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永磁同步电动机不同转子结构的性能研究

jf_pJlTbmA9 来源:jf_pJlTbmA9 作者:jf_pJlTbmA9 2023-07-24 14:10 次阅读

在工程应用中,汽车用永磁同步电动机定子采用直槽结构,定转子槽极配合为8极48槽,基于该种结构的永磁转子对应不同的凸极比,其外特性如何、磁钢用量多少、哪种形式转子性能最优、是否符合高性价比要求,本文将针对这些热点问题进行详细的分析。

1 基本原理

永磁同步电动机的主要结构由定子(包括定子铁心、线圈、机壳等)、永磁转子(包括转子铁心、永磁体、转轴等)、前后端盖、轴承、接线盒以及反馈组件等多个主要零部件组成。

永磁同步电动机的电磁原理与他励直流电动机类似。永磁同步电动机的旋转控制采用旋转坐标系的思想,将三相定子电流进行解耦,分解成专用于励磁的直轴分量,以及专用于产生输出转矩的交轴分量,两种分量互相独立互不耦合

对于永磁同步电动机来说,定子影响主要体现在定子绕组分布情况、定子槽数等,这与异步电机区别不大;而转子的影响则体现在整个磁路上,不同结构的永磁转子对电机性能影响极大。永磁转子按结构一般分为表贴式和内置式两种,内置式转子结构相对复杂,本文以内置式转子为研究点进行展开。

永磁同步电动机凸极比ρ一般指交直轴电感(或者是电抗)之比。即:

1668996775123096.jpg

(1)

表贴式交直轴电感接近相等,其凸极比ρ=1;而内置式永磁同步电动机根据永磁体在转子中的排布,形成多种不同凸极比的转子结构,主要分为ρ>1和ρ<1两种情况。

永磁同步电动机的基本向量关系如图1所示。

1668996769536167.jpg

图1永磁同步电动机基本向量图

根据图1的向量关系及永磁同步电动机的电磁原理,得到电磁转矩Te的计算公式如下:

1668996764584199.jpg(2)

式中:p为极对数;β为弱磁角;ψf为永磁磁链;Ia为定子电流;

从式(2)中可以看出,内置式永磁同步电动机电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成。永磁转矩与弱磁角成余弦关系,且与励磁磁链成正比;而磁阻转矩与两倍弱磁角成正弦关系,还与交直轴电感之差成正比。

由电机电磁场理论有:

ψf=NΦ=NBS(3)

式中:N为每极线圈匝数;B为每极气隙磁密;S为每极磁通面积。又根据电感差:

(Lq-Ld)∝ρ(4)

不计弱磁角度、极对数以及电枢电流影响,最终可以推得:

Te∝BSN(5)

Te∝ρ(6)

从式(3)~式(6)可以看出,内置式永磁同步电动机的电磁转矩与永磁电机每极线圈匝数、每极气隙磁密、每极磁通面积以及凸极比成正相关关系。

2 研究方法及过程

2.1研究方法

本文以某款国产汽车电机的主体结构为例,其具体性能参数指标如表1所示,进行典型规格优化设计。

表1某款国产汽车电机性能指标参数

1668996757506947.jpg

在研究过程中,先结合工程实际应用,设定相同的定子参数,在其基础上进行市场调研,结合理论研究成果,采用磁链、凸极比均有所不同的转子结构进行仿真对比,汇总数据。然后针对仿真数据进行分析,分别计算最大输出功率、最大转矩、反电动势系数KE值以及永磁体体积,并分别计算功率磁钢体积比、转矩磁钢体积比、以及反电动势系数磁钢体积比,比较各转子方案性能优势及经济性。

2.2研究过程

2.2.1 建立模型

根据表1的性能指标,进行5种转子拓扑结构的计算:三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等,具体结构及交直轴分布如图2所示。

1668996750801546.jpg

图2不同转子拓扑结构及交直轴分布

按图2的转子拓扑结构建模,槽极配合为经典的8极48槽,定子绕组形式采用1~6的分布式双层绕组。

2.2.2 设定激励条件

根据永磁同步电动机工作原理,设定电机定子输入电流为三相正弦电流,具体激励表达式如下:

iA=Imaxsin(2πft+β)

iB=Imaxsin(2πft+β-2π/3)

iC=Imaxsin(2πft+β+2π/3)

