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        一種永磁同步電機諧波優(yōu)化方法

        2018-12-29 05:17:52井立兵
        微特電機 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)展和電機控制技術(shù)的進步,永磁同步電機成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。永磁同步電機根據(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。永磁同步電機電磁性能優(yōu)良,但是其內(nèi)部諧波過多導(dǎo)致永磁同步電機的應(yīng)用受到限制,如何抑制諧波是永磁同步電機設(shè)計的關(guān)鍵[1-2]。國內(nèi)外文獻對表貼式和內(nèi)置式永磁同步電機都做了細致廣泛的研究,而針對混合式永磁同步電機的研究潛力較大。

        目前,關(guān)于永磁同步電機的氣隙磁密優(yōu)化問題主要存在三種解決方案:優(yōu)化設(shè)計永磁體的形狀[3];精確控制充磁工藝[4];采用新型的 Halbach 永磁電機[5]。文獻[6]通過分析齒槽轉(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存在的齒諧波問題;文獻[7]設(shè)計了一種“凸”形雙層Halbach陣列永磁電機,通過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[8]提出了一種計算任意偏心轉(zhuǎn)子形狀的表貼式永磁電機磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩的改進方法,可以大大降低徑向磁通密度的諧波含量。文獻[9]提出一種基于非均勻永磁形狀的磁場分布的新型永磁體形狀優(yōu)化方法,用于減少磁場的諧波和鐵質(zhì)損耗。文獻[10]針對永磁同步電機反電動勢中含有大量諧波的問題,提出一種優(yōu)化磁極寬度,以削弱反電動勢中諧波、改善反電動勢波形的方法。

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

        圖1 內(nèi)置永磁體橋電機拓撲結(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)子機械強度較大,同時也可減少漏磁。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度,a,b分別為內(nèi)置永磁體橋的長和寬,hm(α)的傅里葉變換可表示:

        式中:p為極對數(shù)??梢酝ㄟ^計算得出新型磁極結(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表示永磁電機軸長;Vc表示內(nèi)置圓弧永磁體材料體積。

        2 有限元分析與計算

        為驗證所提方法的準(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為例進行案例分析,內(nèi)置永磁體橋式同步電機參數(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,改進型模型磁密值較表貼式有所提高。

        圖4為三種電機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比圖

        由圖5可知,表貼式結(jié)構(gòu)電機諧波含量較高,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)電機在經(jīng)過優(yōu)化改進之后,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。

        電機在實際應(yīng)用中都會存在諧波,本文采用諧波畸變率來衡量各種尺寸結(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,基波含量就會逐漸減少。對仿真結(jié)果進行分析,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比圖

        圖10 內(nèi)置圓弧式永磁體橋氣隙磁密諧波對比圖

        表3 充磁方向Δθ對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°時基波最大,Δθ=30°時基波最小,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°時基波最大,Δθ=90°時基波最小,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

        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。通過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其進行仿真分析,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%,對提高永磁同步運行效率和降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動有一定的借鑒意義。

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