U型多磁障式永磁輔助同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子分析與設(shè)計(jì)

梅柏杉，張翔建，馮江波,王 冬

(上海電力學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

U型多磁障式同步磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SynRM)是一種常見的同步磁阻電機(jī)，具有高功率密度、寬調(diào)速范圍、高效率、高功率因數(shù)及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多地關(guān)注和研究[1-3]。這些優(yōu)點(diǎn)，主要是源于其特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的磁障結(jié)構(gòu)決定d軸，q軸磁鏈路徑，直接影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)[2]。

由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的磁路計(jì)算方法因?yàn)闊o(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)算漏磁和磁鋼飽和等，因此選擇有限元法來(lái)分析轉(zhuǎn)子中主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文以1臺(tái)U型結(jié)構(gòu)的同步磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，為獲得較高轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)，對(duì)電機(jī)主要參數(shù)逐次優(yōu)化。由于磁阻轉(zhuǎn)矩正比于Lq與Ld之差，功率因數(shù)隨Lq與Ld之比增大而增大，為了得到合適的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用ANSYS仿真軟件，主要對(duì)交、直軸電感進(jìn)行有限元分析。在優(yōu)化后的同步磁阻電機(jī)上添加永磁輔助，通過(guò)分析永磁添加位置、大小、材料等因素對(duì)電機(jī)的空載磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)的影響，得到相對(duì)優(yōu)化的永磁輔助參數(shù)。最后將幾種優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比分析，為該類型的永磁輔助同步磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMa-SynRM)的磁路優(yōu)化和分析提供參照。

1 數(shù)學(xué)模型

在給定條件下，不考慮退磁和渦流等影響下，建立永磁輔助同步磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)(ψf=0)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，圖1為PMa-SynRM空間矢量圖，可以得到電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)的方程如下：

圖1 PMa-SynRM空間矢量圖

電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

T=p(ψdiq-ψqid)=

(3)

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，電阻遠(yuǎn)小于電抗。

在忽略電樞電阻情況下，電壓方程可以寫成

(4)

(5)

功率因數(shù)：

(6)

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1是1臺(tái)U型多磁障式SynRM電機(jī)模型的基本參數(shù)。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

從式(1)～式(6)中可以看出,SynRM性能和交、直軸電感有直接關(guān)系，但由于SynRM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過(guò)解析法計(jì)算，有限元分析可以有效地分析這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖2為1/4 SynRM結(jié)構(gòu)和表2為其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要參數(shù)。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)比較復(fù)雜，本文只選取了轉(zhuǎn)子肋寬，氣隙，底層空氣層位置，直軸方向磁剛厚度變化，每層磁鋼和空氣層占比6個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖2 SynRM 1/4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

圖3(a)分析了上述6個(gè)參數(shù)對(duì)Lq-Ld的影響，圖3(b)分析了6個(gè)參數(shù)對(duì)Lq/Ld的影響。由圖3中關(guān)系可得，肋寬、氣隙、空氣層數(shù)、空氣層占比對(duì)SynRM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)都有明顯影響，選取肋寬0.5 mm、氣隙0.4 mm、底層空氣層位置17 mm、磁鋼厚度1.8 mm、空氣層數(shù)5層、空氣層占比3∶2，可以看出，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，Lq-Ld達(dá)到了121 mH，Lq/Ld達(dá)到了7，可以看出該種參數(shù)組合能使同步磁阻電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)達(dá)到最大。

(a) 轉(zhuǎn)子主要參數(shù)對(duì)Lq-Ld的影響

(b) 轉(zhuǎn)子主要參數(shù)對(duì)Lq/Ld的影響

3 永磁參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

本節(jié)主要分析電機(jī)在穩(wěn)定工況下(輸入相電流幅值Imax=10 A，n=1 500 r/min,β=50°),永磁材料不同的添加量、添加位置等因素對(duì)電機(jī)Lq,Ld以及電磁轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)的影響，得出相對(duì)優(yōu)化的永磁輔助參數(shù)。

3.1 d,q軸添加永磁

在磁障結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的樣機(jī)轉(zhuǎn)子空氣層添加釹鐵硼N35SH，添加后的模型如圖4所示，分別在d軸空氣層底部、q軸空氣層臂部添加永磁電機(jī)模型，并得到空載永磁磁鏈ψf、電磁轉(zhuǎn)矩T隨添加量變化的數(shù)據(jù)，如圖5和圖6所示。本節(jié)在研究永磁材料添加量對(duì)電機(jī)性能影響時(shí)，選擇從空氣層中心處開始添加，永磁材料厚度為2.7 mm，令填滿d軸或q軸空氣層時(shí)永磁材料用量為100%，圖4添加量分別為d軸空氣層底部用量60%，q軸空氣層臂部用量60%。

