漏磁式機(jī)械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)損耗分析

羅振華,凌 濤,張志軒,劉章麒,梁建偉

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

0 引 言

近年來(lái)，節(jié)約能源一直是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)為走可持續(xù)發(fā)展路線，國(guó)家推出一系列節(jié)能減排的政策。隨著能源領(lǐng)域的改革深入，對(duì)能源效率的要求越來(lái)越高，而與其密切相關(guān)的電機(jī)同樣需要提高質(zhì)量，確保電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用更加可靠[1,2]。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，業(yè)內(nèi)使用最多的是永磁電機(jī)，永磁電機(jī)因體積小、損耗低、功率密度高以及效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[3]。遺憾的是，普通永磁電機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，難免出現(xiàn)工作不穩(wěn)定，容易出故障的現(xiàn)象；而在普通永磁電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，永磁體易出現(xiàn)不可逆退磁、調(diào)速范圍不夠大以及高速運(yùn)行范圍效率較低、恒功率區(qū)較窄等缺點(diǎn)[4,5]，極大地限制了永磁電機(jī)在穩(wěn)壓發(fā)電及恒功率調(diào)速驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

永磁電機(jī)作為重要的工業(yè)應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)其氣隙磁場(chǎng)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，探求新穎有效的電機(jī)磁場(chǎng)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(chǎng)合提供可信的技術(shù)方案，是業(yè)內(nèi)一直致力解決的難題之一[6]。

現(xiàn)有的電機(jī)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)的方式大致可分為三種。第一種是直接調(diào)磁[7]，該調(diào)節(jié)方式是借助直軸的負(fù)向電流形成磁場(chǎng)削弱電機(jī)的永磁磁場(chǎng)，從而形成弱磁，使電機(jī)的運(yùn)行速度大幅提高，此方式常見(jiàn)于記憶合金電機(jī)或是變速驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)。第二種調(diào)節(jié)方式稱作混合勵(lì)磁[8,9]，其實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能依賴于相互作用的兩種勵(lì)磁源所形成的磁場(chǎng)，對(duì)氣隙磁場(chǎng)造成影響，使其發(fā)生變化，擁有此類調(diào)節(jié)方式的電機(jī)稱作混合勵(lì)磁電機(jī)，其應(yīng)用也十分廣泛。第三種調(diào)節(jié)方式為機(jī)械調(diào)磁[10,11]，該方式是借助外部調(diào)磁裝置，形成有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，使電機(jī)內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，從而改變內(nèi)部氣隙磁場(chǎng)的分布情況，我們將這種電機(jī)稱作機(jī)械調(diào)磁型電機(jī)。

除了解決氣隙磁場(chǎng)問(wèn)題，如何提高電機(jī)的平均效率也十分重要，需要深入分析電機(jī)的各類損耗[12]，以便在弱磁的同時(shí)， 降低電機(jī)的損耗，提高電機(jī)的效率。

本文深入分析機(jī)械裝置的弱磁效果與電機(jī)損耗，以驗(yàn)證漏磁式機(jī)械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性和適應(yīng)性。

1 工作原理

漏磁式機(jī)械調(diào)磁式永磁電機(jī)以普通永磁電機(jī)為基礎(chǔ)，在電機(jī)外部加設(shè)機(jī)械調(diào)磁裝置，通過(guò)調(diào)磁裝置與電機(jī)同步運(yùn)行，可以使電機(jī)磁場(chǎng)分布得到調(diào)節(jié)，電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，依然具有效率高和效率密度高等優(yōu)點(diǎn)[12,14]。

機(jī)械調(diào)磁的原理是根據(jù)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，使調(diào)磁裝置產(chǎn)生大小不同的離心力，通過(guò)連桿改變調(diào)磁塊與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，永磁體與調(diào)磁塊之間的氣隙大小將發(fā)生變化，形成程度不相同的漏磁，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部氣隙磁場(chǎng)的效果，調(diào)磁裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)速越大，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過(guò)的角度也越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸減小時(shí)，彈簧拉動(dòng)滑塊使調(diào)磁塊逐漸回到初始位置。整體的裝機(jī)爆炸示意圖如圖2所示。

圖1 調(diào)磁裝置示意圖

圖2 裝機(jī)爆炸圖

2 電機(jī)二維有限元模型

通過(guò)ANASYS Maxwell有限元軟件，建立漏磁式機(jī)械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)有限元結(jié)構(gòu)模型。圖3給出了調(diào)磁塊相對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)0，6°和12°時(shí)的電機(jī)模型。

(a) 初始位置

(b) 轉(zhuǎn)過(guò)6°

(c) 轉(zhuǎn)過(guò)12°圖3 電機(jī)有限元模型

3 電機(jī)參數(shù)仿真計(jì)算

3.1 磁鏈與反電動(dòng)勢(shì)波形

磁鏈?zhǔn)菍?dǎo)電線圈或電流回路所鏈環(huán)的磁通量，計(jì)算方法為用線圈匝數(shù)N與穿過(guò)各匝的磁通量φ相乘。電機(jī)的磁通Φ和磁鏈Ψ分別如下：

(1)

(2)

式中:nz為單相繞組線圈數(shù);Nk為繞組線圈匝數(shù);Azk為第k個(gè)線圈所在區(qū)域的平均矢量磁位;dk為第k個(gè)線圈的電流方向。

