一種提高永磁牽引電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的新結(jié)構(gòu)

陳麗香 張兆宇 唐任遠(yuǎn)

（沈陽工業(yè)大學(xué)國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 沈陽 110870）

1 引言

電機(jī)“弱磁”擴(kuò)速時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為[1]

式中n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

p——電機(jī)極對數(shù)；

ulim——極限電壓；

Lq——交軸同步電感；

Ld——直軸同步電感；

iq——交軸電流；

id——直軸電流；

ψf——空載永磁磁鏈。

所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為

由式（1）、式（2）可知，可以通過減少交軸同步電感Lq、增加直軸同步電感Ld、增大電機(jī)的極限電壓ulim和極限電流ilim、減少永磁磁鏈ψf等措施來提高弱磁效果，在這些措施中，增加直軸電感Ld最為理想，因此解決弱磁擴(kuò)速問題的關(guān)鍵在于永磁牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。近年來，為提高永磁牽引電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，許多學(xué)者紛紛提出了一些轉(zhuǎn)子磁路上的設(shè)計(jì)思想[2]。如采用復(fù)合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增加永磁磁阻段，在一定程度上提高了弱磁擴(kuò)速能力[3]，但這種結(jié)構(gòu)致命的缺點(diǎn)就是功率密度犧牲得太多，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制；在表面凸出式轉(zhuǎn)子的外面加上軛鐵，并在磁極間增加了磁障，使得電機(jī)的直軸電感有所增大，弱磁擴(kuò)速能力有所提高[4]；此外，還有采用漏磁磁路弱磁等其他方法提高弱磁擴(kuò)速能力[5]，但總體上來看不是弱磁效果不明顯就是會帶來其他嚴(yán)重的負(fù)面影響，均有待于深入研究。

2 提高弱磁擴(kuò)速能力的轉(zhuǎn)子磁路

為提高弱磁擴(kuò)速能力，本文提出一種新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)——內(nèi)置分段式結(jié)構(gòu)。為便于分析，將該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中弱磁擴(kuò)速能力相對較強(qiáng)的內(nèi)置式徑向磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，電機(jī)模型的具體參數(shù)及所用永磁體的參數(shù)見表1和表 2，兩種結(jié)構(gòu)的沖片如圖1和圖2所示。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定以后，通過Ansoft電磁場分析計(jì)算軟件對比了兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形和弱磁擴(kuò)速性能，兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形及諧波分析如圖 3～圖 6所示。由兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形及諧波分析可以看出，新結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形略好于內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形，但還不是很理想，主要原因是本次設(shè)計(jì)的樣機(jī)體積小，轉(zhuǎn)子空間有限無法進(jìn)行更優(yōu)的分段設(shè)計(jì)，空載氣隙磁通密度波形不能進(jìn)一步優(yōu)化，對于功率等級大一點(diǎn)的樣機(jī)，可進(jìn)一步分段優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高氣隙磁通密度波形的正弦度。

表1 樣機(jī)額定數(shù)據(jù)Tab.1 Rating data of prototype

表2 永磁體數(shù)據(jù)Tab.2 Permanent magnet data

圖1 內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子沖片F(xiàn)ig.1 Rotor lamination of interior radial structure

圖2 新型分段結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子沖片F(xiàn)ig.2 Rotor lamination with novel segmented structure

圖3 內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度Fig.3 No-load air-gap flux density of interior radial structure

圖4 新型分段結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度Fig.4 No-load air-gap flux density of novel segmented structure

圖5 內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)氣隙磁通密度波形的諧波分析Fig.5 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of interior radial structure

圖6 新型分段結(jié)構(gòu)氣隙磁通密度波形的諧波分析Fig.6 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of novel segmented structure

永磁牽引電機(jī)在等效直軸去磁狀態(tài)下的氣隙磁通密度波形下凹得越厲害，說明弱磁效果越好，本文分析了兩種結(jié)構(gòu)在等效直軸去磁狀態(tài)下的氣隙磁通密度波形，如圖7、圖8所示。

圖7 內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)等效去磁狀態(tài)下的氣隙磁通密度Fig.7 Air-gap flux density of interior radial structure under equivalent demagnetization status

