基于電磁負(fù)荷優(yōu)化的永磁同步電機(jī)過載能力研究

董春雷，董 菲，王 毅，安 翼，胡小飛

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(PMSM)以其高比功率、過載能力強(qiáng)以及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。隨著機(jī)電伺服技術(shù)的迅猛發(fā)展，在電動(dòng)汽車及航空航天等領(lǐng)域?qū)MSM的重量、體積以及過載能力提出了越來越高的要求[1-2]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PMSM的高過載能力開展了大量研究。哈工大、沈陽工大等高校相關(guān)學(xué)者所研制的PMSM最大電流密度可達(dá)25 A/mm2，短時(shí)功率密度可達(dá)2 kW/kg[3]。此外，相關(guān)學(xué)者還對(duì)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PMSM進(jìn)行研究，如超導(dǎo)電機(jī)、橫向磁通電機(jī)、以及混合勵(lì)磁開關(guān)磁鏈電機(jī)，均在一定程度上提高了PMSM電機(jī)的過載能力[4-6]。

本文將定子鐵心飽和以及電樞反應(yīng)兩個(gè)直接影響PMSM過載能力的因素作為研究重點(diǎn)。通過分析PMSM極槽配合、齒槽結(jié)構(gòu)以及磁鋼尺寸等參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)PMSM參數(shù)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，通過研究不同磁性材料對(duì)PMSM過載能力的影響，完成PMSM方案優(yōu)化，通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明理論與仿真分析結(jié)果的有效性。

1 PMSM過載能力參數(shù)分析

理想情況下，PMSM的轉(zhuǎn)矩-電流(T-I)曲線為一條斜率相同的直線段，即轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT不變。但實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著電流I與轉(zhuǎn)矩T的增加，定子鐵心逐漸出現(xiàn)飽和現(xiàn)象[7]，T-I曲線將由直線段變?yōu)轱柡投危琄T降低，如圖1所示。

圖1 PMSM負(fù)載T-I曲線

此外，由于PMSM負(fù)載電樞反應(yīng)的影響，PMSM負(fù)載運(yùn)行時(shí)電感參數(shù)會(huì)產(chǎn)生壓降，PMSM電壓方程為[8-9]

(1)

(2)

所以，為了進(jìn)一步提高PMSM的極限過載能力，需從以下幾點(diǎn)思路出發(fā)：

(1)合理優(yōu)化PMSM電感參數(shù)，降低PMSM過載運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)的影響，提升PMSM最大負(fù)載能力。

(2)降低定子鐵心飽和程度，使PMSM盡可能的工作于線性段，可通過對(duì)齒槽結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整，實(shí)現(xiàn)定子電磁負(fù)荷優(yōu)化，提升定子鐵心利用率。

(3)對(duì)不同鐵心材料的飽和工作點(diǎn)以及過載能力進(jìn)行分析，進(jìn)一步提升PMSM的極限過載能力。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PMSM過載能力的影響

PMSM阻抗參數(shù)與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)，因此開展8極9槽PMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過載能力的影響的分析。

2.1 定子內(nèi)外徑比優(yōu)化

對(duì)定子內(nèi)外徑比的分析實(shí)際是對(duì)PMSM電磁負(fù)荷分配進(jìn)行優(yōu)化研究，當(dāng)定子內(nèi)外徑比變大時(shí)，將提高PMSM電負(fù)荷所占比例，磁鋼磁負(fù)荷比例減小，反之則電負(fù)荷比例減小，磁負(fù)荷比例增加，保證定子外徑95 mm以及軸向長(zhǎng)度均不變，以鐵心35W270磁密達(dá)到飽和為電機(jī)扭矩過載極限，隨著定子內(nèi)外徑比變化時(shí)，電機(jī)扭矩過載能力對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同定子內(nèi)徑下的最大轉(zhuǎn)矩輸出

