永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況匹配性分析

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(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

永磁同步電機(jī)由于磁鋼拓?fù)漕愋头倍啵腋髯缘碾姶盘匦圆煌Ｔ陔姍C(jī)方案設(shè)計中，當(dāng)磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取不合理，將造成在制造成本要求內(nèi)，電機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計要求，或滿足設(shè)計要求但超出允許的制造成本。所以選用最優(yōu)的轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電機(jī)設(shè)計工作中的重要內(nèi)容。

現(xiàn)階段，關(guān)于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電磁性能研究文獻(xiàn)已較多。文獻(xiàn)[1]對五種磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電磁參數(shù)特點(diǎn)以及弱磁性能進(jìn)行了分析比較，文獻(xiàn)[2]論述了內(nèi)置式永磁電機(jī)弱磁率與凸極率對電機(jī)弱磁性能的影響，文獻(xiàn)[3]基于“一”字型與“V”字型磁鋼結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)交、直軸磁路的不同，對比分析了兩種磁極結(jié)構(gòu)電機(jī)在磁阻轉(zhuǎn)矩上的差異。目前，在關(guān)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的文獻(xiàn)中，尚沒有在運(yùn)行工況、電機(jī)結(jié)構(gòu)與制造成本做明確要求下對不同磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型電機(jī)進(jìn)行性能對比分析的相關(guān)文章。

綜上所述，針對現(xiàn)有研究尚不充分的現(xiàn)狀，本文在電機(jī)供電方式、功率輸出要求及穩(wěn)定性、能效等級、工作制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱方式、制造材料用量相同條件下，分別設(shè)計“一”字型與“V”字型磁極永磁同步電機(jī)。通過對兩臺電機(jī)額定點(diǎn)電磁參數(shù)、永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩占比、弱磁擴(kuò)速范圍對比分析，得出不同磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所適應(yīng)的運(yùn)行工況。

1 電磁方案設(shè)計

1.1 電磁方案設(shè)計原則

為了使各類型磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)(以下簡稱“各型磁極電機(jī)”)具有對比性，本文用于對比分析的“一”字型與“V”字型磁極永磁同步電機(jī)(以下分別簡稱“一型磁極電機(jī)”，“V型磁極電機(jī)”)需遵循以下電磁方案設(shè)計原則：(1)額定點(diǎn)電壓、頻率輸入?yún)?shù)相同；(2)額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值及轉(zhuǎn)矩波動值輸出參數(shù)相同；(3)在滿足輸入與輸出參數(shù)前提下，制造材料消耗量相同，(4)進(jìn)行電磁參數(shù)計算時，統(tǒng)一采用ANSYS Maxwell電磁場有限元計算軟件。列出了電機(jī)基本參數(shù)見表1。轉(zhuǎn)子磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

圖1磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電磁方案參數(shù)介紹

(1)轉(zhuǎn)子設(shè)計

各型磁極電機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)外徑尺寸、鐵心軸向長度、硅鋼片材料、磁鋼牌號均相同，轉(zhuǎn)子鐵心無斜極。圖1中，各型磁極電機(jī)磁鋼總長度為w、磁鋼寬度為t、隔磁橋內(nèi)徑φD1尺寸相同，對于1.1節(jié)中轉(zhuǎn)矩波動值相同的要求，各型磁極電機(jī)通過調(diào)節(jié)Hrib、Rib、O1尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

(2)定子設(shè)計

各型磁極電機(jī)的定子鐵心與定子繞組完全相同。

1.3 電機(jī)制造材料用量對比

各型磁極電機(jī)的機(jī)座、端蓋與軸承結(jié)構(gòu)均選用相同中心高Y2系列異步電機(jī)結(jié)構(gòu)件，主要制造材料消耗量見表2。

