开关磁通永磁同步电机的结构参数研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇开关磁通永磁同步电机的结构参数研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要:以一台三相12/10极样机为例,介绍了一种磁通切换型双凸极永磁同步电机的结构特点和运行原理,并基于有限元法,详细研究了其结构参数气隙和永磁体厚度对电机性能的影响,具体包括对电机高速运行时的弱磁控制和电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩波动、定位力矩电机系统的机械特性和输出功率等。通过分析得出了对磁通切换型永磁电机气隙及永磁体厚度的选择原则,所得结果为该种电机的设计、性能分析以及运行控制等建立了基础。

关键词:磁通切换; 永磁电机; 结构参数; 气隙; 永磁体

中图分类号:TN710-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)21-0162-03

Study on Structure Parameters of Flux-Switching Permanent Magnet Synchronous Motor

SUO Lai-chun, YAN Shen-wu, ZHANG Xing, ZHANG Zhi-qiang

(Advanced Manufacturing Technology Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: A flux-switching permanent magnet (FSPM) machine with double-convex structure is introduced, and the special topology principle is analyzed by taking a 3-phase 12/10-pole FSPM machine as an example. Based on the finite element analysis, the influence of the structure parameters (including the airgap and permanent magnet thickness) on the motor′s properties are studied. The selection principle of the airgap and permanent magnet thickness of the flux-switching permanent magnet motor is obtained with the study. The results set up a foundation for designing, performance analysis and operational control of this kind of motor.

Keywords: flux-switching; permanent magnet motor; structural parameter; airgap; permanent magnet

0 引 言

普通永磁电机的永磁体安装在转子,为了防止高速运行时磁钢受到离心力的影响而甩落,通常在转子上都装有不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置,但该装置会引起散热困难,而温升最终可能会导致永磁体发生不可逆退磁,限制电机出力,减小功率密度等[1]。

为解决上述问题,1955年就有学者开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机[2]。1992年Lipo教授提出了一种新型双凸极永磁(DSPM)电机[3-4];1997年另一种新型磁通切换型永磁(FSPM)电机也被提出。国内外先后有许多高校对这两种电机进行了研究,现有文献主要介绍了FSPM电机的基本结构特点、工作原理和静态电磁特性,但对FSPM的结构参数报道相对较少。本文的主要目的就是以一台12/10极FSPM电机为例,分析气隙及永磁体厚度等结构参数对电机性能的影响。

1 电机结构

图1是一台12/10极FSPM电机截面图,其结构与开关磁阻永磁同步电机类似[5-6]。定、转子均为凸极齿槽结构,转子既无线圈绕组,亦无永磁体;定子和转子铁心由硅钢片叠压而成,在电机定子相邻的两个U型叠片间镶有永磁体,组成一个定子齿,定子上采用集中绕组形式,空间相对的四个定子齿上的绕组串联构成┮幌嗒,形成三相绕组,采用星型连接。

图1 12/10极FSPM结构模型

2 运行原理

开关磁通永磁同步电机的工作原理与开关磁阻电机非常相似,转矩具有磁阻性质,电机运行原理遵循“磁阻最小原理”,即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,因磁场的扭曲而产生切向磁拉力,形成电磁转矩。

图2为截取的一个定转子齿单元,该图可以清晰地解释电机运行过程中定子电枢绕组的磁通切换过程。转子极中心线分别与同一定子极下左、右铁心中心线重合,当转子从一个位置移动到另一个位置时,电枢绕组里匝链的磁通在数量上保持不变,但方向反向,也就是实现了所谓的磁通切换(Flux-Switching)。由此可知,开关磁通永磁同步电机的每相永磁磁链为双极性,这是开关磁通永磁同步电机的一个特性[7-8]。开关磁通永磁同步电机的结构特点保证了其每相永磁磁链及相应的反电势波形在一个转子极距(36°)内接近正弦分布,可采用如图3所示的正弦波电流供电方式运行。

图2 电机磁通切换示意图

图3 电机运行原理

3 结构参数对电机性能的影响

3.1 气隙对电机特性的影响

本文以定子内径为55 mm,其他尺寸参数不变时,分别取气隙单边长度δ为0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm,0.6 mm,0.7 mm对电机的自感、定位力矩、平均电磁转矩以及相对力矩波动瞬时转矩进行分析,以考查电机的特性。

电机电感公式:

Ld=ΛdN2ph

Lq=ΛqN2ph

(1)

