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        永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況匹配性分析

        2018-05-02 09:06:17,,,
        防爆電機(jī) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:磁鋼磁阻磁極

        ,,,

        (中車株洲電機(jī)有限公司,湖南株洲 412001)

        0 引言

        永磁同步電機(jī)由于磁鋼拓?fù)漕愋头倍?,且各自的電磁特性不同。在電機(jī)方案設(shè)計(jì)中,當(dāng)磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取不合理,將造成在制造成本要求內(nèi),電機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,或滿足設(shè)計(jì)要求但超出允許的制造成本。所以選用最優(yōu)的轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電機(jī)設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容。

        現(xiàn)階段,關(guān)于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電磁性能研究文獻(xiàn)已較多。文獻(xiàn)[1]對(duì)五種磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電磁參數(shù)特點(diǎn)以及弱磁性能進(jìn)行了分析比較,文獻(xiàn)[2]論述了內(nèi)置式永磁電機(jī)弱磁率與凸極率對(duì)電機(jī)弱磁性能的影響,文獻(xiàn)[3]基于“一”字型與“V”字型磁鋼結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)交、直軸磁路的不同,對(duì)比分析了兩種磁極結(jié)構(gòu)電機(jī)在磁阻轉(zhuǎn)矩上的差異。目前,在關(guān)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的文獻(xiàn)中,尚沒有在運(yùn)行工況、電機(jī)結(jié)構(gòu)與制造成本做明確要求下對(duì)不同磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型電機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比分析的相關(guān)文章。

        綜上所述,針對(duì)現(xiàn)有研究尚不充分的現(xiàn)狀,本文在電機(jī)供電方式、功率輸出要求及穩(wěn)定性、能效等級(jí)、工作制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱方式、制造材料用量相同條件下,分別設(shè)計(jì)“一”字型與“V”字型磁極永磁同步電機(jī)。通過對(duì)兩臺(tái)電機(jī)額定點(diǎn)電磁參數(shù)、永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩占比、弱磁擴(kuò)速范圍對(duì)比分析,得出不同磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所適應(yīng)的運(yùn)行工況。

        1 電磁方案設(shè)計(jì)

        1.1 電磁方案設(shè)計(jì)原則

        為了使各類型磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)(以下簡稱“各型磁極電機(jī)”)具有對(duì)比性,本文用于對(duì)比分析的“一”字型與“V”字型磁極永磁同步電機(jī)(以下分別簡稱“一型磁極電機(jī)”,“V型磁極電機(jī)”)需遵循以下電磁方案設(shè)計(jì)原則:(1)額定點(diǎn)電壓、頻率輸入?yún)?shù)相同;(2)額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)值輸出參數(shù)相同;(3)在滿足輸入與輸出參數(shù)前提下,制造材料消耗量相同,(4)進(jìn)行電磁參數(shù)計(jì)算時(shí),統(tǒng)一采用ANSYS Maxwell電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件。列出了電機(jī)基本參數(shù)見表1。轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

        表1 電機(jī)基本參數(shù)

        圖1磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 電磁方案參數(shù)介紹

        (1)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

        各型磁極電機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)外徑尺寸、鐵心軸向長度、硅鋼片材料、磁鋼牌號(hào)均相同,轉(zhuǎn)子鐵心無斜極。圖1中,各型磁極電機(jī)磁鋼總長度為w、磁鋼寬度為t、隔磁橋內(nèi)徑φD1尺寸相同,對(duì)于1.1節(jié)中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)值相同的要求,各型磁極電機(jī)通過調(diào)節(jié)Hrib、Rib、O1尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

        (2)定子設(shè)計(jì)

        各型磁極電機(jī)的定子鐵心與定子繞組完全相同。

        1.3 電機(jī)制造材料用量對(duì)比

        各型磁極電機(jī)的機(jī)座、端蓋與軸承結(jié)構(gòu)均選用相同中心高Y2系列異步電機(jī)結(jié)構(gòu)件,主要制造材料消耗量見表2。

        表2 各型磁極電機(jī)制造材料用量

        2 額定點(diǎn)參數(shù)對(duì)比分析

        額定點(diǎn)參數(shù)不僅作為評(píng)價(jià)電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求的基準(zhǔn)點(diǎn),也是國標(biāo)中關(guān)于電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)考核點(diǎn)。各型磁極電機(jī)額定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 額定點(diǎn)電磁參數(shù)計(jì)算值

