双定子锥形永磁同步电机的磁场分析与实验研究

双定子锥形永磁同步电机的磁场分析与实验研究

1弱磁电机结构由于高功率密度和高效率的优点，永电装置得到了广泛应用。但永磁电机的励磁不易调节,因而国内外的学者针对永磁电机的弱磁扩速进行了大量的研究工作。从控制策略上而言,主要是向定子绕组施加直轴去磁电流,依赖电枢反应磁场来削弱主磁场。由此而带来几个方面的不利影响:(1)永磁体面临不可逆退磁的威胁;(2)电机铜耗增大,温度上升,效率降低;(3)电枢电流的限制使得电机的输出功率下降。鉴于此,学者们试图从电机结构着手,并提出了多种不同的弱磁电机结构,归结起来主要有如下方案:(1)改变励磁回路的磁阻;(2)励磁磁通旁路结构;(3)励磁磁场互相抵消,如转子分为多段,通过调节各段转子直轴夹角来改变磁场,还有将永磁体分为多段,通过调节每极下部分永磁体段的方向来实现;(4)为去磁磁场提供通路,如复合转子结构,永磁体表面增加软磁材料结构;(5)增大直轴电感,如将内置式永磁体分为多段结构等。近年来,国外学者提出新的弱磁方案,其原理是通过将定子或转子沿轴向移动,减小定转子耦合面积,如文献。该方案为了实现磁场的调节而加入调节装置,使得电机的结构变得复杂,还会增大电机的体积,降低电机的功率密度等。本文提出一种新型双定子锥形结构永磁同步电机,旨在获得更好的弱磁扩速性能,同时具备宽恒功率区的优点。2结构方案与磁带分析2.1电机方案设计双定子锥形永磁同步电机可以有多种实现方案,如内外电机均为锥形结构、仅内电机或外电机为锥形结构、另一电机为圆柱形结构,分别如图1所示。根据内外电机磁路结构的不同,还可以分为串联式磁路结构、并联式磁路和分离式磁路结构三种,如图2所示。其中串联式和并联式结构的转子可以采用单层永磁体,也可以采用双层永磁体,但电机的极对数须相同;而分离式则必须采用双层永磁体,内外电机之间需要进行磁路隔离,值得一提的是其内外电机的极对数却可以不同,通过合理的配置,可以减小定位转矩及输出转矩的波动。对于串联式和并联式结构,可以将内外电机的定子绕组进行串联或并联运行,以共用一套驱动器。对于分离式磁路结构,外电机为传统永磁同步电机,内电机可采用多种结构和类型,除常规的旋转电机方案,还可采用直线电机方案,以实现不同的功能。本文提出分离式双定子旋转直线锥形永磁同步电机结构,其外电机采用锥形永磁同步电机结构,内电机采用直线电机结构,如图3所示。由于锥角的存在,外电机转子将受到向左的轴向磁拉力。为了减小内电机的损耗,在内电机转子上设计了永磁体,因而内电机将受到向右的轴向磁拉力。当电机转子处于图3a所示位置时,外电机的轴向力大于内电机,此时转子依靠双向推力球轴承限位。若向内电机绕组通以正向电流,内电机气隙磁场增大,内电机转子所受到轴向磁拉力大于外电机时,则转子将向右移动,如图3b所示,从而实现弱磁。转子轴向移动之后,外电机的轴向磁拉力将减小,内电机绕组不再需要通电流,转子将处于内外电机轴向力相等的位置。若此时内电机再通以反向电流,内电机的轴向力减小,则转子在外电机轴向力的作用下将向左运动,回到初始位置。由于本电机存在锥角,使得定转子铁心的轭部厚度沿轴向变化,锥角越大,则轭部厚度的变化越大,很容易造成轭部饱和,因而电机锥角的选择要合适。为了解决这一问题,可以采用气隙长度沿轴向不相等的方式,使得定子铁心的锥角大于转子铁心的锥角,也可以采用永磁体厚度沿轴向不相等的方式,还可以采用与Halbach结构相结合的方式,在解决轭部饱和的同时提高电机的功率密度。