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        一種永磁同步電機(jī)諧波優(yōu)化方法

        2018-12-29 05:17:52井立兵
        微特電機(jī) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:充磁磁密永磁體

        林 穎,井立兵,2

        (1.三峽大學(xué),宜昌443002;2.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心,宜昌443002)

        0 引言

        隨著磁性材料的發(fā)展和電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步,永磁同步電機(jī)成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。永磁同步電機(jī)根據(jù)其永磁體裝配方式可以分為表面貼裝式(表貼式)、嵌入式(內(nèi)置式)和混合式(表貼-內(nèi)置式)三種。永磁同步電機(jī)電磁性能優(yōu)良,但是其內(nèi)部諧波過(guò)多導(dǎo)致永磁同步電機(jī)的應(yīng)用受到限制,如何抑制諧波是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-2]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)表貼式和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)都做了細(xì)致廣泛的研究,而針對(duì)混合式永磁同步電機(jī)的研究潛力較大。

        目前,關(guān)于永磁同步電機(jī)的氣隙磁密優(yōu)化問(wèn)題主要存在三種解決方案:優(yōu)化設(shè)計(jì)永磁體的形狀[3];精確控制充磁工藝[4];采用新型的 Halbach 永磁電機(jī)[5]。文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析齒槽轉(zhuǎn)矩,提出了一種轉(zhuǎn)子斜極角優(yōu)化方案,能更有效地解決電機(jī)存在的齒諧波問(wèn)題;文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種“凸”形雙層Halbach陣列永磁電機(jī),通過(guò)分析單層和雙層磁極結(jié)構(gòu),得到了影響畸變率磁極結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合;文獻(xiàn)[8]提出了一種計(jì)算任意偏心轉(zhuǎn)子形狀的表貼式永磁電機(jī)磁場(chǎng)和齒槽轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)方法,可以大大降低徑向磁通密度的諧波含量。文獻(xiàn)[9]提出一種基于非均勻永磁形狀的磁場(chǎng)分布的新型永磁體形狀優(yōu)化方法,用于減少磁場(chǎng)的諧波和鐵質(zhì)損耗。文獻(xiàn)[10]針對(duì)永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中含有大量諧波的問(wèn)題,提出一種優(yōu)化磁極寬度,以削弱反電動(dòng)勢(shì)中諧波、改善反電動(dòng)勢(shì)波形的方法。

        本文在表面貼裝式磁極的基礎(chǔ)上,通過(guò)在磁極間內(nèi)置永磁體來(lái)構(gòu)建永磁體橋的方法,來(lái)減小磁極間漏磁,增大氣隙磁密,減小氣隙諧波,提高氣隙波形正弦性,圖1是電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)仿真結(jié)果可得,本文的內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)在運(yùn)用過(guò)程中能夠?qū)⒒ê吭鰪?qiáng),并獲得具有較好正弦性的氣隙波形,改善諧波畸變率,對(duì)于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有顯著效果,具有更高的穩(wěn)定性。

        圖1 內(nèi)置永磁體橋電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        1 內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)

        圖2為內(nèi)置永磁體橋混合結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)置永磁體橋又分為內(nèi)置直角永磁體橋和內(nèi)置圓弧永磁體橋,前者部分內(nèi)置永磁體相疊為直角放置,后者部分內(nèi)置永磁體相疊為圓弧放置。這樣能夠獲得較好的磁性能,轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度較大,同時(shí)也可減少漏磁。極間距用Wp表示,磁極極弧度用Wf表示。因此,極弧系數(shù)αp可表示:

        圖2 兩種永磁體橋結(jié)構(gòu)示意圖

        表貼磁極的充磁方式為徑向充磁,hm是內(nèi)置永磁體橋兩條平行線間的長(zhǎng)度,a,b分別為內(nèi)置永磁體橋的長(zhǎng)和寬,hm(α)的傅里葉變換可表示:

        式中:p為極對(duì)數(shù)??梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得出新型磁極結(jié)構(gòu)的永磁體用量。

        式中:St表示正常表貼截面積;Sr表示內(nèi)置直角永磁體橋截面積;Sc表示內(nèi)置圓弧永磁體橋截面積;R1表示永磁體外圓半徑;D表示永磁電機(jī)軸長(zhǎng);Vc表示內(nèi)置圓弧永磁體材料體積。

        2 有限元分析與計(jì)算

        為驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性,本文采用8極12槽表貼-內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)為例進(jìn)行案例分析,內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。圖3表示三種結(jié)構(gòu)模型的磁力線分布情況,由圖3可知,改進(jìn)型模型磁密值較表貼式有所提高。

