一種新穎反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

鄭菲菲，鄧先明，李學(xué)鋒，王珍珍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221008)

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一種新穎反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

鄭菲菲，鄧先明，李學(xué)鋒，王珍珍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221008)

針對(duì)具有凸極效應(yīng)的常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)題，即最大電磁轉(zhuǎn)矩的功角大于90°，在負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁體存在較大的退磁危險(xiǎn),提出一種具有反凸極效應(yīng)的新結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)，并分別對(duì)該永磁同步電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了有限元分析，得到了電機(jī)的氣隙磁密波形和空載反電勢(shì)波形，并進(jìn)行了諧波分析，求出了交直軸電感特性和矩角特性曲線。與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，新結(jié)構(gòu)電機(jī)不僅永磁體用量減少、氣隙磁密波形更接近正弦波，而且具有反凸極特性，減小了電機(jī)退磁的危險(xiǎn)；并且該電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)提高3.33%，增強(qiáng)了電機(jī)的過(guò)載能力。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；有限元分析；反凸極效應(yīng)；交直軸電感特性；矩角特性

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與研究，在永磁同步電動(dòng)機(jī)的分析、設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外研究人員都做了大量工作并取得了階段性成果。唐任遠(yuǎn)教授在電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)參數(shù)研究方面做了大量的工作[1]，為永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[2]定性分析了異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化規(guī)律, 研究了損耗的諧波含量,進(jìn)而得出了影響永磁電機(jī)損耗的主要因素及其在不同運(yùn)行條件的變化規(guī)律,揭示了空間齒諧波磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的重要影響，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而減少諧波、提高運(yùn)行效率提供了參考；文獻(xiàn)[3]用有限元的方法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表面適當(dāng)?shù)奈恢瞄_(kāi)凹槽，優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩大大減小，電機(jī)的性能得到提高；文獻(xiàn)[4]提出了一種新穎結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī),通過(guò)改變永磁體分布和轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而更有效利用了永磁體磁場(chǎng),提高了永磁體的利用率。

鑒于嚴(yán)峻的能源安全形勢(shì)和永磁電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究，研制高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)具有重要的意義。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)不同，由于稀土永磁體的磁導(dǎo)率近似等于空氣磁導(dǎo)率，具有凸極效應(yīng)的常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的直軸磁阻大于交軸磁阻，所以直軸同步電抗小于交軸同步電抗，磁阻轉(zhuǎn)矩分量在功角小于90°時(shí)為負(fù)值，從而導(dǎo)致電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁體存在較大的退磁危險(xiǎn)[5]，另外，在負(fù)載運(yùn)行時(shí)交軸磁路過(guò)飽和，鐵損耗大，電機(jī)效率不高。由于凸極效應(yīng)和稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以本文在傳統(tǒng)電機(jī)模型的基礎(chǔ)上從改變永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)入手，提出一種具有反凸極效應(yīng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，并用Maxwell 2D軟件對(duì)此電機(jī)進(jìn)行了仿真分析。

1 反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

1.1 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)磁路計(jì)算主要包括永磁體尺寸及工作點(diǎn)的確定、電機(jī)主要尺寸、槽型、定子繞組的設(shè)計(jì)和一些電磁參數(shù)的計(jì)算[6]，若槽型不合適或電負(fù)荷不滿(mǎn)足等，則需調(diào)整永磁體、電機(jī)尺寸等，重新設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求[7]，滿(mǎn)足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求。

其中電機(jī)的主要尺寸是指定子沖片內(nèi)徑Dil和定子鐵心有效長(zhǎng)度lef，可借用異步電機(jī)主要尺寸關(guān)系式來(lái)近似推導(dǎo)。電機(jī)的基本尺寸數(shù)據(jù)繁多，不一一羅列，電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要數(shù)據(jù)

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)子槽形的選擇、槽形尺寸的確定[8]、永磁體類(lèi)型和尺寸的確定等，兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的槽型都為閉口梯形槽，且槽形尺寸相同。為了使電機(jī)滿(mǎn)足反凸極的電磁特性，須使交軸同步電抗xq小于直軸同步電抗xd，即須滿(mǎn)足Lq

以q軸電感為例分析如下：

(1)

式中：Lq為q軸電感；ψq為q軸磁鏈；iq為折算到q軸的電流；N為經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后q軸線圈的有效匝數(shù)；Λmq為q軸鐵心磁路的磁導(dǎo)；Rmq為q軸鐵心磁路的磁阻。

