永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

1、永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中特殊問題的分析與研究廖 勇重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院2009年11月永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中特殊問題的分析與研究n運(yùn)用Ansoft完成的部分相關(guān)項(xiàng)目nAnsoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程n永磁電機(jī)永磁體局部失磁問題n永磁電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響永運(yùn)用Ansoft完成的部分相關(guān)項(xiàng)目n軸向往復(fù)式電機(jī)軸向往復(fù)式電機(jī) （太陽能）永運(yùn)用Ansoft完成的部分相關(guān)項(xiàng)目n燈絲電機(jī)燈絲電機(jī) （核磁成像）永運(yùn)用Ansoft完成的部分相關(guān)項(xiàng)目n無軸承電機(jī)無軸承電機(jī) （4極磁場(chǎng)和2極磁場(chǎng)引起局部失磁）指標(biāo)要求分析Rmxprt多工作點(diǎn)初步設(shè)計(jì)輸出方案Maxwell空載磁路校驗(yàn)Maxwell各工作點(diǎn)瞬態(tài)校驗(yàn)返Rmxpr

2、t修正返Rmxprt修正磁密電流？失磁？力能？全運(yùn)行范圍Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程n寬運(yùn)行范圍永磁電機(jī)轉(zhuǎn)折速度的確定n寬運(yùn)行范圍的永磁電機(jī)往往對(duì)低速轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速均有要求Tn轉(zhuǎn)折速度低速大轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速矛盾電流限制電壓限制轉(zhuǎn)折速度折中繞組匝數(shù)磁路設(shè)計(jì)電勢(shì)確定路和場(chǎng)下的轉(zhuǎn)折速度并不一致Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程弱磁電流限制n例:某電機(jī)轉(zhuǎn)速0-8000rpm，低速轉(zhuǎn)矩275NM，高速恒功率60kW，1分鐘2倍過載。n電壓320V，主要尺寸和磁路確定后有兩套繞組設(shè)計(jì)方案：以指標(biāo)要求其自然轉(zhuǎn)折速度約為2000rpm120kW60kWAnsoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程轉(zhuǎn)折速度約為3200r

3、pm2倍過載功率模塊過流風(fēng)險(xiǎn)n例:某電機(jī)轉(zhuǎn)速0-8000rpm，低速轉(zhuǎn)矩275NM，高速恒功率60kW，1分鐘2倍過載。n電壓320V，主要尺寸和磁路確定后有兩套繞組設(shè)計(jì)方案：Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程方案一（每槽方案一（每槽4匝）匝）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速rpm電壓電壓V(rms) 電流電流A(rms)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Nm功率功率kW電密電密A/mm203.7(峰)247.82(峰)277.36 50050.3189.7275.22 14.416.29 2000200195.67286.50 606.49 6000320138.3396.02 60.334.59 8000320171.172.33 60.

4、65.67 08.25(峰)552.6(峰)573.27 50061.6416570.00 29.84513.79 2000208419.3572.40 119.913.90 6000320227.85194.15 121.997.55 8000320234.45142.66 119.527.77 轉(zhuǎn)折速度約為2250rpm弱磁電流無過流風(fēng)險(xiǎn)，方案二（每槽方案二（每槽6匝）匝）轉(zhuǎn)速rpm電壓V(rms) 電流A(rms)轉(zhuǎn)矩Nm功率kW電密A/mm205.65(峰)165(峰)276.5 50077.51125.35275.1 14.46.23 2000285130.25286.5606.48

5、 6000320139.894.21 59.26.958000320154.872.43 60.687.70 011.75(峰)346(峰)552 50092.81280.5572.9 3013.952000320277.15571.9 119.7813.786000320225.55195.12 122.611.22 8000320222.4143.45120.1811.06n例:某電機(jī)轉(zhuǎn)速0-8000rpm，低速轉(zhuǎn)矩275NM，高速恒功率60kW，1分鐘2倍過載。n電壓320V，主要尺寸和磁路確定后有兩套繞組設(shè)計(jì)方案：Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程2000rpmn例:某電機(jī)轉(zhuǎn)速0-80

6、00rpm，低速轉(zhuǎn)矩275NM，高速恒功率60kW，1分鐘2倍過載。n電壓320V，主要尺寸和磁路確定后有兩套繞組設(shè)計(jì)方案：2250rpm3200rpmn提高轉(zhuǎn)折速度，減小擴(kuò)速倍數(shù)是一般的方法，但過高的轉(zhuǎn)折速度會(huì)導(dǎo)致低速大轉(zhuǎn)矩下電流過大。n降低轉(zhuǎn)折速度，擴(kuò)速倍數(shù)增加，弱磁電流受模塊電流限制。n增加匝數(shù)來降低轉(zhuǎn)折速度，提高擴(kuò)速倍數(shù)，由于直軸電抗增加弱磁電流不一定增加Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程n車用電機(jī)性能校核應(yīng)關(guān)注的問題n電池電壓n逆變器調(diào)制方式以及控制策略n電機(jī)磁路對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響n驅(qū)動(dòng)器功率器件的最大電流的限制Ansoft設(shè)計(jì)車用永磁電機(jī)的流程n目前主要是基于整體失磁校驗(yàn)n實(shí)際上失磁

