摘 要:以一臺(tái)三相12/10極樣機(jī)為例，介紹了一種磁通切換型雙凸極永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理，并基于有限元法，詳細(xì)研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)氣隙和永磁體厚度對(duì)電機(jī)性能的影響，具體包括對(duì)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的弱磁控制和電機(jī)繞組的電感、平均電磁轉(zhuǎn)矩和力矩波動(dòng)、定位力矩電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性和輸出功率等。通過(guò)分析得出了對(duì)磁通切換型永磁電機(jī)氣隙及永磁體厚度的選擇原則，所得結(jié)果為該種電機(jī)的設(shè)計(jì)、性能分析以及運(yùn)行控制等建立了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:磁通切換; 永磁電機(jī); 結(jié)構(gòu)參數(shù); 氣隙; 永磁體

中圖分類(lèi)號(hào):TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0162-03

Study on Structure Parameters of Flux-Switching Permanent Magnet Synchronous Motor

SUO Lai-chun， YAN Shen-wu， ZHANG Xing， ZHANG Zhi-qiang

(Advanced Manufacturing Technology Center， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

Abstract: A flux-switching permanent magnet (FSPM) machine with double-convex structure is introduced， and the special topology principle is analyzed by taking a 3-phase 12/10-pole FSPM machine as an example. Based on the finite element analysis， the influence of the structure parameters (including the airgap and permanent magnet thickness) on the motor′s properties are studied. The selection principle of the airgap and permanent magnet thickness of the flux-switching permanent magnet motor is obtained with the study. The results set up a foundation for designing， performance analysis and operational control of this kind of motor.

Keywords: flux-switching; permanent magnet motor; structural parameter; airgap; permanent magnet

0 引 言

普通永磁電機(jī)的永磁體安裝在轉(zhuǎn)子，為了防止高速運(yùn)行時(shí)磁鋼受到離心力的影響而甩落，通常在轉(zhuǎn)子上都裝有不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置，但該裝置會(huì)引起散熱困難，而溫升最終可能會(huì)導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁，限制電機(jī)出力，減小功率密度等[1]。

為解決上述問(wèn)題，1955年就有學(xué)者開(kāi)始研究永磁體置于定子的新型永磁電機(jī)[2]。1992年Lipo教授提出了一種新型雙凸極永磁(DSPM)電機(jī)[3-4];1997年另一種新型磁通切換型永磁(FSPM)電機(jī)也被提出。國(guó)內(nèi)外先后有許多高校對(duì)這兩種電機(jī)進(jìn)行了研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要介紹了FSPM電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和靜態(tài)電磁特性，但對(duì)FSPM的結(jié)構(gòu)參數(shù)報(bào)道相對(duì)較少。本文的主要目的就是以一臺(tái)12/10極FSPM電機(jī)為例，分析氣隙及永磁體厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1是一臺(tái)12/10極FSPM電機(jī)截面圖，其結(jié)構(gòu)與開(kāi)關(guān)磁阻永磁同步電機(jī)類(lèi)似[5-6]。定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子既無(wú)線圈繞組，亦無(wú)永磁體;定子和轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊壓而成，在電機(jī)定子相鄰的兩個(gè)U型疊片間鑲有永磁體，組成一個(gè)定子齒，定子上采用集中繞組形式，空間相對(duì)的四個(gè)定子齒上的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，形成三相繞組，采用星型連接。

圖1 12/10極FSPM結(jié)構(gòu)模型

2 運(yùn)行原理

開(kāi)關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的工作原理與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)非常相似，轉(zhuǎn)矩具有磁阻性質(zhì)，電機(jī)運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場(chǎng)的扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，形成電磁轉(zhuǎn)矩。

圖2為截取的一個(gè)定轉(zhuǎn)子齒單元，該圖可以清晰地解釋電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中定子電樞繞組的磁通切換過(guò)程。轉(zhuǎn)子極中心線分別與同一定子極下左、右鐵心中心線重合，當(dāng)轉(zhuǎn)子從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置時(shí)，電樞繞組里匝鏈的磁通在數(shù)量上保持不變，但方向反向，也就是實(shí)現(xiàn)了所謂的磁通切換(Flux-Switching)。由此可知，開(kāi)關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的每相永磁磁鏈為雙極性，這是開(kāi)關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的一個(gè)特性[7-8]。開(kāi)關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了其每相永磁磁鏈及相應(yīng)的反電勢(shì)波形在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距(36°)內(nèi)接近正弦分布，可采用如圖3所示的正弦波電流供電方式運(yùn)行。

圖2 電機(jī)磁通切換示意圖

圖3 電機(jī)運(yùn)行原理

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

3.1 氣隙對(duì)電機(jī)特性的影響

本文以定子內(nèi)徑為55 mm，其他尺寸參數(shù)不變時(shí)，分別取氣隙單邊長(zhǎng)度δ為0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm，0.6 mm，0.7 mm對(duì)電機(jī)的自感、定位力矩、平均電磁轉(zhuǎn)矩以及相對(duì)力矩波動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，以考查電機(jī)的特性。

