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        基于耦合仿真的少稀土混合永磁電機(jī)的性能分析

        2022-09-15 06:26:48陳云云蔡同樂(lè)李敏艷
        機(jī)床與液壓 2022年12期
        關(guān)鍵詞:退磁永磁稀土

        陳云云,蔡同樂(lè),李敏艷

        (揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225100)

        0 前言

        稀土永磁電機(jī)具有功率密度高、調(diào)速范圍廣和轉(zhuǎn)矩能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而,受當(dāng)前不斷上漲的稀土永磁材料價(jià)格的影響,稀土永磁電機(jī)的制造成本也在不斷上升。為了降低稀土永磁材料的用量,采用非稀土鐵氧體替換部分稀土永磁材料,構(gòu)成少稀土類混合永磁電機(jī)。該類電機(jī)在控制電機(jī)成本的同時(shí)保持了稀土永磁電機(jī)的高功率密度、高轉(zhuǎn)矩輸出的優(yōu)點(diǎn),成為了永磁電機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的新焦點(diǎn)之一。

        目前針對(duì)少稀土類永磁電機(jī)的研究多圍繞于電機(jī)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁特性分析計(jì)算和電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。然而,目前電機(jī)電磁特性有限元分析計(jì)算和電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì),大多是基于理想激勵(lì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行于額定工況下的性能評(píng)估,忽略驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)少稀土混合永磁電機(jī)實(shí)際多工況運(yùn)行的影響,造成電機(jī)運(yùn)行損耗、功率等特性的計(jì)算精度下降。同時(shí),對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的分析,多采用基于MATLAB-Simulink的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的搭建方案,以便高效分析電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性和驗(yàn)證控制策略的可行性,然而該類模型中電機(jī)本體的電磁參數(shù)并未根據(jù)運(yùn)行工況的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,這也降低了分析結(jié)果的精度和可靠性。另外,對(duì)于混合永磁電機(jī),由于采用了2種不同性質(zhì)的永磁材料,在電機(jī)設(shè)計(jì)階段為提升非稀土鐵氧體的抗去磁性能,分析電機(jī)弱磁控制高速運(yùn)行狀態(tài)下鐵氧體的退磁狀況尤為重要。

        為提高仿真分析的精度和準(zhǔn)確性,本文作者基于Maxwell和Simplorer建立了少稀土混合永磁電機(jī)本體及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,針對(duì)實(shí)際多工況運(yùn)行條件下的電機(jī)電磁特性以及驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行分析。

        1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

        1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

        少稀土混合永磁電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成,電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)整體采用了12槽10極的搭配。定子中的電樞繞組的連接方式選用了分?jǐn)?shù)槽集中式繞組。轉(zhuǎn)子內(nèi)部均勻放置混合永磁體單元,其中非稀土鐵氧體呈輪輻狀均勻內(nèi)置于轉(zhuǎn)子,稀土釹鐵硼則對(duì)稱地分布在鐵氧體的兩側(cè)或首尾頂端,在磁路上形成串并聯(lián)混合的方式,不僅能夠有效地提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度,也增加了非稀土鐵氧體的抗去磁能力。此外,轉(zhuǎn)子內(nèi)部非對(duì)稱磁障的設(shè)計(jì),可以優(yōu)化電機(jī)的電感特性,使得磁阻轉(zhuǎn)矩得以充分利用以提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

        圖1 少稀土混合永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

        1.2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

        忽略鐵心飽和效應(yīng),不計(jì)渦流和磁滯損耗,在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)dq軸坐標(biāo)系下,少稀土永磁電機(jī)的電壓方程為

        (1)

        式中:、、、、、分別表示定子電壓矢量、電流矢量、電感在dq軸上的分量;表示電角頻率;表示微分算子。

        電磁轉(zhuǎn)矩方程為

        =15[+(-)]

        (2)

        式中:表示電磁轉(zhuǎn)矩;表示磁極對(duì)數(shù);表示永磁磁鏈。

        2 基于場(chǎng)路耦合的聯(lián)合仿真模型

        2.1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)框圖

        少稀土混合永磁電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真框圖如圖2所示,包括電機(jī)本體模型、驅(qū)動(dòng)電路模型和控制策略的制定。

        圖2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制電路框圖

        2.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模型

        在ANSYS Maxwell和Simplorer中搭建少稀土混合永磁電機(jī)本體的有限元模型和驅(qū)動(dòng)電路模塊,電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1 少稀土永磁電機(jī)主要參數(shù)

        驅(qū)動(dòng)電路模型中,驅(qū)動(dòng)單元主要由空間矢量脈寬調(diào)制模塊(SVPWM)和逆變器電路模塊組成,T~T分別表示SVPWM發(fā)出的脈沖信號(hào),這里逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了三相橋式電路,電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路耦合模型如圖3所示。通過(guò)SVPWM改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)控制橋臂的通斷,進(jìn)而產(chǎn)生接近正弦波的三相電流波形。

        圖3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路耦合模型

        2.3 控制策略

        針對(duì)所提少稀土混合永磁電機(jī),如圖4所示,在基速區(qū)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。要實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制,電機(jī)的電流矢量應(yīng)滿足

        圖4 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

        (3)

        (4)

        根據(jù)式(2)和(4),可以得到和的關(guān)系如下

        (5)