當(dāng)保持定子外徑不變時(shí)，隨著定子內(nèi)徑增加，PMSM的過載能力增加，當(dāng)定子內(nèi)徑為47.4 mm時(shí)，PMSM過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)最大值，當(dāng)定子內(nèi)徑進(jìn)一步增加，過載轉(zhuǎn)矩會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，原因在于隨著定子內(nèi)徑的外擴(kuò)，磁負(fù)荷增加，電負(fù)荷減小，當(dāng)內(nèi)徑為47.4 mm時(shí)，電磁負(fù)荷分配比例達(dá)到較優(yōu)。當(dāng)定子內(nèi)徑進(jìn)一步增加，由于磁負(fù)荷的遞增導(dǎo)致定子鐵心更易于達(dá)到飽和，因此就會(huì)影響PMSM的過載轉(zhuǎn)矩輸出。

3.報(bào)道過程上注重互動(dòng)性。尊重受眾主體地位，在報(bào)道中努力營造參與情境和氛圍。在電視新聞傳播中，最有效的方式是開掘人際傳播的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)節(jié)目主持人或記者與屏前觀眾的“面對(duì)面”交流。在新聞報(bào)道中把主持人和記者推到鏡頭前，在事件現(xiàn)場(chǎng)直接面對(duì)觀眾，現(xiàn)場(chǎng)播報(bào)、即興采訪以及評(píng)論、反饋等構(gòu)成新聞的主體信息?！叭穗H交流”具有很強(qiáng)的親和力，主持人或記者的言談舉止，加上事件現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過程，以最形象化、電視化的方式呈現(xiàn)在觀眾面前，既保持了新聞的原生態(tài)過程，也容易吸引觀眾的注意力，更重要的是讓觀眾感受到最為平等的傳播與接收狀態(tài)。[1]

2.2 齒槽寬度優(yōu)化

齒槽尺寸直接影響PMSM電磁負(fù)荷的分配，定子齒部與軛部飽和程度與PMSM過載能力直接相關(guān)。較大的槽面積可容納更多漆包線，提高PMSM的電負(fù)荷比例，但槽面積過大會(huì)造成鐵心齒部與軛部過飽和而影響PMSM的過載能力。此外，齒部和軛部尺寸偏大時(shí)，雖然磁負(fù)荷增加且鐵心不易飽和，但隨之帶來槽面積較小而導(dǎo)致PMSM電流過高銅損增加、電密較高、發(fā)熱嚴(yán)重以及鐵心利用率不高等問題而限制PMSM的過載轉(zhuǎn)矩，因此需合理優(yōu)化PMSM齒槽結(jié)構(gòu)尺寸。

對(duì)外徑為95 mm的PMSM不同齒槽尺寸配比進(jìn)行參數(shù)化仿真分析，PMSM基本參數(shù)如表1所示。

表1 8極9槽PMSM基本參數(shù)

同樣，以定子鐵心磁密達(dá)到飽和來表征PMSM的過載能力達(dá)到極限，對(duì)定子鐵心不同齒寬下的極限輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行參數(shù)化仿真，如圖3所示。

圖3 不同定子齒寬下PMSM極限輸出轉(zhuǎn)矩

隨著定子齒寬增加，由于定子內(nèi)外徑保持不變，因此定子槽面積減小。PMSM極限輸出轉(zhuǎn)矩先隨著定子齒寬增加而增加，當(dāng)齒寬為10.5 mm時(shí)，極限輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到較大值，隨著齒寬的進(jìn)一步增加，極限輸出轉(zhuǎn)矩反而降低，而銅損耗PCu一直呈增加趨勢(shì)，原因在于齒寬增加將壓縮定子槽面積，為保證相同轉(zhuǎn)速下的電壓利用率，因此在較小槽面積的情況下為保證PMSM反電勢(shì)輸出，保證匝數(shù)不變，降低并繞根數(shù)，因此繞組電阻增加，隨之導(dǎo)致銅損PCu增加，當(dāng)銅損增加量大于轉(zhuǎn)矩增加量時(shí)，PMSM極限輸出轉(zhuǎn)矩隨之降低。

2.3 磁鋼厚度優(yōu)化

磁鋼作為磁勢(shì)源為PMSM提供氣隙磁場(chǎng)磁通。隨著磁鋼厚度增加，氣隙磁場(chǎng)磁通增加，PMSM磁負(fù)荷增加，PMSM過載能力增加。由于永磁體的磁導(dǎo)率近似與空氣相同，隨著磁鋼厚度增加，磁阻率增加，磁導(dǎo)降低，使得繞組電感降低，可降低電樞反應(yīng)的影響，因此也可進(jìn)一步提升PMSM的過載能力，隨著磁鋼厚度增加，磁鋼厚度對(duì)輸出力矩與電感的影響如圖4所示。

