高 俊，韓雪巖，李宏浩，王世偉

(沈陽工業(yè)大學 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心, 沈陽 110870)

0 引 言

永磁電機的電樞反應(yīng)電抗是永磁電機設(shè)計中的重要參數(shù)，它的準確與否關(guān)系到電機運行性能和制作成本[1]。永磁電機輸出特性與電樞反應(yīng)電抗有著密切關(guān)系，當用永磁電機作為電動機運行時，高凸極率可提高電動機的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和過載倍數(shù)，同時影響著恒功率調(diào)速運行電動機的弱磁擴速能力[2-3]。而當永磁電機作為發(fā)電機運行時，較高的凸極率可以降低電機的固有電壓調(diào)整率[4-5]。因此，電樞反應(yīng)電抗是永磁發(fā)電機設(shè)計中的重要參數(shù)。

文獻[6-7]利用保存磁導率計算電機的空載反電動勢，然后利用相量圖計算電抗值。文獻[8]根據(jù)內(nèi)置式永磁同步電動機在雙軸反應(yīng)理論下的直交軸磁鏈數(shù)學模型，通過有限元法分析直交軸磁路間的耦合電抗。

文獻[9-10]中考慮增去磁情況下交軸、直軸間的相互影響，用電壓積分法測試電機的同步電抗。文獻[11]則是通過三維有限元法計算了電機的電抗值。

本文分別用等效交直軸法和保存磁導率法對內(nèi)置U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機進行了電抗參數(shù)的計算。分析了伏安法和電壓積分法的測試原理，并在不考慮交叉飽和及考慮交叉飽和的情況下，對內(nèi)置U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機的電抗進行了實驗測試，并將不同計算方法下的電抗計算值與測試值進行了分析比較，得出計算值與測試值的差異。最后提出一種新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能進一步減小內(nèi)置U型永磁電機的電抗，提高電機的凸極率。

1 電機模型

為了便于研究，本文對2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并制作了樣機。2.5/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機結(jié)構(gòu)平面圖，如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 2.5/3.5 kW內(nèi)置U型永磁電機結(jié)構(gòu)平面圖

表1 2.5/3.5 kW內(nèi)置U型永磁電機基本參數(shù)

2 電抗參數(shù)的計算方法

2.1 等效交直軸電抗計算

在計算電機直軸電樞反應(yīng)電抗時，由于交軸電流為零，沒有交軸電樞反應(yīng)，所以電機得氣隙反電動勢為直軸電樞反應(yīng)電動勢。此時，對電機的空載氣隙磁密波形以及等效直軸狀態(tài)氣隙磁密波形進行諧波分析，得到基波幅值，求出相應(yīng)的每極磁通φδ和φd，進而計算得出電機的直軸電樞反應(yīng)電抗為

(1)

將等效交軸狀態(tài)下磁密波形與空載狀態(tài)下磁密波形相減，得到交軸電樞反應(yīng)磁密波形。然后，對交軸電樞反應(yīng)磁密波形進行諧波分析，得到基波幅值，再求出每極磁通量Φaq，從而計算求出交軸電樞反應(yīng)電抗為

(2)

2.2 保存磁導率法電抗計算

保存磁導率法是根據(jù)電機鐵心磁導率的變化對電機參數(shù)的影響問題，提出了一種保存電機的軟磁材料磁導率進行電抗計算的方法。計算直軸電樞反應(yīng)電抗時，對電機給定額定電流IN和內(nèi)功率因數(shù)角ψ，利用式(3)和式(4)計算出電機的三相電流值，給電機直軸模型加載三相電流，計算負載場，保存負載場每個單元的磁導率。

(3)

(4)

然后令I(lǐng)q=0并去除永磁體，利用負載場的單元磁導率計算直軸或交軸電樞反應(yīng)磁場。通過電樞反應(yīng)磁場的氣隙磁密基波幅值直接計算出直、交軸電樞反應(yīng)電動勢Ead，Eaq根據(jù)式計算直軸電樞反應(yīng)電抗為

(5)

(6)

