新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析

張志軒,劉雨鋒,鐘清偉,羅振華

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

0 引 言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的問題日漸嚴(yán)重，高效節(jié)能的稀土永磁電機(jī)逐漸受到業(yè)界的重視[1-2]。近年來，永磁材料的性能不斷提升，高性能的永磁電機(jī)在日常生活中也逐漸普遍使用[3-4]。然而，由于傳統(tǒng)的永磁電機(jī)普遍存在氣隙磁場調(diào)節(jié)難度較大的問題，導(dǎo)致其用在發(fā)電場合時(shí)，電機(jī)的端電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)及故障時(shí)難以去磁[5-6]；在作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，永磁體會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁、調(diào)速范圍不夠?qū)?、高速運(yùn)行范圍內(nèi)效率較低和恒功率區(qū)較窄等缺點(diǎn)，極大地限制了永磁電機(jī)在穩(wěn)壓發(fā)電與恒功率調(diào)速等場合的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[7-12]。

為此，探求新穎有效的電機(jī)磁場調(diào)節(jié)方式，為永磁電機(jī)恒功率調(diào)速驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓發(fā)電的應(yīng)用場合提供可信的技術(shù)方案，解決傳統(tǒng)永磁電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)困難的問題，成為近些年永磁電機(jī)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[13]。

根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械調(diào)磁式內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在功率密度、效率、弱磁調(diào)速和生產(chǎn)成本等諸多特征，結(jié)合機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)與磁通切換型電機(jī)的各自優(yōu)點(diǎn)，本文研究了一類基于磁通切換原理的漏磁式機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)，以一臺(tái)12/10極磁通切換機(jī)械調(diào)磁電機(jī)為例，探究了該類電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)機(jī)理，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了該類電機(jī)電磁性能，并且研究了該新型機(jī)械調(diào)磁裝置的調(diào)磁特性，為以后研究此類電機(jī)提供了建設(shè)性的理論指導(dǎo)。

1 工作原理

1.1 磁通切換原理

磁通切換原理是電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，線圈匝鏈的磁通自動(dòng)切換路徑，從而磁通的極性和數(shù)值在一個(gè)電周期內(nèi)交替性變化，磁通依據(jù)磁阻最小原理進(jìn)行閉合[14-15]。

新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)的磁通切換原理如圖1所示。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于圖1(a)的位置時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁通穿過轉(zhuǎn)子單元，進(jìn)入定子齒，后通過相鄰定子齒穿出氣隙返回永磁體。而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到圖1(b)時(shí)，定子繞組匝鏈的磁通數(shù)值不變，但磁通所通過的路徑恰好相反，從而形成數(shù)值一致但極性相反的磁通路徑。

(a) 穿入狀態(tài)

(b) 穿出狀態(tài)

1.2 調(diào)磁原理

本文以永磁同步電機(jī)作為研究對象，設(shè)計(jì)一種新型機(jī)械調(diào)磁裝置，在磁通切換電機(jī)外部添加梯形調(diào)磁塊來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部磁場的目的。該調(diào)磁裝置相對于傳統(tǒng)的矩形調(diào)磁塊，既可以減少調(diào)磁裝置的用量，同時(shí)也可以達(dá)到合理調(diào)磁的效果。新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)的調(diào)磁機(jī)理磁路分析示意圖如圖2所示。由圖2可知，永磁體產(chǎn)生的主磁通路徑基本一致，主要利用附加的調(diào)磁塊使得部分永磁磁通通過調(diào)磁塊形成漏磁通，從而減弱通過氣隙的主磁通，以達(dá)到機(jī)械同步調(diào)磁裝置的弱磁效果。依據(jù)機(jī)械調(diào)磁裝置的調(diào)磁機(jī)理，電機(jī)運(yùn)行可分為兩種狀態(tài)：單元轉(zhuǎn)子與調(diào)磁塊相對位置對齊狀態(tài)和錯(cuò)開狀態(tài)。對齊時(shí)，電機(jī)與正常的磁通切換電機(jī)相同；錯(cuò)開時(shí)，為電機(jī)弱磁調(diào)速狀態(tài)。

(a) 對齊狀態(tài)

(b) 錯(cuò)開狀態(tài)

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置未動(dòng)作，單元轉(zhuǎn)子與調(diào)磁塊相對位置對齊，如圖2(a)所示，除了少量漏磁通外，電機(jī)主磁通路徑為永磁體N極→轉(zhuǎn)子齒→氣隙→定子齒→相鄰定子齒→氣隙→相鄰轉(zhuǎn)子齒→永磁體S極，形成磁通閉合路徑。電樞繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢由永磁磁場的變化提供，表達(dá)式如式1所示。