在FSPM电机结构尺寸确定后,其合成气隙磁导不随转子位置角的变化而改变,只与气隙长度有关,随气隙的改变作相应的变化。图4为仿真得到不同气隙长度下A相的自感。

永磁电机的共同特点,由于气隙的不均匀现象使电机存在着力矩波动。由前面的推导可以知道,电机转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成。从另一角度考虑,基于对永磁磁链和电枢反应磁链的计算可以知道,电机的瞬时转矩可以表示为:

Te=Tr+Tm-Tcog

(2)

电机电磁瞬时转矩由变化的电感产生磁阻转矩Tr,由永磁磁链和电枢反应磁链的相互作用得到永磁转矩Tm和电机定位力矩Tcog。

图4 不同气隙长度电机A相自感

由于电机为12/10极的定转子结构,定位力矩以6°机械角为周期,因此分析电机的定位力矩,只考虑6°机械角范围内定位力矩波动情况。由此分别得到了如┩5所示的电机定位力矩、平均电磁转矩和相对力矩波动。

由图5知,电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少;在其他条件相同的前提下,增大电机气隙,可以提高电机的运动平稳性;增大电机气隙,会减少电机的电感,因此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行;增大电机气隙还会降低电机系统机械特性和输出功率。

图5 不同气隙长度仿真结果

3.2 永磁体厚度对电机特性的影响

开关磁通永磁同步电机的永磁磁钢采用钕铁硼永磁材料制作,其退磁曲线可近似为一条直线,该种材料具有很高的剩余磁感应强度和很高的磁能积及矫顽力,是目前性能最好的永磁材料。磁钢磁化方向平均长度hm对电机磁路磁势Fm有着直接影响,与电机特性有着密切的关系。

在电机其他结构不变,气隙长度取0.5 mm,永磁体磁化方向厚度hm分别取2.0 mm,2.4 mm,2.6 mm,2.8 mm,3.2 mm时,考察电机的静态特性和稳态运行特性。

由仿真可以得到图6所示的不同永磁体厚度下A相永磁磁链、电机的定位力矩、平均电磁力矩以及相对力矩波动结果。

图6 不同永磁体厚度仿真结果

由以上分析知,对于不同永磁体磁化方向厚度为hm的电机,在其他条件相同的情况下,hm大的电机,其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加。但是电机的定位力矩大,使得电机力矩瞬时波动大,电机的平稳性较差,而且当hm增大时,Ф电机永磁磁链将变大,电机的弱磁控制难度也将加大,不利于电机高速运行。所以永磁体厚度的选择上要综合考虑电机输出力矩、力矩波动和弱磁控制的影响。

4 结 论

(1) 电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少;在其他条件相同的前提下,增大电机气隙,可以提高电机的运动平稳性。

(2) 增大电机气隙会减少电机的电感,因此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行。此外,增大电机气隙还会降低电机系统的机械特性和输出功率。

(3) 在其他条件相同的情况下,对于永磁体磁化方向厚度hm大的电机,其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加,这有利于提高功率。

(4) 当电机永磁体磁化方向厚度hm大时,电机的定位力矩大,使得电机力矩瞬时波动大,电机的平稳性较差。此外,永磁磁链也将变大,电机的弱磁控制难度加大,不利于电机高速运行。

参考文献

[1]HUA Wei, CHENG Ming. Inductance characteristics of 3-phase flux-switching permanent magnet machine with doubly-salient structure [J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2007, 22(11): 21-28.

[2]陆炜,程明,花为,等.新型两相磁通切换型永磁电动机调速系统建模与仿真研究[J].微电机,2007,40(7):1-6.

[3]花为,程明.新型三相磁通切换型双凸极永磁电机电感特性分析[J].电工技术学报,2007(7):21-28.

[4]HUA Wei, CHENG Ming, ZHU Z Q, et al. Study on static characteristics of a novel two-phase flux-switching doubly-salient permanent magnet machine [J]. Transactions of China Electro Technical Society, 2006, 21(6): 70-77.

[5]米梦冬,周雅夫.混合动力汽车用双凸极永磁电机的研究[D].大连:大连理工大学,2006.

[6]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7]PANG Y, ZHU Z Q, HOWE D, et al. Eddy current loss in the frame of a flux-switching permanent magnet machine [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(10): 3413-3415.

[8]花为,程明,ZHU Z Q,等.新型磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究[J].中国电机工程学报,2006,26(13):129-134.

[9]ZHU Z Q, PANG Y, HOWE D, et al. Analysis of electromagnetic performance of flux-switching permanent-magnet machines by nonlinear adaptive lumped parameter magnetic circuit Model [J]. IEEE Trans. on Magnetics, 2005, 41(11): 4277-4287.

[10]胡勤丰,严仰光.永磁式双凸极电机稳态特性研究[D].南京:南京航空航天大学,2005.

[11]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,2000.