7、是一個(gè)從局部到整體的過程n由于電樞反應(yīng)、典型工況、故障狀態(tài)、永磁體表面渦流導(dǎo)致失磁首先發(fā)生在某個(gè)局部區(qū)域永磁電機(jī)永磁體局部失磁問題由于齒槽效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致永磁電機(jī)空載時(shí)永磁體內(nèi)工作點(diǎn)并不相同永磁電機(jī)永磁體局部失磁問題永磁電機(jī)負(fù)載時(shí)，交軸電樞反應(yīng)去磁強(qiáng)弱之永磁體內(nèi)部也不一致永磁電機(jī)永磁體局部失磁問題由于齒槽效應(yīng)在永磁體表面形成渦流，發(fā)熱，進(jìn)而引起永磁體局部溫升增加，增大失磁風(fēng)險(xiǎn)永磁電機(jī)永磁體局部失磁問題永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)與運(yùn)行點(diǎn)的關(guān)系n永磁同步電機(jī)參數(shù)對(duì)該電機(jī)的運(yùn)行和控制影響較大；n磁路飽和的變化對(duì)參數(shù)影響較大；n永磁電機(jī)的磁路較為復(fù)雜，常規(guī)方法分析磁路飽和較為困難；n磁路飽和對(duì)參數(shù)的影響

8、對(duì)趨勢(shì)與傳統(tǒng)電激磁同步電機(jī)有較大差異。內(nèi)置式永磁電機(jī)的等效磁路利用Ansoft軟件求解永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)氣隙磁鏈f 永磁體和電樞電流分別單獨(dú)激勵(lì)產(chǎn)生的磁鏈之和與雙激勵(lì)時(shí)的計(jì)算結(jié)果非常接近。永磁體產(chǎn)生的磁鏈會(huì)隨著電樞電流的變化而變化。這是因?yàn)榇怕返拇艑?dǎo)隨著電樞電流的變化發(fā)生非線性的變化所導(dǎo)致的。當(dāng)電樞電流為去磁性質(zhì)時(shí)，主磁路飽和程度降低，主磁路磁阻下降，永磁體激磁磁動(dòng)勢(shì)不變，由永磁體單獨(dú)產(chǎn)生的磁鏈增大。反之相反。 電感特性l d、q軸磁路之間存在交叉耦合，而且這種現(xiàn)象是不能忽視的；ld、q軸間的相互影響非常明顯，尤其是d軸電樞反應(yīng)電感；l當(dāng)q軸有電流時(shí)，整個(gè)電樞鐵芯的飽和度增加，d軸電樞反應(yīng)磁

9、路的磁阻增加，電感明顯比q軸沒有電流時(shí)小。 與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)的電感特性不同：d軸為去磁電流時(shí)，d軸電樞反應(yīng)電感隨電流變大而變小；當(dāng)電流為助磁電流時(shí)，d軸電樞反應(yīng)電感反而先變大再變小。這是由于d軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的磁路在轉(zhuǎn)子部分主要是磁橋部分，如右圖所示。空載時(shí) id=-50A（去磁）時(shí)電機(jī)中磁密分布云圖 圖中紅色部分代表磁路中發(fā)生飽和的部分，面積越大代表發(fā)生飽和的部分越多，顏色越深表示飽和程度越大。當(dāng)d軸為去磁電流時(shí)，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子磁橋部分與永磁體磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通方向相同，磁橋部分的飽和程度比空載時(shí)大，d軸電樞反應(yīng)磁路的磁阻變大，電樞反應(yīng)電感減小。 空載時(shí)電機(jī)中磁密分布云圖 id=50A（助磁）時(shí) 當(dāng)d軸為助磁電流時(shí)，d軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的磁路中磁橋部分的變化情況則更加復(fù)雜。電流較小時(shí)，轉(zhuǎn)子磁橋部分，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通與永磁體磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通方向相反，磁橋部分的飽和程度降低，整個(gè)d軸電樞反應(yīng)磁路磁阻變小，電樞反應(yīng)電感變大。當(dāng)電流增加到一定程度時(shí)，磁橋部分又開始隨著電流增加而越來越飽和，電樞反應(yīng)電感下降。n d、q軸電樞反應(yīng)電感特性與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)不同。n永