定子绕组宜采用分数槽集中绕组结构,有利于缩短绕组端部。2.2转子轴向移动本文的双定子锥形永磁同步电机分为主电机与辅助电机两个部分,主电机(锥形永磁同步电机)用于输出功率,辅助电机(直线电机)主要用于控制电机转子的轴向移动。通过控制转子的轴向移动,减小定转子之间的耦合面积,以实现主电机的弱磁扩速功能。若主电机的锥角不为0,则在转子轴向移动的过程当中,还可以增大主电机的气隙长度,提高电机的弱磁扩速能力,在相同的扩速比下,转子需要轴向移动的距离更小。永磁同步电机处于高速运转时,其定转子耦合面积较小,还可以有效减小电机的铁心损耗。由于本文主要研究双定子锥形永磁同步电机的弱磁性能,因而后续部分将着重针对外电机的性能展开研究。2.3等效磁网络的构建若永磁体的厚度沿轴向变化,则永磁体各部分的磁动势并不相同。即使永磁体的厚度不变,随着转子的轴向移动,沿轴向各部分永磁体的工作点也会随之变化。不失一般性,在此采用将定转子分成n段的方式来分析锥形电机的磁网络,如图4所示。由于每一段转子均与n段定子之间存在磁场耦合,忽略铁心饱和的影响,并认为转子永磁体仅与距离该段转子最近的定子段之间存在磁场耦合,则可得到如图5所示的等效磁网络。图5中Fmagk表示第k段永磁体的磁动势,Fa表示电枢的磁动势。Ruf073n表示第n段永磁体的漏磁阻,Ruf064n表示第n段永磁体与距离最近的定子铁心之间的气隙磁阻,Rn,n+1表示第n段永磁体与第n+1段永磁体之间的漏磁阻,Rstn、Rsjn和Rrjn分别表示第n段定子铁心齿部磁阻、第n段定子铁心轭部磁阻和第n段转子铁心轭部磁阻。由锥形永磁电机磁网络的分析结果可知,锥形电机的转子轴向移动之后,沿轴向各段磁路的磁阻将会不同,采用二维有限元分析势必带来较大的分析误差,因而本文采用三维有限元分析方法对其进行分析。3磁体密度分析，磁体分布和气脉磁通密度分析3.1转子轴向对永磁体磁通密度的影响锥形永磁同步电机的参数见表1。对锥形永磁同步电机进行三维有限元建模,得到磁场分布随转子轴向移动的变化如图6和图7所示。图6是锥角为0°的模型,由仿真结果可知,随着转子的轴向移动,定转子重叠部分的磁场基本不变,伸出部分转子永磁体的工作点下降。图7所示为锥角不为0°的模型,对比图7a和图7b两种位移下的磁场分布图可知,转子轴向移动之后,各部分永磁体的工作点均下降,伸出部分的永磁体工作点下降更多,其定子铁心当中的磁通密度也明显下降,弱磁效果明显。下面将对其弱磁性能进行进一步定量分析。3.2转子轴向位移的影响本文当中若不加以特殊说明,则其转子均是向右移动。当锥形转子的轴向位移为(35)z时,如图8所示,其气隙长度uf064可表示为式中δ0——锥角等于0°时的气隙长度;α——电机的锥角。不失一般性,本节选取锥角为0°(即圆柱转子)和较大锥角(以9°为例)来进行分析,下文中机械角用uf071表示。锥角为0°时,电机气隙磁通密度径向分量随转子轴向位移的变化如图9所示,其沿周向及轴向的分布如图10所示。根据图10可知,由于锥角等于0°时的气隙长度不变,所以定转子重叠部分的径向磁通密度不变。随着转子轴向位移的增大,在定转子右边交错面z=20mm附近存在一个较大的凸起,这是伸出部分转子永磁体对交错面上的定子段共同作用的结果;对于左边的交错面,其基本没有变化。锥角为9°时气隙磁通密度径向分量沿周向及轴向的分布随转子轴向位移变化如图11所示,其沿周向及轴向的截面如图12所示。