五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)性能分析與比較
王艾萌，盧偉甫
(華北電力大學(xué)，河北保定071003)
摘要：優(yōu)化設(shè)計了五種不同轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)，對這五種永磁同步電動機(jī)的參數(shù)、電機(jī)特性以及弱磁性能進(jìn)行了分析比較研究，并且對其中一種結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)進(jìn)行了測試驗證。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；弱磁調(diào)速；有限元分析
中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)04—0020—04
O引 言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，能源和環(huán)境問題的日益突出，低耗、高效已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的根本要求。汽車電機(jī)要求高起動轉(zhuǎn)矩，能夠在一個很寬的速度范圍內(nèi)保證恒功率輸出，此外還要考慮到空間狹小等的限制。永磁電機(jī)以其效率高、功率密度高、體積小、重量輕，具有弱磁擴(kuò)速潛力等諸多優(yōu)點，成為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的理想選擇[1-3]。通過對永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計，可以使電動機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍擴(kuò)大，特別是永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同對電機(jī)特性的影響已有研究[4-6]，文獻(xiàn)[4]總結(jié)了各種不同永磁轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能比較，包括表面式、內(nèi)置式單層、雙層及多層永磁轉(zhuǎn)子的特點。本文對五種永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和有限元分析，結(jié)果對比說明了五種不同結(jié)構(gòu)的特點及性能。
1永磁同步電動機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計
永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，電動機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步電動機(jī)主要分為表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。
使用Anson有限元分析軟件創(chuàng)建永磁同步電動機(jī)二維有限元瞬態(tài)模型，其基本參數(shù)如表l所示，空載磁力線分布圖如圖1所示。
2五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能比較
2．1轉(zhuǎn)子永磁體參數(shù)比較
如圖l所示，根據(jù)永磁體的形狀和位置，將五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別命名為表面式、傳統(tǒng)內(nèi)置式、分段內(nèi)置式、v型內(nèi)置式和w型內(nèi)置式五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本參數(shù)都相同，不同的是每極轉(zhuǎn)子永磁體的參數(shù)，如表2所示。
可見，內(nèi)置式需要的永磁體較表面式少。因為內(nèi)置式由于磁路不對稱，有磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，所以相對于表面式，在產(chǎn)生相同的輸出轉(zhuǎn)矩時，內(nèi)置式用的永磁體量要少。
2．2空載反電動勢和脈動轉(zhuǎn)矩的比較
轉(zhuǎn)矩波動主要由齒槽轉(zhuǎn)矩和脈動轉(zhuǎn)矩兩部分組成。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，會導(dǎo)致電動機(jī)產(chǎn)生振動和噪聲。而常用消除齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有定子斜槽、轉(zhuǎn)子斜極、減小定子槽口寬度、改變極弧系數(shù)等。定子斜槽在理想情況下可以完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩并且簡單易行，因此得到廣泛應(yīng)用。本文的模型都是基于斜槽后的模型，因此齒槽轉(zhuǎn)矩可以忽略不計。
脈動轉(zhuǎn)矩定義為在一個周期內(nèi)****轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差與平均轉(zhuǎn)矩之比。脈動轉(zhuǎn)矩主是由于感應(yīng)電動勢諧波和定子電流的諧波相互作用產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，因此在電機(jī)設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)盡量消除諧波。感應(yīng)電動勢的諧波主要與永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場在空間中的分布和繞組設(shè)計有關(guān)。為了減小脈動轉(zhuǎn)矩，永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場在空間中的分布應(yīng)盡可能按照正弦規(guī)律分布[7]。
對空載反電動勢進(jìn)行諧波分析，比較結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，表面式諧波含量****，分段內(nèi)置式和w型內(nèi)置式的電壓諧波畸變率都比傳統(tǒng)內(nèi)置式的低，即諧波含量少，而v型內(nèi)置式的諧波含量相對較大。
相應(yīng)的額定電流下脈動轉(zhuǎn)矩比較如圖3所示。
可見，表面式脈動轉(zhuǎn)矩最小，分段內(nèi)置式和w 型內(nèi)置式的脈動轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)內(nèi)置式的小，而V型內(nèi)
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