=2.66mm時(shí),所得數(shù)據(jù)如表1所示?？梢?jiàn)在其他條件相同的情況下,氣隙長(zhǎng)度對(duì)參數(shù)影響較大。隨氣隙長(zhǎng)度Gap的增大,定轉(zhuǎn)子之間的耦合程度減小,使得反映這種耦合程度的Ld和Lq相應(yīng)地減小;另外,氣隙長(zhǎng)度增大,漏磁必然增加,使得反映漏磁大小的δ增大?？梢?jiàn),氣隙長(zhǎng)度是電機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)很關(guān)鍵的因素,本例的取值為0.6,0.8,1.0mm。對(duì)于其他長(zhǎng)度的氣隙,若電機(jī)的其他方面完全一樣,則可由上圖插值計(jì)算得到參數(shù)。3.2.2不同hm類(lèi)型的電機(jī)仿真結(jié)果當(dāng)定子外徑不變,如Dso=175mm;保持氣隙長(zhǎng)度恒定,如Gap=0.8mm時(shí),所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢?jiàn)在其他條件相同的情況下,隨著Hm增大,Ld和Lq單調(diào)減小,δ亦單調(diào)減小。因?yàn)橛来鸥叨仍黾?總磁勢(shì)增加,電機(jī)中飽和程度增強(qiáng),定轉(zhuǎn)子的耦合程度減弱,使得同步電感減小。另外,隨永磁高度增加,主磁通隨之增加,在永磁長(zhǎng)度不變時(shí),總磁通不變,所以漏磁系數(shù)減少,提高了永磁的利用率。3.2.3不同轉(zhuǎn)子半徑的影響當(dāng)氣隙長(zhǎng)度不變,如Gap=0.8mm;保持永磁尺寸恒定,如Lm=42mm,Hm=2.66mm時(shí),所得數(shù)據(jù)如表3所示?？梢?jiàn)在其他條件相同的情況下,隨定子外徑的增大,Ld和Lq明顯增加,而δ隨之減小。隨定子外徑增加,電機(jī)體積相應(yīng)增大,鐵磁介質(zhì)的飽和程度降低,使得定子繞組間以及定轉(zhuǎn)子間的耦合程度增強(qiáng),則反映這種耦合程度的同步電感必然增加。另外,定子外徑增加,主磁通相應(yīng)增加,而永磁長(zhǎng)度不變,總磁通不變,則漏磁系數(shù)減小。另外3種模型,按同樣方法計(jì)算,得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。3.3永磁同步電機(jī)性能測(cè)試以實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型為例,通過(guò)仿真程序得到電機(jī)的一些性能曲線。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,對(duì)一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速下做實(shí)驗(yàn),測(cè)得電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸入\輸出功率等電磁參數(shù),以與仿真數(shù)據(jù)相比較。3.3.1永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)圖5為圖1電機(jī)模型的實(shí)驗(yàn)原理圖。永磁同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀,經(jīng)過(guò)變速箱,驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。改變直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,相當(dāng)于改變永磁同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。其中永磁同步電動(dòng)機(jī)由逆變器驅(qū)動(dòng)。逆變器的輸入為380V,50Hz的三相交流電,輸出電壓的頻率決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。逆變器采用V/f=常數(shù)的控制方式。當(dāng)逆變器輸出電壓太低時(shí),能自動(dòng)補(bǔ)償電壓以啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定輸入功率為2.2kW,額定電壓為180V,額定電流為8.5A;額定頻率為57.5Hz,額定轉(zhuǎn)速為1150r·min-1。電動(dòng)機(jī)定子邊為三相6極,36個(gè)槽;轉(zhuǎn)子邊無(wú)阻尼繞組,不能自啟動(dòng)。3.3.2仿真結(jié)果分析對(duì)實(shí)驗(yàn)電機(jī),由電磁場(chǎng)計(jì)算求得Ld=12.17mH·m-1,Lq=15.46mH·m-1,和電機(jī)的額定值Ld=12.0mH·m-1,Lq=15.0mH·m-1非常接近,說(shuō)明有限元法在求解永磁電機(jī)電磁場(chǎng)時(shí)具有很高的精確度。圖6表示在額定轉(zhuǎn)速(n=1150r·min-1)下,功率因素隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩先增加,到最大值后減小的曲線,最大值發(fā)生在額定負(fù)載附近。試驗(yàn)曲線比仿真曲線偏小,這是因?yàn)樵囼?yàn)中附加損耗比仿真中考慮的值偏大。圖7表示在額定轉(zhuǎn)速下,效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩先增加后減小的曲線。由圖中可以看出,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)很好地吻合。4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)的仿真計(jì)算通過(guò)對(duì)4種結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)做有限元電磁場(chǎng)分析,得出如下結(jié)論:1)在其他條件相同的情況下,隨永磁高度的增加Ld,Lq和δ都減小,這是由于交直軸磁路磁阻增大了的原因。2)在其他條件相同的情況下,定子外徑變化對(duì)Ld,Lq和δ影響很大。隨定子外徑的增加,Ld和Lq明顯增加,δ也減小很多。這是由于定子外徑增加,鐵磁介質(zhì)的飽和程度降低,定轉(zhuǎn)子間的耦合程度增強(qiáng),主磁通增加的原因。3)表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的漏磁系數(shù)最小,其范圍為1.0～1.02;表面插入式次之,為1.01～1.03;而內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)