磁阻轉(zhuǎn)矩對永磁電機(jī)性能的影響分析

沈陽航天新光集團(tuán)有限公司 張景峰 倪瑞林 申春艷 韓 冬

磁阻轉(zhuǎn)矩對永磁電機(jī)性能的影響分析

沈陽航天新光集團(tuán)有限公司 張景峰 倪瑞林 申春艷 韓 冬

永磁同步電機(jī)由于交直軸磁路存在差異會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，而磁阻轉(zhuǎn)矩的利用情況對于電機(jī)的過載能力、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度都有一定影響。本文以一臺(tái)190kW永磁同步電機(jī)作為研究內(nèi)容，將解析法與有限元計(jì)算相結(jié)合，分別分析了其在含有磁阻轉(zhuǎn)矩分量和沒有磁阻轉(zhuǎn)矩分量下電機(jī)整體性能的變化。

永磁同步電機(jī)；磁阻轉(zhuǎn)矩；電機(jī)性能

1.引言

永磁同步電機(jī)的顯著特點(diǎn)就是高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度以及一定的過載能力。其冷卻結(jié)構(gòu)是非常重要的一個(gè)部分。為了滿足上述要求，磁阻轉(zhuǎn)矩的利用情況就成了一個(gè)非常關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，若能合理并充分地利用好磁阻轉(zhuǎn)矩，既能提高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，又能有效減少永磁材料的用量。

2.磁阻轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩的影響

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[1]：

本節(jié)針對190kW-8極，額定轉(zhuǎn)速1800rpm，額定轉(zhuǎn)矩1008N·m的永磁同步電機(jī)模型進(jìn)行磁阻轉(zhuǎn)矩對于平均轉(zhuǎn)矩影響的分析。電機(jī)模型圖如圖2.1所示。

圖2.1　190kW永磁同步電機(jī)

分析過程如下：首先將定子電流全部加在q軸上時(shí)，此時(shí)的直軸電流Id=0。電磁轉(zhuǎn)矩中只包含永磁磁鏈與交軸電流相互作用而產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩，而由于交直軸磁路不對稱存在的磁阻轉(zhuǎn)矩并沒有利用上。此時(shí)若要得到額定轉(zhuǎn)矩1008N·m，運(yùn)用Ansoft有限元軟件仿真出的定子電流有效值為170A；當(dāng)加入磁阻轉(zhuǎn)矩分量，并取內(nèi)功率因數(shù)角ψ=25°時(shí)，若要達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，運(yùn)用有限元法仿真出的定子電流有效值為141A，降低了17.06%的定子電流值。當(dāng)把定子電流設(shè)為141A，內(nèi)功率因數(shù)角ψ為0°時(shí)，轉(zhuǎn)矩僅為857N·m，降低了14.98%的轉(zhuǎn)矩輸出。可見，在相同轉(zhuǎn)矩輸出情況下，磁阻轉(zhuǎn)矩可以有效降低定子電流幅值；在相同定子電流幅值情況下，磁阻轉(zhuǎn)矩可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。若取定子電流141A不變，通過改變內(nèi)功率因數(shù)角的值，使其在0°到90°范圍內(nèi)變化，分離磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果如表2.1和圖2.2所示。

表2.1　取不同內(nèi)功率因數(shù)角時(shí)各個(gè)轉(zhuǎn)矩

圖2.2　各轉(zhuǎn)矩分量隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化趨勢

根據(jù)仿真結(jié)果可知，隨著內(nèi)功率因數(shù)角ψ的增大，電磁轉(zhuǎn)矩有一個(gè)先增大后減小的趨勢，在30°左右達(dá)到最大值，并在45°之后呈急劇下降趨勢；永磁轉(zhuǎn)矩則一直在減小；磁阻轉(zhuǎn)矩同樣有一個(gè)先增大后減小的趨勢，趨勢比較平穩(wěn)，在50°左右達(dá)到最大值。由計(jì)算結(jié)果可見，若想充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩且在不浪費(fèi)永磁轉(zhuǎn)矩前提下，內(nèi)功率因數(shù)角ψ有一個(gè)最佳的取值范圍，針對本臺(tái)樣機(jī)模型應(yīng)該為20°到40°之間。

3.磁阻轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)失步轉(zhuǎn)矩的影響

文獻(xiàn)[1]中的同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

由表達(dá)式3.1可以看出，磁阻轉(zhuǎn)矩取決于交、直軸同步電抗Xq與Xd之差。Xq、Xd差值越大，磁阻轉(zhuǎn)矩的幅值越大，電機(jī)功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和過載能力也會(huì)有所提高。

已知190kW樣機(jī)的端電壓U=878V，空載反電動(dòng)勢E0=692.5V，頻率f=120Hz。本節(jié)通過求出電機(jī)的交、直軸同步電抗Xq與Xd，繪出矩角特性曲線，直觀反映出磁阻轉(zhuǎn)矩對于失步轉(zhuǎn)矩的影響。電抗計(jì)算方法采用“交直軸分解[2]”法。

圖3.1　190kW樣機(jī)模型

圖3.2　等效d軸狀態(tài)下空載氣隙磁密波形

圖3.3　等效d軸狀態(tài)下負(fù)載氣隙磁密波形

圖3.4　等效q軸狀態(tài)下空載氣隙磁密波形

圖3.5　等效q軸狀態(tài)下負(fù)載氣隙磁密波形

圖3.6　等效q軸狀態(tài)下分離出的氣隙磁密波形

圖3.7　矩角特性曲線

表3.1　190kW樣機(jī)電抗計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算結(jié)果帶入式3.1中，得出如圖3.2所示的矩角特性曲線。

由矩角特性曲線可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩角θ=90°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為不含有磁阻轉(zhuǎn)矩分量的失步轉(zhuǎn)矩，計(jì)算值為1409.4Nm；當(dāng)θ=114.0°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為含有磁阻轉(zhuǎn)矩分量的失步轉(zhuǎn)矩，計(jì)算值為1604.6Nm，較不含有磁阻轉(zhuǎn)矩分量的失步轉(zhuǎn)矩提高了13.85%，可見磁阻轉(zhuǎn)矩可以有效提高電機(jī)的過載能力。

4.結(jié)論

本文針對190kW永磁同步電機(jī)，分析了磁阻轉(zhuǎn)矩對于整個(gè)電機(jī)性能的影響，通過解析法與有限元法相結(jié)合，計(jì)算得出當(dāng)電機(jī)在利用磁阻轉(zhuǎn)矩較未利用磁阻轉(zhuǎn)矩的情況下，輸出相同額定轉(zhuǎn)矩的定子電流可降低17.06%，失步轉(zhuǎn)矩可提高13.85%，并且計(jì)算出了不同內(nèi)功率因數(shù)角下的轉(zhuǎn)矩曲線以及不同轉(zhuǎn)矩角時(shí)的矩角特性曲線，通過計(jì)算結(jié)果可知磁阻轉(zhuǎn)矩的存在提高了電機(jī)的整體性。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2]張寶強(qiáng).基于有限元方法的永磁同步電動(dòng)機(jī)等效電路參數(shù)計(jì)算[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2008.

張景峰（1988－），遼寧沈陽人，碩士研究生，畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，專業(yè)方向?yàn)橛来烹姍C(jī)，現(xiàn)就職于沈陽航天新光集團(tuán)有限公司。