(1)

式中：ψ為永磁磁鏈；ω為電機(jī)運(yùn)行角速度。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置動(dòng)作，使調(diào)磁塊與單元轉(zhuǎn)子錯(cuò)開一定角度，從而改變通過氣隙主磁通的數(shù)值。圖2(b)為調(diào)磁塊作用時(shí)電機(jī)的主要磁通路徑圖。主磁通路徑與調(diào)磁裝置未動(dòng)作時(shí)相同，但永磁體產(chǎn)生的磁通會(huì)有部分通過調(diào)磁塊形成閉合路徑，導(dǎo)致通過氣隙的主磁通減少，相應(yīng)地，氣隙內(nèi)的磁密也隨之減小，電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能得以提高。

由此可知，當(dāng)機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)用作發(fā)電機(jī)時(shí)，可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)磁塊與轉(zhuǎn)子齒的相對位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙磁密，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)恒壓輸出的效果。當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，可在基速以上減小電機(jī)氣隙磁密，達(dá)到電機(jī)擴(kuò)速的效果。

2 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與優(yōu)化

機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)與普通磁通切換電機(jī)相似，故在不考慮電機(jī)繞組電阻的情況下，電機(jī)的主要尺寸如下:

(2)

式中：Dst為定子外徑；le為軸向長度；Kd為漏磁系數(shù)，一般取0.90～0.94；Ks為斜槽系數(shù)，當(dāng)定子為直槽時(shí)Ks為1；Cs為定子極弧系數(shù)，通常為0.20～0.25；As為線負(fù)荷，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值為15 000～30 000；Bg是氣隙磁密；η為電機(jī)效率。

本文以12/10極結(jié)構(gòu)的磁通切換電機(jī)為例，永磁體材料選為N35型的釹鐵硼，電機(jī)繞組采用集中式繞組。電機(jī)具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

電機(jī)參數(shù)數(shù)值電機(jī)參數(shù)數(shù)值額定功率PN/kW1定子極數(shù)Ns12額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)750轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr10相數(shù)3轉(zhuǎn)子外半徑Ra/mm88定子外半徑Rst/mm69轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑Re/mm69.4定子齒高h(yuǎn)s/mm19轉(zhuǎn)子齒高h(yuǎn)r/mm8.6定子齒占內(nèi)徑弧度ls/(°)14轉(zhuǎn)子齒占內(nèi)徑弧度lr/(°)6氣隙寬度hz/mm0.4轉(zhuǎn)軸半徑Rz/mm40

本文在磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)初始設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，以增大電機(jī)空載反電動(dòng)勢與降低齒槽轉(zhuǎn)矩為目的，對電機(jī)的各項(xiàng)初始參數(shù)利用ANSYS軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于當(dāng)前建筑物的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用為綠色建筑的發(fā)展提供了分析工具，為綠色建筑在材料、能耗和環(huán)境方面提供了信息。

2.1 轉(zhuǎn)子優(yōu)化

電機(jī)初始設(shè)計(jì)部分，轉(zhuǎn)子形狀設(shè)計(jì)成U形槽，經(jīng)計(jì)算初始轉(zhuǎn)子齒寬為6°。但是該結(jié)構(gòu)可能不是此類電機(jī)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，故本文提出E形槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。針對這兩種結(jié)構(gòu)，對比分析了轉(zhuǎn)子形狀與齒寬對電機(jī)磁鏈、反電動(dòng)勢和齒槽轉(zhuǎn)矩等電磁特性的影響。

兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4所示。將初始的U形槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化成E形槽后，轉(zhuǎn)子槽口變小，定轉(zhuǎn)子齒相對橫截面將增大，兩者之間磁路磁阻減小，故該單元轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以獲得更大的反電動(dòng)勢。

(a) U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

(b) E形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖5為電機(jī)兩種結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖。由圖5可知，E形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁力線分布較U形結(jié)構(gòu)的更合理，故改進(jìn)后的E形結(jié)構(gòu)可獲得更大的空載反電勢。

(a) U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

(b) E形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖6為兩種結(jié)構(gòu)電樞繞組磁鏈變化規(guī)律。由圖6可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子為U形槽結(jié)構(gòu)時(shí)，其幅值大約為0.054 Wb，E形轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)繞組磁鏈的幅值可達(dá)到0.079 Wb，為U形槽的1.5倍。由于E形槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相較U形槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)繞組磁鏈明顯提高，因此，電機(jī)單元轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為E形槽結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