由式(1)可知，在線圈匝數(shù)一定的條件下，q軸電感大小與q軸鐵心磁路的磁導(dǎo)成正比，與q軸鐵心磁路的磁阻成反比。所以為減小q軸電感，使Lq

(a)傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(b)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 兩種永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

由表2可知，反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑、內(nèi)徑和永磁體厚度和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)都相同，不同的是傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)置永磁體按W型分布，為使永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密波形更接近于正弦波，反凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)永磁體槽及永磁體為M形排列，位于轉(zhuǎn)子鐵心上相對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)子直軸線d對(duì)稱(chēng)分布，且每極永磁體寬度減小，從而減少了永磁體的用量；轉(zhuǎn)子鐵心上沿轉(zhuǎn)軸方向在永磁體槽之間開(kāi)設(shè)的三角形通風(fēng)孔，不僅增加了交軸磁路的磁阻，使磁路不容易飽和，減少鐵損耗，同時(shí)還能減小運(yùn)行時(shí)交軸電樞反應(yīng)對(duì)直軸氣隙永磁磁場(chǎng)的影響。且通風(fēng)孔的存在可以提高轉(zhuǎn)子散熱性能，降低轉(zhuǎn)子溫度，保護(hù)永磁體[9]。在三角形通風(fēng)孔中間放置一根與隔磁磁橋?qū)挾认嗟鹊睦邨l，從而增加電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度。

2 反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的有限元分析

利用Maxwell有限元分析軟件對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)及反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的模型進(jìn)行了有限元分析[10]，得到兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密曲線、空載反電勢(shì)波形、d軸及q軸電感特性[11]和功角特性曲線并進(jìn)行對(duì)比。

2.1 氣隙磁密及空載反電勢(shì)分析

對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)和反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行了有限元求解，用Ansoft場(chǎng)計(jì)算器分別進(jìn)行了氣隙磁密及空載反電勢(shì)的求解，并對(duì)氣隙磁密和空載反電勢(shì)波形進(jìn)行了傅里葉分析對(duì)比。圖2(a)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密分布，圖2(b)為反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形。

(a)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)氣隙磁密波形(b)反凸極結(jié)構(gòu)氣隙磁密波形

圖2 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密波形

對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁密波形和反凸極結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形進(jìn)行了諧波分析并對(duì)比，如圖3所示。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁密諧波分析結(jié)果

圖4(a)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載反電勢(shì)波形，圖4(b)為反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載反電勢(shì)波形。圖5為兩種結(jié)構(gòu)空載反電動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比。

(a)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)空載反電動(dòng)勢(shì)波形(b)反凸極結(jié)構(gòu)空載反電動(dòng)勢(shì)波形

圖4 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)空載反電勢(shì)波形

圖5 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)諧波分析結(jié)果

由圖3兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁密諧波對(duì)比和圖5兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比分析可知，永磁體槽呈M形排列的新型反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載反電勢(shì)和氣隙磁密的基波含量都有所增加，5次和7次諧波也有所降低，而3次及9次諧波則可以被定子繞組的Y型聯(lián)接方式抑制掉。所以新型反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)有效地增加了基波含量，減少了諧波成分，以較少的永磁體用量使其氣隙磁密波形更接近于正弦波，不僅節(jié)約了稀土資源，提高了永磁體的利用率，而且減少了電機(jī)的運(yùn)行損耗，提高了電機(jī)效率。

2.2 反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)交直軸電感特性分析

交、直軸電感對(duì)于電機(jī)運(yùn)行特性有很大的影響[12-13]，而且電機(jī)的反凸極特性表現(xiàn)在參數(shù)上，即電機(jī)的交直軸電感存在Lq

(2)

(3)

因此，當(dāng)d軸與A相繞組軸線對(duì)齊時(shí)，求出此時(shí)A相繞組的磁鏈，就可以求出d軸電感；當(dāng)q軸與A相繞組軸線對(duì)齊時(shí)，求出此時(shí)A相繞組的磁鏈，就可以求出q軸電感。圖6(a)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的交直軸電感隨電流變化的曲線，圖6(b)為反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的交直軸電感隨電流變化的曲線。

(a)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)交直軸電感曲線(b)反凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)交直軸電感曲線