電機(jī)電感公式:

Ld=ΛdN2ph

Lq=ΛqN2ph

(1)

在FSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸確定后，其合成氣隙磁導(dǎo)不隨轉(zhuǎn)子位置角的變化而改變，只與氣隙長(zhǎng)度有關(guān)，隨氣隙的改變作相應(yīng)的變化。圖4為仿真得到不同氣隙長(zhǎng)度下A相的自感。

永磁電機(jī)的共同特點(diǎn)，由于氣隙的不均勻現(xiàn)象使電機(jī)存在著力矩波動(dòng)。由前面的推導(dǎo)可以知道，電機(jī)轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩組成。從另一角度考慮，基于對(duì)永磁磁鏈和電樞反應(yīng)磁鏈的計(jì)算可以知道，電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩可以表示為:

Te=Tr+Tm-Tcog

(2)

電機(jī)電磁瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩由變化的電感產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，由永磁磁鏈和電樞反應(yīng)磁鏈的相互作用得到永磁轉(zhuǎn)矩Tm和電機(jī)定位力矩Tcog。

圖4 不同氣隙長(zhǎng)度電機(jī)A相自感

由于電機(jī)為12/10極的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定位力矩以6°機(jī)械角為周期，因此分析電機(jī)的定位力矩，只考慮6°機(jī)械角范圍內(nèi)定位力矩波動(dòng)情況。由此分別得到了如圖5所示的電機(jī)定位力矩、平均電磁轉(zhuǎn)矩和相對(duì)力矩波動(dòng)。

由圖5知，電機(jī)繞組的電感、平均電磁轉(zhuǎn)矩和力矩波動(dòng)、定位力矩都隨氣隙長(zhǎng)度的增加而減少;在其他條件相同的前提下，增大電機(jī)氣隙，可以提高電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性;增大電機(jī)氣隙，會(huì)減少電機(jī)的電感，因此不利于電機(jī)高速弱磁控制和電機(jī)高速運(yùn)行;增大電機(jī)氣隙還會(huì)降低電機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特性和輸出功率。

圖5 不同氣隙長(zhǎng)度仿真結(jié)果

3.2 永磁體厚度對(duì)電機(jī)特性的影響

開(kāi)關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的永磁磁鋼采用釹鐵硼永磁材料制作，其退磁曲線可近似為一條直線，該種材料具有很高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和很高的磁能積及矯頑力，是目前性能最好的永磁材料。磁鋼磁化方向平均長(zhǎng)度hm對(duì)電機(jī)磁路磁勢(shì)Fm有著直接影響，與電機(jī)特性有著密切的關(guān)系。

在電機(jī)其他結(jié)構(gòu)不變，氣隙長(zhǎng)度取0.5 mm，永磁體磁化方向厚度hm分別取2.0 mm，2.4 mm，2.6 mm，2.8 mm，3.2 mm時(shí)，考察電機(jī)的靜態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。

由仿真可以得到圖6所示的不同永磁體厚度下A相永磁磁鏈、電機(jī)的定位力矩、平均電磁力矩以及相對(duì)力矩波動(dòng)結(jié)果。

圖6 不同永磁體厚度仿真結(jié)果



由以上分析知，對(duì)于不同永磁體磁化方向厚度為hm的電機(jī)，在其他條件相同的情況下，hm大的電機(jī)，其永磁磁鏈和電機(jī)的輸出力矩都會(huì)有一定的增加。但是電機(jī)的定位力矩大，使得電機(jī)力矩瞬時(shí)波動(dòng)大，電機(jī)的平穩(wěn)性較差，而且當(dāng)hm增大時(shí)，而電機(jī)永磁磁鏈將變大，電機(jī)的弱磁控制難度也將加大，不利于電機(jī)高速運(yùn)行。所以永磁體厚度的選擇上要綜合考慮電機(jī)輸出力矩、力矩波動(dòng)和弱磁控制的影響。

4 結(jié) 論

(1) 電機(jī)繞組的電感、平均電磁轉(zhuǎn)矩和力矩波動(dòng)、定位力矩都隨氣隙長(zhǎng)度的增加而減少;在其他條件相同的前提下，增大電機(jī)氣隙，可以提高電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

(2) 增大電機(jī)氣隙會(huì)減少電機(jī)的電感，因此不利于電機(jī)高速弱磁控制和電機(jī)高速運(yùn)行。此外，增大電機(jī)氣隙還會(huì)降低電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性和輸出功率。

(3) 在其他條件相同的情況下，對(duì)于永磁體磁化方向厚度hm大的電機(jī)，其永磁磁鏈和電機(jī)的輸出力矩都會(huì)有一定的增加，這有利于提高功率。

(4) 當(dāng)電機(jī)永磁體磁化方向厚度hm大時(shí)，電機(jī)的定位力矩大，使得電機(jī)力矩瞬時(shí)波動(dòng)大，電機(jī)的平穩(wěn)性較差。此外，永磁磁鏈也將變大，電機(jī)的弱磁控制難度加大，不利于電機(jī)高速運(yùn)行。

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