雙定子永磁同步電機(jī)空載漏磁系數(shù)計(jì)算與研究

劉志華， 彭雙光， 李志平

(湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南 株洲 412006)

0 引言

雙定子永磁同步電機(jī)是在傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)上增加一個(gè)定子的一種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)。運(yùn)用雙定子的新型的電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以有效地利用電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間，在不增加電機(jī)外定子直徑的情況下，提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力、提高電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，具有一定的容錯(cuò)運(yùn)行能力[1]。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、軌道交通車輛牽引電機(jī)等場(chǎng)合使用雙定子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

空載漏磁系數(shù)是反應(yīng)永磁同步電機(jī)性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，通過空載漏磁系數(shù)的大小可以看出電機(jī)永磁體的利用率和電機(jī)磁路設(shè)計(jì)的合理性[2]。電機(jī)空載漏磁系數(shù)小時(shí)，電機(jī)極間漏磁少，永磁體的利用程度高，使用較少的永磁體就能達(dá)到電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，可以減少成本。但是空載漏磁系數(shù)過小會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電樞反應(yīng)系數(shù)增大，在負(fù)載時(shí)使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，使電機(jī)的輸出電流和電壓發(fā)生波動(dòng)，更嚴(yán)重的是大的電樞反應(yīng)電流會(huì)導(dǎo)致永磁體的不可逆退磁[3]?？蛰d漏磁系數(shù)大，會(huì)使電機(jī)的漏磁增大，永磁體不能充分利用，要達(dá)電機(jī)的設(shè)計(jì)性能就必須使用更多的永磁體，造成了材料的浪費(fèi)和電機(jī)生產(chǎn)成本的增加，但是空載漏磁系數(shù)大可以提高電機(jī)的抗電樞反應(yīng)去磁能力和穩(wěn)定性[4,5]。因此電機(jī)空載漏磁系數(shù)必須設(shè)計(jì)合理，既不能過大也不能過小，必須綜合分析電機(jī)各項(xiàng)性能后取最佳值。

1 雙定子永磁電機(jī)分析模型建立

文章以大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙定子永磁電機(jī)空載漏磁系數(shù)的計(jì)算分析模型。在一個(gè)2 MW的內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中插入一臺(tái)1.5 MW的外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)共同使用一個(gè)轉(zhuǎn)子，構(gòu)成一臺(tái)額定功率為3.5 MW的雙定子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減少計(jì)算量和加快計(jì)算速度，同時(shí)考慮到電機(jī)的磁場(chǎng)是對(duì)稱分布，可以將電機(jī)劃分成若干個(gè)單元取其中一個(gè)單元進(jìn)行分析就可以了。1/12的網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

將雙定子電機(jī)模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，進(jìn)行空載磁場(chǎng)分析。雙定子電機(jī)各相繞組空載電流、電機(jī)磁力線分布圖如圖2、圖3所示。圖2外定子繞組空載相電流幅值為65 uA,內(nèi)定子幅值為49 uA，可近似認(rèn)為等于0。在圖3中磁力線分布按相鄰兩個(gè)磁極中間的徑向軸線對(duì)稱分布，磁力線路徑與轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的磁通路徑一致，磁力線最大值出現(xiàn)在兩個(gè)相鄰磁極之間和氣隙交界處，相鄰磁極間存在少量的漏磁通，電機(jī)磁路設(shè)計(jì)合理。

圖2 雙定子電機(jī)空載相電流

圖3 雙定子電機(jī)磁力線分布圖

2 雙定子永磁同步電機(jī)空載漏磁系數(shù)計(jì)算

使用解析法對(duì)永磁同步電機(jī)的等效磁路圖進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化后，得出了永磁同步電機(jī)空載漏磁系數(shù)的計(jì)算公式[6]，只要代入不同電機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)就可以算出其空載漏磁系數(shù)。這種方法與以前常用的查表法相比更加的簡(jiǎn)單精確，可以用于常規(guī)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)空載漏磁系數(shù)計(jì)算。但是對(duì)于雙定子電機(jī)并不適用，因?yàn)樵谄涞刃Т怕返姆治鲞^程中沒有考慮到內(nèi)外定子電機(jī)磁路之間的相互影響，如果套用此公式不能準(zhǔn)確得出電機(jī)空載漏磁系數(shù)。