        在電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)給定的情況下,交直軸電流與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可以通過(guò)實(shí)時(shí)在線運(yùn)算得到,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。

        當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于基速時(shí),電機(jī)進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū),這里選用變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁法,如圖5所示。變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁法的電壓指令與逆變器輸出電壓直接對(duì)應(yīng),易于規(guī)劃弱磁軌跡,而且交軸電壓由直軸電壓和極限電壓給定,提高了電壓利用率。

        圖5 變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁控制

        3 仿真結(jié)果及分析

        3.1 電磁性能

        設(shè)置仿真時(shí)間為50 ms,50 ms內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升,此時(shí)少稀土混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率如圖6所示。初始時(shí)刻,電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū),此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩約為38 N·m,輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而不斷增大。20 ms后,電機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速,開(kāi)始進(jìn)入恒功率區(qū),電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升而降低,電機(jī)的輸出功率則穩(wěn)定在4.6 kW,略低于額定功率(5 kW)。

        圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)矩及輸出功率 圖7 永磁體退磁狀況

        永磁電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí),鐵耗和銅耗增加,永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)加劇,圖7給出了混合永磁電機(jī)在7倍額定轉(zhuǎn)速(8 400 r/min)時(shí)的永磁體退磁狀況。其中,定義退磁后的剩余磁通密度與初始時(shí)刻永磁材料剩余磁通密度的比值1/0,該值低于相應(yīng)閾值意為發(fā)生退磁,縱坐標(biāo)表示永磁材料中退磁部分的體積占比。從圖7可以看出:閾值小于0.9時(shí),永磁材料中發(fā)生退磁的部分只占總磁鋼的20%左右,而低于閾值0.8的部分只占不到10%,這表明所提少稀土混合永磁電機(jī)具有較好的抗去磁性能,在高速運(yùn)行下也只產(chǎn)生了輕微的退磁。

        3.2 驅(qū)動(dòng)性能

        初始時(shí)刻,給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 200 r/min,40 ms后,目標(biāo)轉(zhuǎn)速變?yōu)? 400 r/min,圖8給出了電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中交直軸電感的變化。從圖8(a)可以看出電機(jī)具有良好的提速能力,能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到并穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速,并且基速區(qū)和弱磁調(diào)速區(qū)間的切換較為平滑,沒(méi)有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速尖峰,表現(xiàn)出了電機(jī)良好的驅(qū)動(dòng)性能。圖8(b)體現(xiàn)了電機(jī)在調(diào)速過(guò)程中交直軸電感的變化,可以看出:電機(jī)在基速區(qū)內(nèi)的交直軸電感變化差異不大,圍繞固定值波動(dòng);進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)后,電機(jī)的直軸電感開(kāi)始下降,交軸電感開(kāi)始上升,而交直軸電感的變化必然會(huì)對(duì)電機(jī)的性能帶來(lái)一定的影響。

        圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能及交直軸電感變化

        因參數(shù)設(shè)置的差異性,MATLAB-Simulink驅(qū)動(dòng)控制仿真分析法與耦合仿真分析法雖然無(wú)對(duì)比性,但仍然具有參考價(jià)值。電機(jī)低速運(yùn)行過(guò)程中,2種仿真平臺(tái)下結(jié)果相似,不存在明顯差異。繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速,圖9(a)給出了2種不同仿真方法下電機(jī)高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)速曲線??梢钥闯?雖然2種仿真方式下,電機(jī)最終都達(dá)到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速,但是在2種仿真平臺(tái)下的升速時(shí)間明顯不同。Simplorer平臺(tái)充分考慮了耦合情況下電磁參數(shù)變化的影響,對(duì)于此電機(jī)和控制系統(tǒng),電機(jī)的電磁參數(shù)變化和到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速(8 400 r/min)所用時(shí)間如圖9(b)(c)(d)所示。從圖9(c)中可以看出,交軸電感對(duì)升速時(shí)間的影響可以忽略。如圖9(b)、(d)所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候,直軸電感的下降有助于抵消永磁磁鏈下降所帶來(lái)的升速時(shí)間的影響;但當(dāng)電機(jī)進(jìn)入高速區(qū)時(shí),此時(shí)直軸電感對(duì)降低升速時(shí)間的影響可以忽略,永磁磁鏈的持續(xù)下降使升速時(shí)間變長(zhǎng)。而MATLAB平臺(tái)由于采用了固定的永磁磁鏈及交直軸電感,忽略了參數(shù)變化的影響,所以在一定程度上,場(chǎng)路耦合仿真的仿真結(jié)果更具有準(zhǔn)確性。

        圖9 相關(guān)電磁參數(shù)對(duì)電機(jī)升速時(shí)間的影響

        4 結(jié)論

        引入了場(chǎng)路耦合分析法,通過(guò)Maxwell和Simplorer搭建了少稀土混合永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模型,分析了少稀土混合永磁電機(jī)的電磁性能和驅(qū)動(dòng)性能,研究了相關(guān)電磁參數(shù)對(duì)升速時(shí)間的影響,并將驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果與MATLAB平臺(tái)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:由于Simplorer充分考慮了電磁參數(shù)變化的影響,Simplorer平臺(tái)的仿真結(jié)果相比于MATLAB平臺(tái)具有更高的可信度,有利于提高電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。

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