圖6 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)d軸和q軸電感特性

由圖6知，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸電感大于d軸電感，而且由于q軸磁路飽和，導(dǎo)致d，q軸電感隨電流的增加而減小，而其中q軸電感值明顯減小。而反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸電感始終大于q軸電感，即具有反凸極特性，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子鐵心上沿轉(zhuǎn)軸方向在永磁體槽之間開(kāi)設(shè)有三角形通風(fēng)孔，增加了交軸磁路的磁阻，使磁路不易飽和，所以q軸電感比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)小，而且q軸電感變化較小。

2.3 反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性分析

為了獲得同步機(jī)的矩角特性，重要的是電磁轉(zhuǎn)矩的求解，通過(guò)求解不同功角時(shí)對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩值從而獲得功角特性。

忽略電樞電阻，凸極同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：

式中：m為相數(shù)；E0為空載電動(dòng)勢(shì)；U為電源電壓;ΩS為同步角速度;δ為功角;Xd,Xq分別為d軸和q軸電抗。

Ansoft中電磁轉(zhuǎn)矩的求解采用虛位移的方法，先求出磁場(chǎng)儲(chǔ)能，然后用差商代替微商，通過(guò)計(jì)算虛位移時(shí)磁共能的變化來(lái)確定電磁轉(zhuǎn)矩，即：

(6)

通過(guò)Maxwell 2D軟件求解得到電機(jī)的矩角特性，如圖7 所示。

圖7 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的矩角特性

與傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性不同，反凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的功角小于90°，從而可知該電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩分量在功角小于90°時(shí)為正值，再次間接說(shuō)明該電機(jī)的d軸電感大于q軸電感，即電機(jī)具有反凸極特性。當(dāng)該電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)方向相同，起到助磁作用，因此沒(méi)有退磁的危險(xiǎn)，增加了電機(jī)的穩(wěn)定性。而且，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體用得少,最大電磁轉(zhuǎn)矩提高了3.33%，不僅提高了永磁體的利用率，而且增加了電機(jī)的過(guò)載能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種新穎反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)，利用有限元仿真軟件Maxwell建立了兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維模型并進(jìn)行了仿真分析，得到了電機(jī)的空載氣隙磁密曲線、空載反電動(dòng)勢(shì)曲線、交直軸電感特性曲線和矩角特性曲線，并進(jìn)行了對(duì)比分析。由結(jié)果分析可知，與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，該反凸極結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)不僅減少了永磁體的用量，提高了永磁體的利用率，節(jié)約了稀土資源，而且通過(guò)改變永磁體分布，該電機(jī)的氣隙磁密和反電勢(shì)更接近正弦分布；通過(guò)在轉(zhuǎn)子交軸線上開(kāi)三角形槽，該永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸磁阻大于d軸磁阻，具有反凸極效應(yīng)，從而減小了電機(jī)退磁的危險(xiǎn)，增加了電機(jī)的穩(wěn)定性；此外，該反凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)提高了電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，增加了電機(jī)的過(guò)載能力。

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Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor with Novel Reverse Salient-Pole Structure

ZHENG Fei-fei，DENG Xian-ming，LI Xue-feng，WANG Zhen-zhen

(China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Considering the problem of the conventional permanent magnet synchronous motor with salient pole effects: torque angle of the largest electromagnetic torque is greater than 90°, and the permanent magnets run the high risk of demagnetization, a novel permanent magnet synchronous motor with reverse salient-pole property was presented. The Finite-element analysis of the novel and the traditional permanent magnet synchronous motor was made. The waveforms of air gap flux density and no-load back EMF and their Fourier analyses were worked out. Thedandqaxis inductance characteristics and torque-angle characteristic curves of both the novel and the traditional one were obtained. Compared with the traditional permanent magnet synchronous motor, the motor not only reduces the consumption of the permanent magnet,but also has waveform of air gap flux density closer to the sine wave. And it has reverse salient-pole characteristic, so as to reduce the risk of motor demagnetization. Also, the biggest electromagnetic torque of the novel motor is 3.33% bigger than that of the traditional one, which can enhance the overload capacity of the motor.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); finite element analysis; reverse salient-pole property;dandqaxis inductance characteristics; torque-angle characteristic

潘文貴(1988-)，男,博士研究生，研究方向?yàn)楹教爝b感系統(tǒng)中的高精度控制系統(tǒng)。

2014-07-10

江蘇省徐州科技發(fā)展基金項(xiàng)目(XG07017)

THM341;TM351

A

1004-7018(2016)02-0012-04