        圖4為三種電機(jī)模型的氣隙徑向磁密波形比較圖。從圖4可知,內(nèi)置圓弧永磁體橋結(jié)構(gòu)的正弦性較好,而內(nèi)置直角永磁體橋結(jié)構(gòu)和表貼結(jié)構(gòu)氣隙磁密波形相似,無(wú)法直觀看出永磁體橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果。圖5是圖3氣隙徑向磁密波形經(jīng)過(guò)傅里葉變換而得到的各結(jié)構(gòu)的氣隙徑向磁密各次諧波幅值。

        表1 內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)模型參數(shù)

        圖3 有限元模型

        圖4 在各結(jié)構(gòu)下的氣隙徑向磁密波形圖

        圖5 在各結(jié)構(gòu)下的氣隙徑向磁密諧波對(duì)比圖

        由圖5可知,表貼式結(jié)構(gòu)電機(jī)諧波含量較高,尤為突出的12次諧波和28次諧波;而內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)電機(jī)在經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)之后,增大了基波幅值,降低了高次諧波,其中內(nèi)置圓弧式永磁體橋的波形更加接近正弦波,基波幅值最大。

        電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)存在諧波,本文采用諧波畸變率來(lái)衡量各種尺寸結(jié)構(gòu)下氣隙磁密波形的正弦度,并用THD表示,即:

        式中:Bk為k次諧波幅值;B1為基波幅值。

        由式(7)可知,隨著氣隙磁密諧波畸變率(THD)的變大,高次諧波含量逐漸增大,基波含量就會(huì)逐漸減少。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可以得到這三種情況下的諧波畸變率,如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可以得出,含有永磁體橋結(jié)構(gòu)的電機(jī)THD值低,諧波含量少。

        表2 在不同結(jié)構(gòu)下的氣隙磁密諧波畸變率

        3 永磁體橋的充磁方向?qū)χC波的影響

        內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)采用充磁方向與電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向方向夾角Δθ的充磁方式,表貼永磁體依然采用徑向充磁,具體充磁方向如圖6所示。

        圖6 兩種結(jié)構(gòu)磁力線圖

        分別以 Δθ=30°、45°、60°、90°來(lái)考慮這兩情況下的氣隙磁密諧波,氣隙徑向磁密波形如圖7和圖8所示,氣隙磁密諧波對(duì)比如圖9和圖10所示,諧波畸變率如表3所示。

        圖7 內(nèi)置直角式永磁體橋氣隙徑向磁密波形圖

        圖8 內(nèi)置圓弧式永磁體橋氣隙徑向磁密波形圖

        圖9 內(nèi)置直角式永磁體橋氣隙磁密諧波對(duì)比圖

        圖10 內(nèi)置圓弧式永磁體橋氣隙磁密諧波對(duì)比圖

        表3 充磁方向Δθ對(duì)氣隙磁密諧波畸變率的影響

        內(nèi)置直角式永磁體橋的充磁角度Δθ=45°時(shí)基波最大,Δθ=30°時(shí)基波最小,其中 8 次,12 次,28 次諧波含量較高。

        內(nèi)置圓弧式永磁體橋的充磁角度Δθ=45°時(shí)基波最大,Δθ=90°時(shí)基波最小,其中 12次,16次,28次諧波幅值較大。

        從以上研究可知,相較于表貼式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu),內(nèi)置直角式和內(nèi)置圓弧式永磁體橋結(jié)構(gòu),在同一充磁角度下,除90°充磁角度外,其他充磁角度下,都是內(nèi)置圓弧式永磁體橋相比內(nèi)置直角式永磁體橋結(jié)構(gòu)諧波更小,諧波畸變率更小。從表3可以看出,同一結(jié)構(gòu)下又以45°充磁角度諧波較小,諧波畸變率較小。

        綜上可知,內(nèi)置圓弧式永磁體橋在45°充磁角度下具有最大的基波,最小的諧波和諧波畸變率。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文研究了一種新型表貼-內(nèi)置永磁體橋混合結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)。通過(guò)有限元在同一充磁角度下的不同結(jié)構(gòu)和同一結(jié)構(gòu)下的不同充磁角度對(duì)其進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)內(nèi)置圓弧式永磁體橋結(jié)構(gòu)電機(jī)在45°充磁角度下,可以提高氣隙磁密的基波幅值,降低高次諧波,氣隙磁密波形更具正弦性,諧波畸變率最小,數(shù)值為11.02%,對(duì)提高永磁同步運(yùn)行效率和降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有一定的借鑒意義。

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