文章中使用有限元法對(duì)雙定子電機(jī)空載漏磁系數(shù)的進(jìn)行求解，將電機(jī)分為外定子電機(jī)和內(nèi)定子電機(jī)兩個(gè)部分，外定子電機(jī)空載漏磁系數(shù)是轉(zhuǎn)子外側(cè)永磁體的利用率，用σw表示；內(nèi)定子電機(jī)空載漏磁系數(shù)是內(nèi)側(cè)永磁體的利用率，用σn表示。在雙定子電機(jī)內(nèi)外氣隙內(nèi)各取4個(gè)點(diǎn)，具體位置如圖4所示。利用磁矢位法求得內(nèi)氣隙1、2、3、4以及外氣隙5、6、7、8點(diǎn)的磁矢位值，根據(jù)公式(1)求出內(nèi)外電機(jī)空載漏磁系數(shù)。

(1)

圖4 雙定子電機(jī)空載漏磁系數(shù)求解模型

仿真結(jié)果如圖5所示。A1和A2是圖中點(diǎn)1、2位置的磁矢位值，取外氣隙永磁體產(chǎn)生的磁矢位值最大點(diǎn)，且值正負(fù)相反。A3與A4代表3、4處的磁矢位值，一般取氣隙中磁矢位值最小處，內(nèi)定子電機(jī)5、6、7、8點(diǎn)的含義與外定子電機(jī)相同。利用有限元分析軟件的靜態(tài)磁場(chǎng)求解器，可求得電機(jī)磁力線分布圖。然后在軟件后處理器中得出各點(diǎn)的磁矢位值如表1所示，將表1中的數(shù)據(jù)代入公式(1)中，求得σw為1.034 3，σn的值是1.037 8。

圖5 空載仿真結(jié)果

表1 雙定子電機(jī)各點(diǎn)磁矢位值

3 雙定子電機(jī)空載漏磁系數(shù)的規(guī)律

3.1 氣隙長(zhǎng)度

氣隙長(zhǎng)度的變化對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)性能有著重要的影響。以電機(jī)外氣隙的空載漏磁參數(shù)為例，保持電機(jī)其他參數(shù)不變，改變外氣隙長(zhǎng)度，研究氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響。由于內(nèi)外定子電機(jī)在結(jié)構(gòu)上相似，僅分析改變外定子電機(jī)氣隙長(zhǎng)度值變化的情況，得出的規(guī)律也符合內(nèi)定子空載漏磁系數(shù)的變化趨勢(shì)。外空載漏磁系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2，變化趨勢(shì)如圖6所示。

表2 空載漏磁系數(shù)隨外電機(jī)氣隙長(zhǎng)度的變化值表

圖6 外空載漏磁系數(shù)隨氣隙長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)圖

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)空載漏磁系數(shù)值隨電機(jī)氣隙長(zhǎng)度的增加而變大，圖6中顯示空載漏磁系數(shù)的變化隨氣隙的加大呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)闅庀堕L(zhǎng)度增加，電機(jī)的磁通路徑長(zhǎng)度增長(zhǎng)，導(dǎo)致主磁路的磁阻變大，由于電機(jī)其他參數(shù)不變，其極間磁阻固定不變，因此氣隙增加空載漏磁系數(shù)增大。

3.2 永磁體磁化長(zhǎng)度

以外電機(jī)為例。改變電機(jī)轉(zhuǎn)子軛外側(cè)永磁體的厚度，其他參數(shù)不變，分析永磁體厚度對(duì)空載漏磁系數(shù)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 空載漏磁系數(shù)隨外電機(jī)永磁體厚度的變化值表

圖7為外空載漏磁系數(shù)隨永磁體厚度改變的變化情況，其規(guī)律呈先增加后減小的趨勢(shì)，在永磁體厚度為26 mm時(shí)外空載漏磁系數(shù)最小。外空載漏磁系數(shù)整體變化不大，最小值到最大值僅變大了21%，可見永磁體厚度的變化對(duì)空載漏磁系數(shù)的影響是不明顯的，這是因?yàn)橛来朋w厚度增加，電機(jī)主磁通磁阻變大的同時(shí)極間漏磁的磁阻也變大了。

圖7 外空載漏磁系數(shù)隨永磁體厚度改變的變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

空載漏磁系數(shù)是反應(yīng)電機(jī)永磁整體利用率的一個(gè)重要參數(shù)，但是無論是解析法還是查表法都無法準(zhǔn)確計(jì)算出雙定子這一特殊的結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載漏磁系數(shù)。文章使用有限元法分別求出了雙定子電機(jī)內(nèi)外空載漏磁系數(shù)，考慮到了電機(jī)內(nèi)外磁場(chǎng)的相互影響，準(zhǔn)確度較高。分析了氣隙長(zhǎng)度和永磁體厚度對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響，得出了雙定子永磁同步電機(jī)空載漏磁系數(shù)會(huì)隨氣隙長(zhǎng)度的增加變大，而永磁體厚度的變化對(duì)其影響不大的結(jié)論。