(a) d軸方向永磁輔助

(b) q軸方向永磁輔助

(a) Lq,Ld隨d軸永磁添加量變化的曲線

(b) T和ψf隨d軸永磁添加量變化的曲線

(b) T和ψf隨q軸永磁添加量變化的曲線

從圖5、圖6可以看出，隨著N30SH的添加量的增大，Lq,Ld由于d,q軸磁路的飽和效應(yīng)都在減小，而空載永磁磁鏈ψf，T都呈增大趨勢(shì)，對(duì) PMa-SynRM的勵(lì)磁能力越來(lái)越強(qiáng)，磁阻轉(zhuǎn)矩減小，永磁轉(zhuǎn)矩增大，兩者向相反的方向變化。

3.2 永磁層數(shù)

本節(jié)在研究永磁材料層數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響時(shí)，將選擇從底層空氣層開始，沿d軸方向依次添加的永磁體層數(shù)，定義為d軸永磁層數(shù)；將從氣隙側(cè)空氣層開始，沿d軸反方向添加的永磁體層數(shù)，定義為anti-d永磁層數(shù)。

從圖7可以看出，沿d軸方向添加永磁層數(shù)，Lq,Lq-Ld,Lq/Ld都逐漸增大;而圖8沿anti-d軸方向添加1層、2層和3層永磁體時(shí)，Lq/Ld比未添加永磁前小，從而在一定程度上降低了電機(jī)的性能。

圖7 Lq,Ld隨d軸永磁層數(shù)變化的曲線

圖8 Lq,Ld隨anti-d軸永磁層數(shù)變化的曲線

由此可見，隨著永磁量增加到一定量后，電機(jī)的性能提升程度有限，由于成本上升，單純的添加永磁是不可取的，從永磁添加位置、層數(shù)、成本等方面考慮可以得到最優(yōu)點(diǎn)。

4 優(yōu)化后的性能比較

為了了解不同永磁添加方案下的電機(jī)特性，需要對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，表3為在不同永磁添加方案下的電機(jī)性能比較，其中方案1～5在同一工況下運(yùn)行(Imax=10 A,n=1 500 r/min;β=50°)。由表3中數(shù)據(jù)看出，在耗費(fèi)同等永磁材料下，方案2比方案3好；而比較方案3和4，永磁增加25%，T僅增加10%，效率增加有限。圖9為5種方案的交、直電感和電磁轉(zhuǎn)矩隨輸入電流變化曲線?？梢钥闯?，添加永磁前后的Lq,Ld都隨電流增大而下降，電磁轉(zhuǎn)矩中永磁轉(zhuǎn)矩成分不斷增大，電機(jī)磁阻特性明顯降低；

表3 不同優(yōu)化方案下電機(jī)性能比較

(a) Lq,Ld隨輸入電流

(b) 電磁轉(zhuǎn)矩T隨輸入

相對(duì)于添加到d軸空氣層，添加到q軸空氣層臂時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在4種優(yōu)化后的樣機(jī)中提高最為明顯。因此添加永磁材料位置選擇時(shí)，應(yīng)從空氣層臂開始添加，對(duì)提高電機(jī)性能更有效。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難找到添加永磁輔助來(lái)提高電機(jī)性能的最優(yōu)點(diǎn)，所以通過(guò)分析永磁添加位置、大小、材料等因素，得出影響電機(jī)性能的一般規(guī)律，再結(jié)合電機(jī)自身特性選擇最優(yōu)添加點(diǎn)。

[1] 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)-理論和設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

[2] 郭偉，趙爭(zhēng)鳴．新型同步磁阻永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)關(guān)系分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)2005,25(11)：124-128.

[3] 趙爭(zhēng)鳴.新型同步磁阻永磁電機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀[J]．電工電能新技術(shù),1998,17(3):22-25.

[4] KIM K C，AHN J S，WON S H，et al．A study on the optimal design of SynRM for the high torque and power factor[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2007，43(6)：2543-2545．

[5] KOLEHMAIOEN J.Synchronous reluctance motor with form blocked rotor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(2):450-456．

[6] BOLDEA I,TUTELEA L,PITIC C I.PM-assisted reluctance synchronous motor/generator(PM-RSM) for mild hybrid vehicles:Electromagnetic design[J]．IEEE Transactions on Industry Applications,2004,40(2):492-498.