式中:Imax为电机线电流峰值;f为电流频率;t为时间;β为弱磁角。

在上述激励条件下考虑损耗设置方面,铁心损耗计算时考虑定、转子铁心,涡流损耗计算时考虑定、转子铁心以及磁钢表面涡流损耗影响。

2.2.3 设定边界条件

在仿真时,各方案设定相同的边界条件:电机额定转速为2 000 r/min,最高转速为10 000 r/min,电机定子相同,且线电流峰值按Imax=141.4 A(有效值为100 A),电机弱磁初始角按45°进行扫描分析。

3 结果对比与数据分析

3.1结果对比

针对5种不同转子拓扑结构方案,通过相关软件进行仿真计算,首先进行反电动势值、凸极比的计算,然后通过场路结合的方法,进行效率、转矩、转速等外特性的计算对比。在特性计算时,结合应用工程实际,为了能有效地利用内置式永磁同步电动机的凸极效应,发挥其固有机械特性,在仿真计算采用的控制策略是“恒转矩区域采用单位电流最大转矩控制,恒功率区则采用弱磁控制”。计算的效率MAP图谱如图3~图7所示。

1668996742982331.jpg

图3方案1[三角形转子,ρ=2.29,KE=152.6 V/(kr·min-1)]

1668996738882995.jpg

图4方案2[混合型转子,ρ=0.613,KE=147.46 V/(kr·min-1)]

1668996733447989.jpg

图5方案3[切向型转子,ρ=1.75,KE=147.3 V/(kr·min-1)]

1668996729792576.jpg

图6方案4[V字形转子,ρ=2.6 ,KE=181.3 V/(kr·min-1)]

1668996718610178.jpg

图7方案5[一字形转子,ρ=2.3,KE=168.3 V/(kr·min-1)]

将图3~图7的计算结果汇总,总结出如图8所示的T-n曲线对比图。从中可以看出,相同定子参数下,不同转子在恒转矩区能产生的转矩大小排序如下:

TV字形>T一字形≈T三角形>T混合型>T切向型

在相同定子参数下,不同转子在恒功率区能产生的最大功率大小排序如下:

PV字形>P一字形≈P三角形>P混合型>P切向型

1668996711523997.jpg

图8不同方案T-n曲线对比

3.2数据分析

针对不同转子方案的数据汇总,计算出各不同方案参数,如表2所示。

表2不同转子方案计算结果对比

1668996706312865.jpg

为了更好地分析问题,我们将计算结果进一步对比,分别计算单位体积磁钢能产生的功率和反电动势系数值,具体结果如表3所示。

表3单位体积磁钢性能对比

1668996701722100.jpg

从表3可以看出,对于凸极比接近的方案1和方案5,方案1的指标明显不如方案5。再从方案2、方案3和方案4对比来看,凸极比小于1的转子相对凸极比大于1的转子明显没有优势;相反,凸极比大于1的转子结构有转子材料利用率高的优势。

综合比较:

凸极比最优前三方案排序:方案4>方案5≥方案1;

单位体积磁钢材料利用率最优前三方案排序:方案3>方案5>方案4;

转矩、功率最大前三方案排序:方案4>方案1>方案5;

线反电动势磁钢体积比前三方案排序:方案3>方案5>方案4;

综上,根据大数据计权排名原则,方案4无论是功率密度还是转矩密度都有竞争优势,其单位体积磁钢产生的反电动势系数值也较高,是5种方案中最优方案之一。

从本文的分析过程中可以发现,在相同条件下,对于内置式永磁同步电动机,提高每极磁通、提高凸极比仍然是提高功率、转矩密度的首要手段。

从本文的分析过程中可以发现,永磁同步电动机在提高性能的同时,兼顾成本控制问题仍是高性能永磁电机绕不过去的弯,性能成本兼优的电机才是市场的必然选择。

永磁同步电动机与控制密切相关,永磁同步电动机及其控制共同组成工业自动化驱动系统。在永磁同步电动机优化过程中,需综合考虑控制策略,比如最大转矩电流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。

责任编辑:彭菁

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