新型永磁電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上新型永磁電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析作者：徐鋒來源：科學(xué)家2017年第16期        摘 要 本文提出的新型永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，能夠使永磁同步電機同時具有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點。同時采用該磁路結(jié)構(gòu)后，能夠使平行充磁的轉(zhuǎn)子磁鋼具有等效的徑向充磁效果。并且能夠增加轉(zhuǎn)子的機械強度，提高電機的運行轉(zhuǎn)速。避免轉(zhuǎn)子在高速運行或沖擊振動過程中對磁鋼的損壞。通過對磁路結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，使電機的轉(zhuǎn)子磁路特性接近于一般的表貼式磁鋼結(jié)構(gòu)，因此對電機的控制更加簡單可靠；并且由于轉(zhuǎn)

2、子每極采用兩片磁鋼，使平行充磁的磁鋼達到了徑向充磁的目的，從而改善了電機反電勢波形、降低了齒槽轉(zhuǎn)矩。        關(guān)鍵詞 永磁同步電機；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；諧波畸變率；交直軸電感        中圖分類號 TM34 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0079-03        與傳統(tǒng)的電勵磁同步電機相比，永磁同步電動機具有效率高、結(jié)構(gòu)簡

3、單、體積小、重量輕的特點。從控制角度分析，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩特性與直流電機相似，因此，具有調(diào)速范圍寬，控制系統(tǒng)簡單、快速的優(yōu)點1。在新能源汽車驅(qū)動、航空航天、伺服傳動等控制精度要求高、運行可靠的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。        從永磁同步電機磁鋼的安裝方式劃分，可以將永磁同步電機分為表貼式永磁同步電機（SPM）和內(nèi)置式永磁同步電機（IPM）兩種2。內(nèi)置式永磁同步電機由于磁鋼嵌在鐵芯內(nèi)部，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加可靠，使磁鋼能夠承受更高的轉(zhuǎn)速和沖擊。但由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路的直軸磁導(dǎo)小于交軸磁導(dǎo)，使電機的交直軸電感不相等，并且交直軸

4、磁路具有交叉影響，大大增加了對內(nèi)置式電機控制的難度，使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜；表貼式永磁電機的磁鋼貼在轉(zhuǎn)子表面，固定方式簡單，但可靠性較差。雖然在實際應(yīng)用中，可以采用綁扎等固定措施，但增加了氣隙長度，影響電機的運行性能3-4。        本文針對兩種磁路結(jié)構(gòu)存在的缺點，提出了新型永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路，該磁路結(jié)構(gòu)同時具有內(nèi)置式和表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點，提升了電機的整體性能。并進行了有限元仿真分析，最后通過樣機試驗測試，驗證了該磁路結(jié)構(gòu)的可靠性。      

5、;  1 數(shù)學(xué)模型        圖1為傳統(tǒng)的永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。即表貼式磁路結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。        圖1（a）為表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)磁鋼固定在轉(zhuǎn)子表面，由于磁鋼的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率近似相等，因此該磁路結(jié)構(gòu)屬于隱極式結(jié)構(gòu)，即電機的交直軸電感近似相等。圖1（b）為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于磁鋼的磁導(dǎo)率與硅鋼片的磁導(dǎo)率相差較大，因此該磁路結(jié)構(gòu)屬于凸極式結(jié)構(gòu)，即電機的直軸電感小于交軸電感。 

6、       根據(jù)永磁同步電機的雙反應(yīng)理論，當(dāng)電機的交直軸坐標系以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并且交軸超前直軸90°電角度?？傻玫接来磐诫姍C的轉(zhuǎn)矩公式5：        （1）        式中，p永磁電機的極對數(shù)；f磁鋼的永磁磁鏈；iq交軸電流：id直軸電流；Ld直軸電感；Lq交軸電感。      

7、0; 忽略溫度的影響，可將磁鋼的磁鏈f視為一個常量。對于表貼式永磁同步電機，交、直軸電感相等，此時只需控制交軸電流，即可實現(xiàn)對電機的控制。而對于內(nèi)置式永磁同步電機，其交、直軸電感不等，電機除具有永磁轉(zhuǎn)矩外，還具有磁阻轉(zhuǎn)矩。同時交、直軸電感受鐵芯飽和與諧波因素的影響，無法通過仿真手段準確計算，所以內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)電機的控制更加復(fù)雜6。        通過對以上內(nèi)容的分析，本文提出了新型的永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該磁路結(jié)構(gòu)能夠滿足磁鋼在高速運行和沖擊條件下的可靠性，同時使電機的交直軸電感設(shè)計值基本

8、一致，因此該電機的控制方式與表貼式結(jié)構(gòu)基本相同，使電機控制更加簡單。        本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點。1）該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在直軸方向上設(shè)計有隔磁磁橋，增加了直軸電感。在交軸方向上開孔，減小交軸電感。通過該設(shè)計使電機的交、直軸電感近似相等。從而具有與表貼式電機相似的特性。2）磁鋼內(nèi)置于轉(zhuǎn)子鐵芯磁鋼槽中，增加了轉(zhuǎn)子的強度，使其與內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有相同的機械性能。3）通過調(diào)整磁鋼的布置方式，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。4）該磁鋼結(jié)構(gòu)能夠有效利用轉(zhuǎn)子尺寸，具有聚磁效果，提高每極下的磁