        其中,由于各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)子外形尺寸、軸承結(jié)構(gòu)、額定轉(zhuǎn)速相同,則風(fēng)摩耗與雜散損耗均相同。

        由表3計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)滿足1.1節(jié)電磁方案設(shè)計(jì)要求時(shí),“一”型磁極電機(jī)的額定效率、功率因數(shù)、熱負(fù)荷值均較優(yōu);相對(duì)于“V”型磁極電機(jī),“一”型磁極電機(jī)由于磁鋼距離轉(zhuǎn)子表面更近,使其具有較高ψf值和較低Ld值,所以“一”型磁極電機(jī)具有更高的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

        3 磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩占比分析

        內(nèi)置式永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成。由1.2節(jié)可知,各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片用于安裝永磁體開槽的面積相等,所以在滿足1.1節(jié)設(shè)計(jì)約束條件下,各型磁極電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩占比可反應(yīng)出對(duì)永磁體及轉(zhuǎn)子沖片的利用率。

        內(nèi)置式永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成。合成電磁轉(zhuǎn)矩Tem可按式(1)計(jì)算。

        (1)

        式中,Id與Iq分別按(2)、式(3)計(jì)算。

        Id=Iscosβ

        (2)

        Iq=Issinβ

        (3)

        式中,Is—額定電流峰值;p—極對(duì)數(shù)、β=90+α為轉(zhuǎn)矩角。

        永磁同步電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩在合成電磁轉(zhuǎn)矩占比可按下式計(jì)算[4]

        (4)

        式中,Tr_max—磁阻轉(zhuǎn)矩最大值;Tp_max—永磁轉(zhuǎn)矩最大值。

        由式(4)可知,當(dāng)額定電流、額定轉(zhuǎn)矩相同時(shí),d軸與q軸電感差與永磁磁鏈值決定了磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩比例關(guān)系。

        圖2為各型磁極電機(jī)在相同額定電流下的合成電磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩有限元計(jì)算結(jié)果。

        圖2各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

        由圖2可知,各型磁極電機(jī)最大合成電磁轉(zhuǎn)矩值均等于額定轉(zhuǎn)矩值,其中“V”型磁極電機(jī)的最大磁阻轉(zhuǎn)矩值較大。

        由表3計(jì)算結(jié)果可知,“V”型磁極電機(jī)具有較高的d軸與q軸電感差值和較小的永磁磁鏈值。結(jié)合圖2轉(zhuǎn)矩特性有限元計(jì)算結(jié)果可得結(jié)論,“V”型磁極電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比將大于“一”型磁極電機(jī),同理可得,“一”型磁極電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩占比大于“V”型磁極電機(jī)。

        4 弱磁調(diào)速能力分析

        永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速的能力體現(xiàn)在極限輸入電壓且熱負(fù)荷在允許的范圍內(nèi),電機(jī)在規(guī)定的負(fù)載條件下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。本文各型磁極電機(jī)極限輸入電壓值Umax為額定電壓;由1.1與1.3節(jié)設(shè)計(jì)約束條件可知,各型磁極電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)、工作制完全相同,對(duì)于S1工作制H180中心高的Y2電機(jī),通常熱負(fù)荷取值不大于1800;在允許的最大熱負(fù)荷下,電機(jī)的極限輸入電流可按公式(5)計(jì)算得出。

        (5)

        式中,Imax—最大輸入電流;AJmax—允許最大熱負(fù)荷值;Di1—定子內(nèi)徑;m1—相數(shù);Nφ1—每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù);d—導(dǎo)線線規(guī);n—并繞根數(shù);a—并聯(lián)支路數(shù)。

        表4為弱磁分析相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算值,其中,ξ—永磁同步電機(jī)弱磁率、Ld—空載d軸電感。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可繪制定子電壓與電流矢量軌跡,如圖3所示。

        表4 弱磁分析相關(guān)數(shù)據(jù)