圖4 不同磁鋼厚度下PMSM極限輸出轉(zhuǎn)矩與電感

保證轉(zhuǎn)子外徑不變，隨著磁鋼厚度增加，轉(zhuǎn)子磁軛厚度降低，PMSM極限轉(zhuǎn)矩先增加，電感呈下降趨勢(shì)。當(dāng)厚度為4.8 mm時(shí)，極限轉(zhuǎn)矩達(dá)到30.26 Nm。電感降為0.368 mH，當(dāng)磁鋼厚度進(jìn)一步增加，PMSM電感降低幅度減小，說明磁鋼厚度對(duì)電感的變化影響降低，直至不變，而極限轉(zhuǎn)矩增加幅度降低直至近似達(dá)到恒定值。主要原因在于隨著磁鋼厚度增加，由于磁鋼磁導(dǎo)率與空氣近似一致，因此磁阻與磁鋼厚度呈正比，磁阻增加，磁導(dǎo)降低，電抗降低，可降低電樞反應(yīng)的影響。但隨著磁軛厚度降低，會(huì)導(dǎo)致鐵心更易飽和，因此當(dāng)磁鋼厚度大于4.8 mm時(shí)，由于鐵心飽和與電樞反應(yīng)的綜合影響，PMSM極限輸出轉(zhuǎn)矩增幅降低，直至達(dá)到恒定，因此當(dāng)磁鋼厚度為4.8 mm時(shí)，PMSM理論輸出轉(zhuǎn)矩大大最大值，相電感仿真值為0.368 mH。

3 軟磁材料對(duì)PMSM過載能力的影響

目前常用的35W270硅鋼片磁密達(dá)到飽和時(shí)，此時(shí)PMSM在T-I曲線非線性飽和段運(yùn)行，非線性飽和段的T-I曲線斜率很低，在此種情況下，需注入很大的電流才能繼續(xù)提升PMSM轉(zhuǎn)矩，PMSM在非線性飽和段運(yùn)行將嚴(yán)重抑制電機(jī)的過載能力。因此提升T-I曲線直線段即非飽和段的占比，這可有效提升PMSM過載能力。因此針對(duì)以上分析對(duì)不同硅鋼片材料對(duì)PMSM的過載能力的影響進(jìn)行分析。本文對(duì)冷軋無取向硅鋼片35W270、20WTG1500以及鐵鈷釩軟磁合金1J22三種鐵心材料的非飽和段占比以及對(duì)PMSM的過載能力影響進(jìn)行分析。通過對(duì)PMSM內(nèi)外徑比、齒槽寬度以及永磁體磁鋼厚度優(yōu)化，最終優(yōu)化后的PMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后PMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)PMSM參數(shù)進(jìn)行仿真模型建立，如圖5所示。

圖5 PMSM電機(jī)仿真模型

對(duì)PMSM進(jìn)行負(fù)載性能仿真，如圖6～圖8所示。以PMSM輸出轉(zhuǎn)矩12.6 Nm為額定工作點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速分別為12.6 Nm，6650 r/min時(shí)，其相電流有效值為41 A，此時(shí)電流密度為13.6 A/mm2，定子鐵心最高磁密約為1.56 T。

圖7 12.6 Nm負(fù)載電壓曲線

圖8 12.6 Nm負(fù)載磁密云圖

保證PMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，分別對(duì)三種鐵心材料的T-I曲線進(jìn)行仿真對(duì)比，如圖9所示。

圖9 三種鐵心材料T-I曲線

從仿真結(jié)果可看出，與35W270相比，20WTG1500變化趨勢(shì)類似，相同電流下轉(zhuǎn)矩略有提升，但提升幅度不大。1J22相較于其他兩種材料轉(zhuǎn)矩提升幅度較大，當(dāng)電流大于90 A時(shí)，從圖9中3種鐵心材料的T-I曲線斜率可看出，35W270與20WTG1500逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)相較于1J22下降幅度更大，1J22鐵心材料飽和工作點(diǎn)更高，飽和程度更低，相同電流下過載轉(zhuǎn)矩明顯提升。

