永磁同步電機電磁參數的研究

與傳統的電磁磚相比，由于永磁體的引入，電機中磁體的分布和性質發生變化，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,且新的轉子結構不斷出現,使得在永磁電機設計和仿真中所采用的傳統計及飽和磁路分析方法不再適用。場路結合的方法被提出并首先用于永磁直流電機的分析。許多新型永磁電機,如弱場雙凸極永磁電動機(fieldweakeningdoublysalientpermanentmotor),普遍采用有限元法。文采用有限元法對4種不同轉子結構的永磁同步電動機,作了詳細的磁場計算和分析。但是絕大多數文獻利用有限元法,只是針對某個具體電機求得電磁參數。本論文利用有限元法對多種結構永磁同步電機研究其電磁參數和電機結構之間關系,將有限元法在永磁同步電機設計和分析中的應用擴展為新的方式。1基于不同結構的永磁同步電機的參數設計在永磁同步電機設計和仿真中,直軸同步電感Ld,交軸同步電感Lq和漏磁系數δ是3個重要的電磁參數。以往利用有限元法來精確計算這些參數。但永磁同步電機轉子結構具有多樣性,每種結構的電磁參數相差很大,必須分別計算。每個特定轉子結構的Ld,Lq,δ又與定子外徑、氣隙長度以及永磁尺寸密切相關。在設計和分析多種結構永磁同步電機時,每種結構在不同的關鍵尺寸(指定子外徑,氣隙長度,永磁尺寸)下都單獨計算,工作量龐大。本論文提出一種新的方法,對每種結構,確定幾套關鍵尺寸,利用ANSYS軟件包可求出所需參數;然后研究總結出Ld,Lq,δ和關鍵尺寸之間的關系,繪制成曲線,存入數據庫。對于每種結構的電機,都得到一系列函數曲線。在設計電機時,對新的關鍵尺寸通過插值,即可得到所需值。仿真結果表明此方法能實時地設計和分析永磁同步電機,同時保證了計算精度。2電機模型與電機數學模型本文對4種不同結構(包括外置表面凸出式,外置表面插入式,內置徑向式,內置切向式)永磁同步電機,進行電磁場計算,求出參數Ld,Lq和δ。因篇幅所限,僅以圖1所示模型作為試驗電機,其他3種電機模型類似處理。因電機電磁場具有對稱性,圖中只取一極模型。圖示為內置式轉子結構永磁同步電機,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,用公式δ=Φ總Φ主(1)δ=Φ總Φ主(1)計算。式中:Φ總為電機中總磁通,Φ主為主磁通。利用電機中的“3-2坐標變換”,分別通入直軸電流Id和交軸電流Iq,同時將永磁勵磁磁勢設為0,求出各自產生的磁場能量Wmd和Wmq。由公式Wm=12LΙ2?(2)Wm=12LI2?(2)得到:Ld=2Wmd/Ι2d?(3)Lq=2Wmq/Ι2q.(4)3磁體計算與模擬結果分析3.1電流磁力線分布因電機氣隙中磁場變化率大,需剖分密集。利用ANSYS軟件,得到圖1模型的剖分圖,見圖2。剖分完成后,進行電磁場計算,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,給出電磁計算結果。3.2電機關鍵尺寸的關系對上述4種電機中每一種,研究Ld,Lq,δ和電機關鍵尺寸的關系。分別改變定子外徑Dso、氣隙長度Gap、永磁尺寸(長度Lm,高度Hm),計算出不同情況下的電磁參數Ld,Lq和δ。3.2.1氣隙長度的影響當定子外徑不變,如Dso=175mm;保持永磁尺寸恒定,如Lm=42mm,Hm=2.66mm時,所得數據如表1所示。可見在其他條件相同的情況下,氣隙長度對參數影響較大。隨氣隙長度Gap的增大,定轉子之間的耦合程度減小,使得反映這種耦合程度的Ld和Lq相應地減小;另外,氣隙長度增大,漏磁必然增加,使得反映漏磁大小的δ增大。可見,氣隙長度是電機設計中一個很關鍵的因素,本例的取值為0.6,0.8,1.0mm。對于其他長度的氣隙,若電機的其他方面完全一樣,則可由上圖插值計算得到參數。3.2.2不同hm類型的電機仿真結果當定子外徑不變,如Dso=175mm;保持氣隙長度恒定,如Gap=0.8mm時,所得數據見表2。可見在其他條件相同的情況下,隨著Hm增大,Ld和Lq單調減小,δ亦單調減小。因為永磁高度增加,總磁勢增加,電機中飽和程度增強,定轉子的耦合程度減弱,使得同步電感減小。另外,隨永磁高度增加,主磁通隨之增加,在永磁長度不變時,總磁通不變,所以漏磁系數減少,提高了永磁的利用率。3.2.3不同轉子半徑的影響當氣隙長度不變,如Gap=0.8mm;保持永磁尺寸恒定,如Lm=42mm,Hm=2.66mm時,所得數據如表3所示。可見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,電機體積相應增大,鐵磁介質的飽和程度降低,使得定子繞組間以及定轉子間的耦合程度增強,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,主磁通相應增加,而永磁長度不變,總磁通不變,則漏磁系數減小。另外3種模型,按同樣方法計算,得到相應數據。3.3永磁同步電機性能測試以實驗電機模型為例,通過仿真程序得到電機的一些性能曲線。為了驗證仿真結果,對一臺永磁同步電動機在不同的負載和轉速下做實驗,測得電壓、電流、轉速、轉矩、輸入\輸出功率等電磁參數,以與仿真數據相比較。3.3.1永磁同步電機的驅動圖5為圖1電機模型的實驗原理圖。永磁同步電動機帶動轉矩轉速儀,經過變速箱,驅動直流發電機的原動機進行發電。改變直流發電機的勵磁電流,相當于改變永磁同步電動機的負載。其中永磁同步電動機由逆變器驅動。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機的轉速。逆變器采用V/f=常數的控制方式。當逆變器輸出電壓太低時,能自動補償電壓以啟動電動機。永磁同步電動機的額定輸入功率為2.2kW,額定電壓為180V,額定電流為8.5A;額定頻率為57.5Hz,額定轉速為1150r·min-1。電動機定子邊為三相6極,36個槽;轉子邊無阻尼繞組,不能自啟動。3.3.2仿真結果分析對實驗電機,由電磁場計算求得Ld=12.17mH·m-1,Lq=15.46mH·m-1,和電機的額定值Ld=12.0mH·m-1,Lq=15.0mH·m-1非常接近,說明有限元法在求解永磁電機電磁場時具有很高的精確度。圖6表示在額定轉速(n=1150r·min-1)下,功率因素隨負載轉矩先增加,到最大值后減小的曲線,最大值發生在額定負載附近。試驗曲線比仿真曲線偏小,這是因為試驗中附加損耗比仿真中考慮的值偏大。圖7表示在額定轉速下,效率隨負載轉矩先增加后減小的曲線。由圖中可以看出,仿真結果和實驗結果在誤差范圍內很好地吻合。4轉子結構的永磁電機的仿真計算通過對4種結構永磁同步電機做有限元電磁場分析,得出如下結論: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,鐵磁介質的飽和程度降低,定轉子間的耦合程度增強,主磁通增加的原因。3)表面凸出式轉子結構永磁電機的漏磁系數最小,其范圍為1.0～1.02;表面插入式次之,為1.01～1.03;而內置式轉子結構