        圖3定子電壓與電流矢量軌跡圖

        由圖3可知,在電機(jī)極限輸入電流全部變?yōu)橹陛S去磁電流時(shí),即極限電流圓與極限電壓橢圓相切,電機(jī)具有理想極限轉(zhuǎn)速,文獻(xiàn)[5]給出了電機(jī)在極限電流限制下的極限轉(zhuǎn)速計(jì)算公式,見式(6)。

        (6)

        式中,nN—額定轉(zhuǎn)速;E0—線空載反電勢(shì)有效值。

        在極限電流與極限電壓條件下,各型磁極電機(jī)在恒功運(yùn)行段熱負(fù)荷-轉(zhuǎn)速有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

        圖4 熱負(fù)荷-轉(zhuǎn)速曲線

        由圖4可知,“一”型磁極電機(jī)恒功最大轉(zhuǎn)速為4815rpm,“V”型磁極電機(jī)恒功最大轉(zhuǎn)速5700rpm;由式(6)可計(jì)算出“一”型與“V”型磁極電機(jī)理想極限轉(zhuǎn)速分別為5890rpm與7850rpm。由永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式可知,當(dāng)電機(jī)q軸電流為0時(shí),其轉(zhuǎn)矩值亦為0,由于電機(jī)本身各類損耗的存在,電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)總會(huì)存在q軸電流,進(jìn)而可知,電機(jī)實(shí)際極限轉(zhuǎn)速小于理想極限轉(zhuǎn)速,該計(jì)算結(jié)果與表4中nmax計(jì)算值趨勢(shì)一致。

        由3節(jié)結(jié)論可知,“V”型磁極電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩占比較大,當(dāng)電機(jī)弱磁深度增加,磁阻作用將越來越明顯;又因?yàn)橛来糯沛溳^低,其用來去磁作用的id電流量也相對(duì)較小,所以當(dāng)電機(jī)在恒功恒壓區(qū)運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生某一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩值所需要的定子電流相對(duì)較小。綜上理論分析與計(jì)算結(jié)果可得結(jié)論,“V”型磁極電機(jī)具有更好的弱磁調(diào)速能力。

        5 結(jié)語

        根據(jù)對(duì)各型磁極電機(jī)在額定點(diǎn)參數(shù)、磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩占比、弱磁調(diào)速能力對(duì)比分析,可總結(jié)出“一”型與“V”型磁極電機(jī)各自所適應(yīng)的運(yùn)行工況類型。

        (1)“一”型磁極電機(jī)在額定工作點(diǎn)效率,功率因數(shù)高、過載倍數(shù)大、熱負(fù)荷小,并且由于磁阻轉(zhuǎn)矩占比低,該類電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相對(duì)較小,所以該類型電機(jī)適用于需長期、穩(wěn)定運(yùn)行某一工作點(diǎn),并且能效等級(jí)要求較高的工況要求。

        (2)“一”型磁極電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩占比較大,其代表電機(jī)磁鋼利用率較高,電機(jī)需運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速工況時(shí),“一”型磁極電機(jī)磁鋼使用量較少,進(jìn)而減小由于安裝磁鋼開槽造成轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度不足的問題。

        (3)“V”型磁極電機(jī)每極磁鋼安裝量多、排布靈活,并且磁阻轉(zhuǎn)矩較大,所以其轉(zhuǎn)子沖片面積的利用率較高。當(dāng)所要求的運(yùn)行工況使電機(jī)設(shè)計(jì)功率密度較大時(shí),通常每極磁鋼的排布空間會(huì)相對(duì)緊張,這時(shí)采用“V”型磁極電機(jī)將成為最優(yōu)方案。

        (4)在相同逆變器供電條件下,“V”型磁極電機(jī)能滿足更寬恒功調(diào)速范圍的工況要求。

        [1] 王艾萌,盧偉甫.五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)性能分析與比較[J].微電機(jī),2010,(4):20-23.

        [2] 郭秋鑒.永磁電機(jī)的弱磁性能與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,21(3):59-62.

        [3] 覃家財(cái).內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電感參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響[D]. 重慶大學(xué),2012.

        [4] Akeshi Takahashi,Eri Maruyama,Wataru Hatsuse. Explict Criteria for Reluctance Torque Utility of Permanent Magent Motors. 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. 5072-5076.

        [5] 馮桂宏,李慶旭,張炳義,等. 電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)弱磁調(diào)速能力[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(8):55-61.

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