表2 各型磁極電機(jī)制造材料用量

2 額定點(diǎn)參數(shù)對比分析

額定點(diǎn)參數(shù)不僅作為評價電機(jī)是否滿足設(shè)計要求的基準(zhǔn)點(diǎn)，也是國標(biāo)中關(guān)于電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)、振動噪聲標(biāo)準(zhǔn)考核點(diǎn)。各型磁極電機(jī)額定點(diǎn)參數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 額定點(diǎn)電磁參數(shù)計算值

其中，由于各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)子外形尺寸、軸承結(jié)構(gòu)、額定轉(zhuǎn)速相同，則風(fēng)摩耗與雜散損耗均相同。

由表3計算結(jié)果可知，當(dāng)滿足1.1節(jié)電磁方案設(shè)計要求時，“一”型磁極電機(jī)的額定效率、功率因數(shù)、熱負(fù)荷值均較優(yōu)；相對于“V”型磁極電機(jī)，“一”型磁極電機(jī)由于磁鋼距離轉(zhuǎn)子表面更近，使其具有較高ψf值和較低Ld值，所以“一”型磁極電機(jī)具有更高的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

3 磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩占比分析

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成。由1.2節(jié)可知，各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片用于安裝永磁體開槽的面積相等，所以在滿足1.1節(jié)設(shè)計約束條件下，各型磁極電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩占比可反應(yīng)出對永磁體及轉(zhuǎn)子沖片的利用率。

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成。合成電磁轉(zhuǎn)矩Tem可按式(1)計算。

(1)

式中，Id與Iq分別按(2)、式(3)計算。

Id=Iscosβ

(2)

Iq=Issinβ

(3)

式中，Is—額定電流峰值；p—極對數(shù)、β=90+α為轉(zhuǎn)矩角。

永磁同步電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩在合成電磁轉(zhuǎn)矩占比可按下式計算[4]

(4)

式中，Tr_max—磁阻轉(zhuǎn)矩最大值；Tp_max—永磁轉(zhuǎn)矩最大值。

由式(4)可知，當(dāng)額定電流、額定轉(zhuǎn)矩相同時，d軸與q軸電感差與永磁磁鏈值決定了磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩比例關(guān)系。

圖2為各型磁極電機(jī)在相同額定電流下的合成電磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩有限元計算結(jié)果。

圖2各型磁極電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

由圖2可知，各型磁極電機(jī)最大合成電磁轉(zhuǎn)矩值均等于額定轉(zhuǎn)矩值，其中“V”型磁極電機(jī)的最大磁阻轉(zhuǎn)矩值較大。

由表3計算結(jié)果可知，“V”型磁極電機(jī)具有較高的d軸與q軸電感差值和較小的永磁磁鏈值。結(jié)合圖2轉(zhuǎn)矩特性有限元計算結(jié)果可得結(jié)論，“V”型磁極電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比將大于“一”型磁極電機(jī)，同理可得，“一”型磁極電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩占比大于“V”型磁極電機(jī)。

4 弱磁調(diào)速能力分析

永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速的能力體現(xiàn)在極限輸入電壓且熱負(fù)荷在允許的范圍內(nèi)，電機(jī)在規(guī)定的負(fù)載條件下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。本文各型磁極電機(jī)極限輸入電壓值Umax為額定電壓；由1.1與1.3節(jié)設(shè)計約束條件可知，各型磁極電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)、工作制完全相同，對于S1工作制H180中心高的Y2電機(jī)，通常熱負(fù)荷取值不大于1800；在允許的最大熱負(fù)荷下，電機(jī)的極限輸入電流可按公式(5)計算得出。

(5)

式中，Imax—最大輸入電流；AJmax—允許最大熱負(fù)荷值；Di1—定子內(nèi)徑；m1—相數(shù)；Nφ1—每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；d—導(dǎo)線線規(guī)；n—并繞根數(shù)；a—并聯(lián)支路數(shù)。