圖4給出了在不同角度下的A相磁鏈波形。由圖4可知，不同角度下繞組磁鏈波形對(duì)稱，波形的正弦性較好；在電機(jī)調(diào)磁塊相對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)6°和12°時(shí)，可以清晰地看出繞組磁鏈之間存在相位差，磁鏈波形也發(fā)生了變化，其中單相繞組的波動(dòng)大幅減小，這一結(jié)果與之前分析的結(jié)論是一樣的。接下來(lái)，我們用過(guò)轉(zhuǎn)角的方式在機(jī)械調(diào)磁裝置中對(duì)磁鏈的大小進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過(guò)的角度發(fā)生變化時(shí)，A相繞組匝鏈會(huì)出現(xiàn)磁通的變化，兩者之間呈反相關(guān)。

圖4 磁鏈波形對(duì)比圖

當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)在永磁體的同步轉(zhuǎn)動(dòng)下形成，磁力線會(huì)被線圈導(dǎo)體切割而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此處出現(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)就是空載反電動(dòng)勢(shì)。其有效值可表示：

E0=4.44fNKdpΦ0

(3)

式中：f為電機(jī)頻率，f=np/60，N為繞組線圈單相串聯(lián)匝數(shù)；Kdp為基波繞組系數(shù)；Φ0為永磁體產(chǎn)生的每極基波磁通。

圖5給出了不同角度下的A相空載反電動(dòng)勢(shì)波形。當(dāng)機(jī)械裝置作用于調(diào)磁塊使之錯(cuò)開(kāi)6°和12°時(shí)，電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生改變，反電勢(shì)波形的形狀發(fā)生改變；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，A相的空載反電動(dòng)勢(shì)會(huì)相應(yīng)減小。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)磁塊錯(cuò)開(kāi)角度能有效調(diào)節(jié)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)大小。

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比圖

3.2 鐵心損耗

根據(jù)電機(jī)的損耗，我們不僅可以知道其工作效率，還能知道其溫度分布情況。電機(jī)性能與兩大因素密切相關(guān)，一個(gè)是鐵耗，另一個(gè)是銅耗，其中鐵耗是指渦流與磁阻的損耗，而銅耗是指在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，線圈中的銅線產(chǎn)生的損耗。損耗公式如下[8]：

pCu=I2Ra

(4)

(5)

(6)

式中：I為電樞繞組電流；Ra為電樞繞組的阻抗；pCu為銅耗；ph為磁滯損耗；pe為渦流損耗；Ch為鐵心的磁滯損耗系數(shù)；V為鐵心體積；Ce為鐵心的渦流損耗系數(shù)；CFe為鐵心的損耗系數(shù)。

不同旋轉(zhuǎn)角度下,磁滯損耗波形如圖6所示，渦流損耗如圖7所示。

圖6 磁滯損耗波形對(duì)比圖

鐵心中磁滯損耗和渦流損耗之和，稱為鐵心損耗，如圖8所示。

圖8 鐵心損耗波形對(duì)比圖

由以上波形可知，當(dāng)電機(jī)中的調(diào)磁塊旋轉(zhuǎn)角度越大，永磁體與調(diào)磁塊所產(chǎn)生的漏磁則越多，從而使定轉(zhuǎn)子鐵心中磁通密度減小，并降低材料的磁滯損耗和渦流損耗。

3.3 銅耗

在三相定子繞組接上電阻負(fù)載時(shí)，可得到三相繞組電流，同時(shí)產(chǎn)生銅耗，圖9給出了在轉(zhuǎn)過(guò)不同角度下的銅耗仿真結(jié)果。

圖9 電機(jī)銅耗波形對(duì)比圖

由圖9可知，電機(jī)的銅耗隨調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過(guò)的角度改變而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，弱磁效果越明顯，同時(shí)定子電流和電機(jī)的銅耗也會(huì)相應(yīng)地減小。

3.4 電機(jī)直軸電感與電流

計(jì)算永磁同步電機(jī)的電感時(shí)，一般認(rèn)為直交軸電感為完全解耦，直軸電感取決于直軸電流：

ψd=Ldid+ψm

(8)

ψq=Lqiq

(9)

式中：ψm代表永磁磁鏈。

圖10是直軸電感波形。通過(guò)添加負(fù)載，可得到直軸電感與電流關(guān)系，如圖11所示。

圖10 直軸電感波形圖

如圖10所示，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度時(shí)，直軸磁路產(chǎn)生一定的漏磁，且漏磁磁路比原交鏈的磁路更短，磁阻將變小，以致直軸電感減小。電感隨電流變化波形如圖11所示，當(dāng)直軸電流變大時(shí)，直軸電感也相應(yīng)增大。

圖11 直軸電感隨電流變化波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)漏磁式機(jī)械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的有限元分析與仿真，可得到以下結(jié)論：

1) 利用調(diào)磁塊可調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，電機(jī)弱磁效果越明顯。

2) 通過(guò)調(diào)磁塊的弱磁作用，可明顯減小電機(jī)的磁滯損耗、渦流損耗以及銅耗。在相同的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的效率有所提高。

3) 通過(guò)電機(jī)的弱磁與電機(jī)的損耗分析，驗(yàn)證了漏磁式機(jī)械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。