3 內(nèi)置U型永磁電機電抗參數(shù)計算

本文分別用等效交直軸法和保存磁導率法對2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機進行了電抗參數(shù)的計算，計算結(jié)果如表2所示。并用伏安法及電壓積分法對其進行了電抗參數(shù)的測試，結(jié)果如表2所示。

表2 2.5/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機電抗計算

由表2可知，用磁導率法計算得到的交直軸同步電抗值較大，相比于等效交直軸法計算得到的值大2倍左右。

圖2、圖3為2.5kW和3.5kW內(nèi)置U型永磁電機交直軸同步電抗計算值與實驗值對比。圖中A等效交直軸法電抗計算值，B保存磁導率法電抗計算值，C伏安法電抗測試值，D電壓積分法電抗測試值(不考慮飽和)，E電壓積分法電抗測試值(考慮飽和)。

圖2 2.5kW內(nèi)置U型永磁電機電抗計算測試值對比

圖3 3.5kW內(nèi)置U型永磁電機電抗計算測試值對比

由圖2和圖3可知，利用保存磁導率法計算的電交直軸同步電抗值較大，與三種不同測試方法的實測值均存在著較大的誤差，保存磁導率法計算值為實測值的2倍左右。而采用等效交直軸法計算得到的交直軸同步電抗值與三種不同測試方法的實測值接近，與伏安法測得的交直軸同步電抗值相比，誤差僅為4.6%；與電壓積分法測得的電抗值相比，誤差則達到了10%。

表3中所列為2.5kW/3.5kW內(nèi)置式永磁電機電抗參數(shù)隨著內(nèi)功率角變化情況。

由表3可知，內(nèi)置U型永磁電機的交軸同步電抗隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化較大，而直軸同步電抗隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化較小。在功率因數(shù)角為0°～90°范圍內(nèi)，每增加10°，交軸同步電抗變化率為1.14%～1.5%，直軸同步電抗變化率僅為0.7%。

表3 2.5/3.5kW電機電抗參數(shù)隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化

4 斷橋新結(jié)構(gòu)對內(nèi)置U型永磁電機電抗參數(shù)的影響

為了進一步減小電機的電抗，增加永磁電機的凸極率，提升電機的綜合性能。本文在原內(nèi)置U型永磁電機設(shè)計的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進行了改進，改進后結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 原內(nèi)置U型永磁電機結(jié)構(gòu)

圖5 改進后內(nèi)置U型永磁電機結(jié)構(gòu)

由圖5可知，與原結(jié)構(gòu)相比改進后的內(nèi)置U型永磁電機在直軸磁路上設(shè)置有斷橋結(jié)構(gòu)。采用斷橋結(jié)構(gòu)后，由于電機直軸磁路飽和程度增加、磁阻增大，導致電機的直軸電抗降低，從而提高了電機的凸極率。

表4中所列為2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機采用新結(jié)構(gòu)前后，電機交、直軸電抗變化情況。

表4 2.5/3.5kW新結(jié)構(gòu)內(nèi)置U型永磁電機電抗變化情況

由表4中數(shù)據(jù)可知，采用新結(jié)構(gòu)后，2.5kW內(nèi)置U型永磁電機直軸電抗降低6%左右，交軸電抗基本不變；3.5kW內(nèi)置U型永磁電機直軸電抗降低4%左右，交軸電抗基本不變。電機的凸極率增加了5%左右。

5 結(jié) 論

本文對內(nèi)置U型永磁電機進行了電抗參數(shù)的研究。通過對一臺2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機電抗的計算、測試、分析，得到以下結(jié)論:

(1)采用保存磁導率法計算得到的電抗值偏大是等效交直軸法計算得到電抗值的2倍左右。

(2)等效交直軸法測得的電抗值與實測值更接近，與伏安法測得的交直軸同步電抗值相比，誤差僅為4.6%；與電壓積分法測得的電抗值相比，誤差則達到了10%。

(3)本文對內(nèi)置U型永磁電機進行了結(jié)構(gòu)改進，改進后的新結(jié)構(gòu)能減小直軸電抗，能夠使電機的凸極率增加5%左右。