圖6 繞組磁鏈變化圖

圖7為兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)勢變化曲線。由圖7可知，經(jīng)過優(yōu)化的E性槽結(jié)構(gòu)空載反電動(dòng)勢幅值大約提高9 V。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)開路時(shí)永磁體邊端與定子齒相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是永磁電機(jī)特有的問題之一。圖8為不同轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)下齒槽轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律圖。由圖8可知，經(jīng)過轉(zhuǎn)子槽形的優(yōu)化，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值相應(yīng)降低，電機(jī)低速控制時(shí)可靠性顯著增強(qiáng)。

圖7 空載反電動(dòng)勢變化圖

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩變化圖

2.2 永磁體優(yōu)化

本文從永磁體形狀與磁化方向厚度兩方面對電機(jī)優(yōu)化，在滿足電機(jī)設(shè)計(jì)性能的基礎(chǔ)上，充分提高永磁材料的利用率。

(a) 矩形

(b) 扇形

圖10為不同傾斜角β下空載反電動(dòng)勢的變化曲線。隨著角度的變化，波形并無顯著變化，在β=2°時(shí)繞組反電動(dòng)勢峰值最大。

圖10 感應(yīng)電動(dòng)勢變化圖

圖11為齒槽轉(zhuǎn)矩隨傾斜角β的變化規(guī)律。由圖11可知，齒槽轉(zhuǎn)矩隨β角的增大而增大，因此，永磁體為平行結(jié)構(gòu)時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩最優(yōu)。

綜合電機(jī)電磁特性隨傾斜角度的變化規(guī)律，當(dāng)永磁體為平行形狀時(shí)，電機(jī)各方面性能較為優(yōu)良。

另一方面，保持轉(zhuǎn)子齒寬不變，分析電機(jī)性能與永磁體磁化厚度的關(guān)系。圖12為繞組磁鏈與齒槽轉(zhuǎn)矩隨永磁體磁化厚度變化的曲線圖。由圖12可知，電機(jī)繞組磁鏈與齒槽轉(zhuǎn)矩均隨磁化方向厚度的增加而增大，但效果并不明顯。故選擇永磁體磁化厚度為5°作為最終參數(shù)。

圖11 齒槽轉(zhuǎn)矩變化圖

(a) 磁鏈變化圖

(b) 齒槽轉(zhuǎn)矩變化圖

綜上，對新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化分析，最終確定電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)優(yōu)化后主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 電機(jī)有限元分析

3.1 磁場分布圖

電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置中的調(diào)磁塊與單元轉(zhuǎn)子處于中心對齊位置，電機(jī)空載磁場分布如圖13所示。當(dāng)電機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，兩者錯(cuò)開一定的角度，此時(shí)的磁場分布圖如圖14所示。兩者對比，可見電機(jī)氣隙磁場發(fā)生顯著變化，調(diào)磁裝置實(shí)現(xiàn)了電機(jī)內(nèi)部調(diào)磁的目的。

(a) 磁密云圖

(b) 磁力線圖

(a) 磁密云圖

(b) 磁力線圖

3.2 氣隙磁密

電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下的氣隙磁密如圖15(a) 所示，由于永磁體切向充磁，具有聚磁效應(yīng)，磁密幅值可達(dá)2.1 T；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置作用，永磁磁通有部分形成漏磁通，導(dǎo)致氣隙磁密峰值減小為1.5 T，如圖15(b) 所示。由此可知，機(jī)械調(diào)磁裝置的作用削弱了電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁密，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)弱磁調(diào)速的目的。

(a) 基速以下

(b) 基速以上

3.3 調(diào)磁性能

新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁電機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力與機(jī)械調(diào)磁裝置的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部氣隙磁場有效調(diào)節(jié)的目的。

表3分析了調(diào)磁塊與轉(zhuǎn)子錯(cuò)開不同角度下電機(jī)的調(diào)磁性能。由表3可知，當(dāng)錯(cuò)開角度為15°時(shí)，調(diào)磁效果可達(dá)29.6%。

表3 錯(cuò)開角度不同時(shí)的調(diào)磁性能

4 結(jié) 語

本文對新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁同步電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并對其調(diào)磁性能進(jìn)行了分析研究，可得到以下結(jié)論：

1) 利用調(diào)磁塊可有效調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁場，在合理的角度范圍內(nèi)，調(diào)磁塊與單元轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度越大，電機(jī)弱磁效果越明顯。

2) 利用調(diào)磁塊的弱磁作用，可明顯降低電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁密與繞組的空載磁鏈、反電動(dòng)勢；同時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩峰值也有所降低。

3) 通過電機(jī)的優(yōu)化與電機(jī)的弱磁分析，驗(yàn)證了新型磁通切換機(jī)械調(diào)磁永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。