表4為弱磁分析相關(guān)數(shù)據(jù)計算值，其中，ξ—永磁同步電機(jī)弱磁率、Ld—空載d軸電感。根據(jù)表4計算結(jié)果可繪制定子電壓與電流矢量軌跡，如圖3所示。

表4 弱磁分析相關(guān)數(shù)據(jù)

圖3定子電壓與電流矢量軌跡圖

由圖3可知，在電機(jī)極限輸入電流全部變?yōu)橹陛S去磁電流時，即極限電流圓與極限電壓橢圓相切，電機(jī)具有理想極限轉(zhuǎn)速，文獻(xiàn)[5]給出了電機(jī)在極限電流限制下的極限轉(zhuǎn)速計算公式，見式(6)。

(6)

式中，nN—額定轉(zhuǎn)速；E0—線空載反電勢有效值。

在極限電流與極限電壓條件下，各型磁極電機(jī)在恒功運(yùn)行段熱負(fù)荷-轉(zhuǎn)速有限元計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱負(fù)荷-轉(zhuǎn)速曲線

由圖4可知，“一”型磁極電機(jī)恒功最大轉(zhuǎn)速為4815rpm，“V”型磁極電機(jī)恒功最大轉(zhuǎn)速5700rpm；由式(6)可計算出“一”型與“V”型磁極電機(jī)理想極限轉(zhuǎn)速分別為5890rpm與7850rpm。由永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩計算公式可知，當(dāng)電機(jī)q軸電流為0時，其轉(zhuǎn)矩值亦為0，由于電機(jī)本身各類損耗的存在，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時總會存在q軸電流，進(jìn)而可知，電機(jī)實(shí)際極限轉(zhuǎn)速小于理想極限轉(zhuǎn)速，該計算結(jié)果與表4中nmax計算值趨勢一致。

由3節(jié)結(jié)論可知，“V”型磁極電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩占比較大，當(dāng)電機(jī)弱磁深度增加，磁阻作用將越來越明顯；又因?yàn)橛来糯沛溳^低，其用來去磁作用的id電流量也相對較小，所以當(dāng)電機(jī)在恒功恒壓區(qū)運(yùn)行時，產(chǎn)生某一轉(zhuǎn)速對應(yīng)轉(zhuǎn)矩值所需要的定子電流相對較小。綜上理論分析與計算結(jié)果可得結(jié)論，“V”型磁極電機(jī)具有更好的弱磁調(diào)速能力。

5 結(jié)語

根據(jù)對各型磁極電機(jī)在額定點(diǎn)參數(shù)、磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩占比、弱磁調(diào)速能力對比分析，可總結(jié)出“一”型與“V”型磁極電機(jī)各自所適應(yīng)的運(yùn)行工況類型。

(1)“一”型磁極電機(jī)在額定工作點(diǎn)效率，功率因數(shù)高、過載倍數(shù)大、熱負(fù)荷小，并且由于磁阻轉(zhuǎn)矩占比低，該類電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動相對較小，所以該類型電機(jī)適用于需長期、穩(wěn)定運(yùn)行某一工作點(diǎn)，并且能效等級要求較高的工況要求。

(2)“一”型磁極電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩占比較大，其代表電機(jī)磁鋼利用率較高，電機(jī)需運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速工況時，“一”型磁極電機(jī)磁鋼使用量較少，進(jìn)而減小由于安裝磁鋼開槽造成轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度不足的問題。

(3)“V”型磁極電機(jī)每極磁鋼安裝量多、排布靈活，并且磁阻轉(zhuǎn)矩較大，所以其轉(zhuǎn)子沖片面積的利用率較高。當(dāng)所要求的運(yùn)行工況使電機(jī)設(shè)計功率密度較大時，通常每極磁鋼的排布空間會相對緊張，這時采用“V”型磁極電機(jī)將成為最優(yōu)方案。

(4)在相同逆變器供電條件下，“V”型磁極電機(jī)能滿足更寬恒功調(diào)速范圍的工況要求。

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