由图12a可见,随着转子的轴向移动,气隙磁通密度径向分量下降。由图12b可见,转子轴向位移增大之后,定转子右端交错面z=20mm附近有一较大的磁通密度值,该磁通密度值较定转子重叠部分要大,且随轴向位移的增大先增大后减小;定转子左端的交错面附近的磁通密度变化越来越缓慢,这是因为转子轴向位移增大使得气隙增大,对于左端面上的永磁体而言,其不仅与距离最近的定子段之间存在磁场耦合,还与该段定子附近的定子段之间存在磁场耦合。4弱磁性能分析4.1轴向位移对电机反电动势的影响图13所示分别为锥角为0°和锥角为5.7°的空载反电动势曲线。由图可见,随着转子轴向位移(35)z的增加,其空载反电动势的幅值逐渐下降。对比两种锥角的反电动势曲线还可以发现,由于锥角的存在,随着转子的轴向移动,其反电动势下降得更快。当转子轴向位移(35)z=8mm时,锥角为0的电机反电动势幅值为377V,而锥角为5.7°的电机仅为279V,相比下降了约26%;当(35)z=16mm时,锥角为5.7度的反电动势相比锥角为0时下降39%。这说明锥角的存在对永磁电机的弱磁性能起较大的作用。由图13b还可以发现,随着转子轴向位移的增大,其反电动势的正弦度越来越高,这是因为此时的齿槽效应减弱,其气隙磁通密度的分布更均匀。4.2电机的弱磁扩速控制随着电机转子的轴向移动,电机的磁负荷不断下降,因而其转速得以不断提高,在电负荷不变的情况下,其输出转矩随之下降。因此,对传统的弱磁控制策略而言,进行弱磁扩速运行时难以保证电机的最大输出功率恒定。本电机不需要通以直轴去磁电流进行弱磁,所以无需采用弱磁控制策略;又因为本电机的交直轴电感基本相等,不存在磁阻转矩,对其而言id=0控制与最大转矩电流比控制效果一样,所以本电机可采用id=0的控制策略。此时定子绕组当中输入的有功功率为式中U——相电压;I——相电流;φ——功率因数角。忽略定子绕组电阻,则有定子电压与电流矢量角为式中uf079f——永磁体产生的磁链;Lq——交轴电感。id=0时有由于iq可保持为额定电流不变,又因uf079f和Lq成正比,此时的功率因数不变,因而电机在弱磁扩速过程中的最大输出功率可以保持恒定。图14所示为额定电流下不同锥角电机的转矩-转速变化曲线。随着轴向位移的变化,不同锥角电机的弱磁扩速比见表2。研究结果表明:在同样的轴向位移下,锥角越大的电机,其弱磁扩速能力越强,恒功率区越宽。5载荷重对转子振动的影响在实际样机制作中,转子的轴向磁拉力精确分析需保证双定子锥形电机合理装配。本文旨在研究锥角对电机弱磁性能的影响,因而研制一台定子长于转子的双定子锥形永磁同步电机样机,意在消除轴向正位力的影响,使得转子在轴向移动过程中,定转子的耦合面积不变。对该电机进行空载反电动势测试,其实验平台如图15所示,实验得到图16所示反电动势波形。空载反电动势实验结果见表3。实验结果表明:当转子轴向位移从2.8mm增大到4.5mm时,其位移增大为1.61倍,其反电动势有效值下降量从27.1V增大到42.4V,电压下降约为1.56倍。这是因为随着电机轴向位移的增大,气隙长度线性增大,当电机的定转子耦合面积不变时,忽略磁路的饱和影响并认为永磁体的B-H曲线为线性,则电机的空载反电动势应线性下降。6弱磁扩速过程中锥角的形成机理本文将双定子电机结构与锥形转子结构有效结合,提出了分离式双定子旋转直线锥形永磁同步电机方案,通过内电机控制转子的轴向移动,实现永磁同步电机的弱磁扩速运行。通