4 PMSM過載能力試驗(yàn)研究

基于PMSM電磁結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化以及軟磁材料硅鋼片對(duì)電機(jī)性能的影響分析，根據(jù)優(yōu)化方案研制了3臺(tái)不同鐵心材料的PMSM樣機(jī)，如圖10所示。接下來搭建了樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，如圖11所示，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行過載能力試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖10 三種不同鐵心材料電機(jī)樣機(jī)

圖11 電機(jī)負(fù)載測(cè)試平臺(tái)

通過表3與圖12的試驗(yàn)測(cè)試與仿真T-I曲線對(duì)比可知，相電流55 A以后，隨著電流進(jìn)一步增加，3種鐵心材料逐漸進(jìn)入飽和工作段，但相較于35W270和20WTG1500，1J22鐵心飽和程度更低，相同電流下過載能力更強(qiáng)。對(duì)不同材料PMSM相電感進(jìn)行測(cè)量，如表4所示。

表3 不同鐵心材料負(fù)載測(cè)試對(duì)比

圖12 試驗(yàn)與仿真T-I對(duì)比

表4 PMSM相電感測(cè)量結(jié)果

由相電感測(cè)量結(jié)果可知，由于PMSM外接引線的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果偏大，但與仿真結(jié)果相近，證明通過優(yōu)化磁鋼厚度降低電感的有效性，但通過對(duì)比3種軟磁材料的電感參數(shù)，再由圖9與圖12的T-I曲線可知，由于1J22軟磁材料的飽和工作點(diǎn)更高，達(dá)到飽和時(shí)的磁密達(dá)到2.2T，與35W270和20WTG1500兩種軟磁材料的1.9T的飽和磁密相比，1J22磁導(dǎo)更大，因此1J22相電感實(shí)測(cè)值較大。

當(dāng)為2倍過載時(shí)，3種鐵心材料過載轉(zhuǎn)矩系數(shù)如表5所示。

表5 二倍過載下轉(zhuǎn)矩系數(shù)對(duì)比

與傳統(tǒng)35W270鐵心材料相比，鐵鈷釩軟磁合金1J22鐵心材料轉(zhuǎn)矩系數(shù)可提升15%。文獻(xiàn)[3]實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.24，本文所采用的1J22鐵心材料對(duì)過載時(shí)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.284。將35W270鐵心的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知轉(zhuǎn)矩系數(shù)稍低，主要原因在于仿真分析忽略電機(jī)鐵心的渦流損耗，使得仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異，但變化趨勢(shì)相同，因此負(fù)載測(cè)試結(jié)果證明了上述分析計(jì)算的有效性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)影響PMSM過載能力的因素進(jìn)行研究，首先通過優(yōu)化定子內(nèi)外徑比、齒槽寬度以及永磁體磁鋼厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成PMSM電磁負(fù)荷優(yōu)化分配，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)定子內(nèi)外徑比為1.9～2.0時(shí)，PMSM最大電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)到較優(yōu)值。

(2)通過齒槽寬度的參數(shù)優(yōu)化，可在一定范圍內(nèi)降低鐵心飽和程度，提升PMSM的過載能力。

(3)通過增加永磁體磁鋼厚度，可有效降低PMSM電感，從而降低電樞反應(yīng)對(duì)PMSM過載能力的影響，進(jìn)一步提升最大負(fù)載力。

通過對(duì)比不同軟磁材料沖片對(duì)PMSM的過載能力影響，得出了相較于傳統(tǒng)35W270和20WTG1500，1J22高飽和軟磁合金因其材料本身飽和工作點(diǎn)更高，因此當(dāng)PMSM過載運(yùn)行時(shí)，1J22鐵心材料對(duì)過載轉(zhuǎn)矩系數(shù)的提升效果更明顯，可有效提升PMSM的過載能力。

本文闡明了在一定范圍內(nèi)降低鐵心飽和程度、降低電樞反應(yīng)電抗以及高飽和工作點(diǎn)軟磁材料的應(yīng)用可有效提升PMSM的過載能力的研究思路。但對(duì)高飽和軟磁材料的電樞反應(yīng)電抗的參數(shù)優(yōu)化有待于進(jìn)一步深入研究。本文的優(yōu)化分析方法對(duì)短時(shí)高過載PMSM設(shè)計(jì)具有重要的工程借鑒意義。