圖8 新型分段結(jié)構(gòu)等效去磁狀態(tài)下的氣隙磁通密度Fig.8 Air-gap flux density of novel segmented structure under equivalent demagnetization status

由圖 7、圖8不難發(fā)現(xiàn)在等效去磁狀態(tài)下，新型分段結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形下凹幅度明顯大于普通內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的氣隙磁通密度波形，因此新型分段結(jié)構(gòu)的弱磁擴(kuò)速能力要優(yōu)于普通內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)計(jì)算值見表3。

表3 兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Parameter results of two structures

由表3可以看出內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)的直軸電樞反應(yīng)電感是內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的 195.76%，因此有利于提高電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。

定子漏電感主要包括定子槽漏電感、定子端部漏電感、定子諧波漏電感、定子斜槽漏電感四個(gè)部分，定子漏電感由傳統(tǒng)公式計(jì)算所得，考慮到本文所設(shè)計(jì)的兩個(gè)電機(jī)所用的定子完全相同，因此定子漏感取相同計(jì)算值，具體計(jì)算如下：

漏抗系數(shù)定子槽比漏磁導(dǎo)

定子槽漏抗

定子諧波漏抗

定子端部漏抗

定子斜槽漏抗

定子漏抗

由上述公式計(jì)算得到兩個(gè)電機(jī)的定子漏電感為0.8662mH，因此內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的直軸電感dL為3.1098mH，內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)的直軸電感dL為5.2582mH。

由公式

表4 兩種結(jié)構(gòu)不同最高轉(zhuǎn)速的所需要的直軸電流計(jì)算結(jié)果Tab.4 D-axis current results of two structures corresponding to different highest speeds

由表4可以看出，在相同理想最高轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)所需的直軸電流ilim2明顯小于內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)所需的直軸電流ilim1，采用內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)能夠以較小的直軸電流換取更高的轉(zhuǎn)速，比如當(dāng)ilim1= 1 3.992A時(shí)，nmax1= 2 000r/min，ilim2=13.083A時(shí)，nmax2= 3 000r/min，ilim1/ilim2×100%=93.5%、nmax2/nmax1×100%=150%，因此內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)更有利于提高弱磁擴(kuò)速能力。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述的分析結(jié)果，制作了兩臺電機(jī)，一臺采用普通內(nèi)置徑向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)；另一臺采用本文提出的分段式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。內(nèi)置分段式結(jié)構(gòu)在弱磁擴(kuò)速能力得到提高的同時(shí)，由于氣隙磁通密度的降低，帶來額定電流及熱負(fù)荷的增加，本文對此提出了定子繞組加匝的解決方案。通過試驗(yàn)測試得到兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的電感數(shù)據(jù)見表5。

表5 電感測量數(shù)據(jù)Tab.5 Inductance measurements

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，本文提出的內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)能夠增加永磁牽引電機(jī)的直軸電感，有利于提高永磁牽引電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能。在對樣機(jī)的電感測量基礎(chǔ)之上，本文對樣機(jī)進(jìn)行了空載弱磁擴(kuò)速試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6，圖 9則給出了轉(zhuǎn)速與電流的關(guān)系曲線。

表6 弱磁擴(kuò)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Test data of flux-weakening level

圖9 轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between speed and current

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)電流同為 2A時(shí)，內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的 1.4倍。可以驗(yàn)證本文提出的內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)永磁牽引電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能要優(yōu)于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁牽引電機(jī)。對兩種結(jié)構(gòu)的樣機(jī)進(jìn)行了完整的電機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)主要性能指標(biāo)見表7。

表7 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 Test data of prototype

開發(fā)的樣機(jī)采用F級絕緣，樣機(jī)的溫升滿足要求，效率與功率因數(shù)也滿足樣機(jī)性能指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種可有效增大直軸電感的內(nèi)置分段式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，經(jīng)Ansoft電磁場分析計(jì)算，弱磁擴(kuò)速能力明顯提高。通過樣機(jī)試驗(yàn)的對比分析，內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)的直軸電感比內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)大了76%，當(dāng)電流同為2A時(shí)，內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為內(nèi)置徑向結(jié)構(gòu)的 1.4倍，驗(yàn)證了內(nèi)置分段結(jié)構(gòu)可有效提高永磁牽引電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能，且樣機(jī)其他性能滿足設(shè)計(jì)要求。

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