永磁電機設計的幾個問題

1、永磁電機設計中特殊問題的分析與研究廖 勇重慶大學 電氣工程學院2009年11月永磁電機設計中特殊問題的分析與研究n運用Ansoft完成的部分相關項目nAnsoft設計車用永磁電機的流程n永磁電機永磁體局部失磁問題n永磁電機運行點對電機參數(shù)的影響永運用Ansoft完成的部分相關項目n軸向往復式電機軸向往復式電機 （太陽能）永運用Ansoft完成的部分相關項目n燈絲電機燈絲電機 （核磁成像）永運用Ansoft完成的部分相關項目n無軸承電機無軸承電機 （4極磁場和2極磁場引起局部失磁）指標要求分析Rmxprt多工作點初步設計輸出方案Maxwell空載磁路校驗Maxwell各工作點瞬態(tài)校驗返Rmxpr

2、t修正返Rmxprt修正磁密電流？失磁？力能？全運行范圍Ansoft設計車用永磁電機的流程n寬運行范圍永磁電機轉折速度的確定n寬運行范圍的永磁電機往往對低速轉矩和最高轉速均有要求Tn轉折速度低速大轉矩最高轉速矛盾電流限制電壓限制轉折速度折中繞組匝數(shù)磁路設計電勢確定路和場下的轉折速度并不一致Ansoft設計車用永磁電機的流程弱磁電流限制n例:某電機轉速0-8000rpm，低速轉矩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計方案：以指標要求其自然轉折速度約為2000rpm120kW60kWAnsoft設計車用永磁電機的流程轉折速度約為3200r

3、pm2倍過載功率模塊過流風險n例:某電機轉速0-8000rpm，低速轉矩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計方案：Ansoft設計車用永磁電機的流程方案一（每槽方案一（每槽4匝）匝）轉速轉速rpm電壓電壓V(rms) 電流電流A(rms)轉矩轉矩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 轉折速度約為2250rpm弱磁電流無過流風險，方案二（每槽方案二（每槽6匝）匝）轉速rpm電壓V(rms) 電流A(rms)轉矩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:某電機轉速0-8000rpm，低速轉矩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計方案：Ansoft設計車用永磁電機的流程2000rpmn例:某電機轉速0-80

6、00rpm，低速轉矩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計方案：2250rpm3200rpmn提高轉折速度，減小擴速倍數(shù)是一般的方法，但過高的轉折速度會導致低速大轉矩下電流過大。n降低轉折速度，擴速倍數(shù)增加，弱磁電流受模塊電流限制。n增加匝數(shù)來降低轉折速度，提高擴速倍數(shù)，由于直軸電抗增加弱磁電流不一定增加Ansoft設計車用永磁電機的流程n車用電機性能校核應關注的問題n電池電壓n逆變器調制方式以及控制策略n電機磁路對電機參數(shù)的影響n驅動器功率器件的最大電流的限制Ansoft設計車用永磁電機的流程n目前主要是基于整體失磁校驗n實際上失磁

7、是一個從局部到整體的過程n由于電樞反應、典型工況、故障狀態(tài)、永磁體表面渦流導致失磁首先發(fā)生在某個局部區(qū)域永磁電機永磁體局部失磁問題由于齒槽效應和邊緣效應，導致永磁電機空載時永磁體內工作點并不相同永磁電機永磁體局部失磁問題永磁電機負載時，交軸電樞反應去磁強弱之永磁體內部也不一致永磁電機永磁體局部失磁問題由于齒槽效應在永磁體表面形成渦流，發(fā)熱，進而引起永磁體局部溫升增加，增大失磁風險永磁電機永磁體局部失磁問題永磁同步電機電抗參數(shù)與運行點的關系n永磁同步電機參數(shù)對該電機的運行和控制影響較大；n磁路飽和的變化對參數(shù)影響較大；n永磁電機的磁路較為復雜，常規(guī)方法分析磁路飽和較為困難；n磁路飽和對參數(shù)的影響

8、對趨勢與傳統(tǒng)電激磁同步電機有較大差異。內置式永磁電機的等效磁路利用Ansoft軟件求解永磁同步電機電抗參數(shù)氣隙磁鏈f 永磁體和電樞電流分別單獨激勵產(chǎn)生的磁鏈之和與雙激勵時的計算結果非常接近。永磁體產(chǎn)生的磁鏈會隨著電樞電流的變化而變化。這是因為磁路的磁導隨著電樞電流的變化發(fā)生非線性的變化所導致的。當電樞電流為去磁性質時，主磁路飽和程度降低，主磁路磁阻下降，永磁體激磁磁動勢不變，由永磁體單獨產(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軸電樞反應電感；l當q軸有電流時，整個電樞鐵芯的飽和度增加，d軸電樞反應磁

9、路的磁阻增加，電感明顯比q軸沒有電流時小。 與傳統(tǒng)電勵磁同步電機的電感特性不同：d軸為去磁電流時，d軸電樞反應電感隨電流變大而變小；當電流為助磁電流時，d軸電樞反應電感反而先變大再變小。這是由于d軸電樞反應磁動勢的磁路在轉子部分主要是磁橋部分，如右圖所示?？蛰d時 id=-50A（去磁）時電機中磁密分布云圖 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d軸為去磁電流時，電樞反應磁動勢產(chǎn)生的磁通在轉子磁橋部分與永磁體磁動勢產(chǎn)生的磁通方向相同，磁橋部分的飽和程度比空載時大，d軸電樞反應磁路的磁阻變大，電樞反應電感減小。 空載時電機中磁密分布云圖 id=50A（助磁）時 當d軸為助磁電流時，d軸電樞反應磁動勢的磁路中磁橋部分的變化情況則更加復雜。電流較小時，轉子磁橋部分，電樞反應磁動勢產(chǎn)生的磁通與永磁體磁動勢產(chǎn)生的磁通方向相反，磁橋部分的飽和程度降低，整個d軸電樞反應磁路磁阻變小，電樞反應電感變大。當電流增加到一定程度時，磁橋部分又開始隨著電流增加而越來越飽和，電樞反應電感下降。n d、q軸電樞反應電感特性與傳統(tǒng)電勵磁同步電機不同。n永