9、通量。5）該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠減小氣隙長度，提高氣隙磁場，從而減少磁鋼等有效材料的用量，降低產(chǎn)品的成本。        2 電磁場有限元計算方法        本文在電機電磁方案計算中采用了二維平面電磁場時步有限元結(jié)合場路耦合的方法，采用該計算方法的優(yōu)點是能夠考慮機械運動、導(dǎo)體區(qū)域感應(yīng)渦流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)以及繞組鄰近效應(yīng)的影響，通過合理的簡化模型，可以獲得較高的計算精度和合理的計算時間7。    

10、0;   永磁同步電機電磁場時變問題中的Maxwell方程組表達式為：        （2）        當(dāng)考慮到電機鐵芯的飽和因素，則非線性時變運動電磁場問題的偏微分方程表達式8為：        （3）        式中：A矢量磁位；Js外部

11、強加的源電流密度；v媒質(zhì)的磁阻率；V媒質(zhì)相對坐標系的運動速度；媒質(zhì)的電導(dǎo)率。        3 電磁場仿真計算與分析        根據(jù)上述分析，針對以上轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)類型，本文建立了3種磁路結(jié)構(gòu)的模型，分別是表貼式、內(nèi)置式和本文提出的新磁路結(jié)構(gòu)。        該永磁同步電動機的定子槽數(shù)（36槽）及結(jié)構(gòu)尺寸相同。轉(zhuǎn)子采用不同的磁路結(jié)構(gòu)，即表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、

12、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和本文提出的新型磁路結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子極數(shù)為8極。        圖3、圖4和圖5分別為表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)子磁路為一字型結(jié)構(gòu)）、以及本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。        建立有限元仿真模型后，將分別計算3種磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動勢波形，電機運行轉(zhuǎn)速為1 000rpm，磁鋼溫度20。圖6、圖7和圖8分別是表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動勢波形、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動勢波形和本文提出的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

13、的空載反電動勢波形。        通過對比圖6、圖7和圖8的有限元仿真計算結(jié)果可知，當(dāng)采用本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時，電機空載反電動勢波形具有更高的正弦度，諧波含量最低，其諧波畸變率約為0.3%，遠小于表貼式結(jié)構(gòu)的2.6%和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的1.1%。        在空載工況下，對3種磁路結(jié)構(gòu)電機的交直軸電感進行有限元仿真分析，得到電機交、直軸電感隨時間的變化波形。計算結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。  

14、0;     圖9為表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的交直軸電感仿真結(jié)果。由于表貼式電機的交直軸磁導(dǎo)近似相等，因此仿真曲線中交直軸電感相近，即電機的凸極率近似為1。由圖10可知，內(nèi)置式電機的交直軸電感相差較大，其凸極率約等于1.5。圖11為本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電感仿真曲線，該結(jié)構(gòu)的凸極率約為1.06，十分接近表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極率，所以該磁路結(jié)構(gòu)的控制方式與表貼式電機基本一致，使電機的控制方式更加簡單。        4 試驗驗證    

15、;    本文對新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機進行設(shè)計分析，根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作了樣機，并對樣機的空載反電動勢波形以及電機線電感進行試驗測試。圖12為新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機空載反電動勢波形。實測反電動勢有效值與仿真計算值誤差2.6%，滿足工程設(shè)計要求。        本文通過對新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機電感測試，得到樣機線電感最大值約為105H，線電感最小值約為90H，因此其凸極率約為1.16，遠低于內(nèi)置式電機的凸極率，與表貼式電機的凸極率接近。     

16、   5 結(jié)論        本文提出了一種新型永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，通過分析得出以下結(jié)論。1）本文提出的新型永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的高速運行，提高了磁鋼在高速運行和沖擊振動下的安全性。2）通過優(yōu)化設(shè)計電機的交直軸磁路，使該電機的交直軸電感近似相等，凸極率接近1，與表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，因此可以使電機的控制更加簡單和精確。3）通過優(yōu)化調(diào)整磁鋼的布置方式和角度，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。使反電動勢波形正弦性更好，減少諧波成分對電機性能的影響。4）由

17、于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似內(nèi)置式電機，轉(zhuǎn)子外圓光滑，能夠減小電機在高速運行時的風(fēng)摩損耗，同時降低了電機噪音。        參考文獻        1唐任遠，顧國彪，秦和，等.中國電氣工程大典M.北京：中國電力出版社，2008.        2唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，1997.     

18、   3Z.Q.Zhu，D.Howe，E.Bolte.Instantaneousmagneticfield distribution in brushless permanent magnet dc motors， Part：Open-circuit field. IEEE Trans.Mag，1993，29（1）：124-135.        4Z.Q.Zhu，D.Howe.Instantaneousmagnetic field distribution in brushless permanent magnet dc motors，Part： Armature-Reactionfield.IEEETrans，Mag，1993，29（1）：136-142.        5程樹康，于艷君，柴鳳，等.內(nèi)置式永磁同步電機電感參數(shù)的研究J.中國電機工程學(xué)報，2009，29