永磁同步電機電磁參數(shù)的研究

永磁同步電機電磁參數(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),使得在永磁電機設計和仿真中所采用的傳統(tǒng)計及飽和磁路分析方法不再適用。場路結(jié)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(shù)文獻利用有限元法,只是針對某個具體電機求得電磁參數(shù)。本論文利用有限元法對多種結(jié)構(gòu)永磁同步電機研究其電磁參數(shù)和電機結(jié)構(gòu)之間關(guān)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(jié)構(gòu)的永磁同步電機的參數(shù)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(shù)δ是3個重要的電磁參數(shù)。以往利用有限元法來精確計算這些參數(shù)。但永磁同步電機轉(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,必須分別計算。每個特定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的Ld,Lq,δ又與定子外徑、氣隙長度以及永磁尺寸密切相關(guān)。在設計和分析多種結(jié)構(gòu)永磁同步電機時,每種結(jié)構(gòu)在不同的關(guān)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(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。對于每種結(jié)構(gòu)的電機,都得到一系列函數(shù)曲線。在設計電機時,對新的關(guān)鍵尺寸通過插值,即可得到所需值。仿真結(jié)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(shù)學模型本文對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,進行電磁場計算,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(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(shù),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(chǎn)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(jié)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(jié)果。3.2電機關(guān)鍵尺寸的關(guān)系對上述4種電機中每一種,研究Ld,Lq,δ和電機關(guān)鍵尺寸的關(guān)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(shù)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(shù)據(jù)如表1所示?？梢娫谄渌麠l件相同的情況下,氣隙長度對參數(shù)影響較大。隨氣隙長度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?？梢?氣隙長度是電機設計中一個很關(guān)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(shù)。3.2.2不同hm類型的電機仿真結(jié)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(shù)據(jù)見表2?？梢娫谄渌麠l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。因為永磁高度增加,總磁勢增加,電機中飽和程度增強,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,在永磁長度不變時,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(shù)據(jù)如表3所示?？梢娫谄渌麠l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(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,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(shù)減小。另外3種模型,按同樣方法計算,得到相應數(shù)據(jù)。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(jié)果,對一臺永磁同步電動機在不同的負載和轉(zhuǎn)速下做實驗,測得電壓、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永磁同步電機的驅(qū)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀,經(jīng)過變速箱,驅(qū)動直流發(fā)電機的原動機進行發(fā)電。改變直流發(fā)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(qū)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(zhuǎn)速。逆變器采用V/f=常數(shù)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(zhuǎn)速為1150r·min-1。電動機定子邊為三相6極,36個槽;轉(zhuǎn)子邊無阻尼繞組,不能自啟動。3.3.2仿真結(jié)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(zhuǎn)速(n=1150r·min-1)下,功率因素隨負載轉(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(zhuǎn)速下,效率隨負載轉(zhuǎn)矩先增加后減小的曲線。由圖中可以看出,仿真結(jié)果和實驗結(jié)果在誤差范圍內(nèi)很好地吻合。4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機的仿真計算通過對4種結(jié)構(gòu)永磁同步電機做有限元電磁場分析,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,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)