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转子可控磁通永磁同步电机磁路分析.pdf

转子可控磁通永磁同步电机磁路分析

羽枫黑白
2010-08-31 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《转子可控磁通永磁同步电机磁路分析pdf》,可适用于工程科技领域

第卷第期年月天津大学学报JournalofTianjinUniversityVolNoOct收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()天津市应用基础与前沿技术研究计划重点资助项目(JCZDJC)作者简介:陈益广()男博士副教授通讯作者:陈益广chenyiguangtjueducn▋内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁路分析陈益广周雅鹏沈勇环(天津大学电气与自动化工程学院天津)摘要:通过对模拟内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁路工作机理静止磁路装置的试验认知了两种永磁体磁化过程和磁化后工作点的变化规律揭示了磁通可控原理.试验得到了静止磁路装置的各种磁滞回线.永磁体磁化过程中钕铁硼的磁化曲线仅穿过Ⅰ、Ⅱ象限最后工作于Ⅱ象限铝镍钴的磁化曲线会穿过个象限最后工作于Ⅱ或Ⅲ象限.当铝镍钴工作于Ⅱ象限时两种永磁体产生的磁通共同穿过气隙气隙永磁磁场较强当铝镍钴工作于Ⅲ象限时钕铁硼产生的磁通部分穿过气隙、部分被铝镍钴在转子内部旁路气隙永磁磁场较弱.弱磁可达倍以上.关键词:可控磁通永磁同步电机内置混合式转子记忆电机等效磁路中图分类号:TM文献标志码:A文章编号:()MagneticCircuitAnalysisofInteriorCompositeRotorControllableFluxPermanentMagnetSynchronousMachineCHENYiguangZHOUYapengSHENYonghuan(SchoolofElectricalEngineeringandAutomationTianjinUniversityTianjinChina)Abstract:ThroughtheexperimentsonthestaticmagneticcircuitdevicethatsimulatesthemagneticcircuitworkingmechanismoftheinteriorcompositerotorcontrollablefluxpermanentmagnetsynchronousmachinethelawsofactionspotchangeofNbFeBandAlNiCoPMsintheprocessofmagnetizationandaftermagnetizationwerestudied,andtheprincipleofthepermanentmagnetcontrollablefluxwasrevealedVarioushysteresisloopsofthestaticmagneticcircuitdevicewereobtainedIntheprocessofmagnetizationthemagnetizationcurveofNbFeBonlycrossesthefirstandsecondquadrantsandfinallyworksinthesecondquadrantyetthemagnetizationcurveofAlNiCocrossesallthefourquadrantsandeventuallyworksinthesecondorthirdquadrantWhentheAlNiCoworksinthesecondquadrantthefluxcreatedbythetwokindsofPMspassesthroughtheairgaptogetherandtheairgapPMfluxisintensifiedWhentheAlNiCoworksinthethirdquadrantaportionofthePMfluxcreatedbyNbFeBisbypassedintherotorbyAlNiCoandanotherportionpassesthroughtheairgapwiththeairgapPMfluxweakenedThefieldweakeningmultiplecanreachmorethanthreetimesKeywords:controllablefluxpermanentmagnetsynchronousmachineinteriorcompositerotormemorymotorequivalentmagneticcircuit目前普通永磁同步电动机(permanentmagnetsynchronousmachinePMSM)弱磁升速时要通过定子绕组持续施加去磁作用的直轴电流矢量id.由于直轴磁路存在永磁体直轴电感小当需要深度弱磁时id幅值很大定子损耗大一旦弱磁失败永磁磁场在定子绕组中感应出很高电动势危及逆变器功率器件的安全.为了拓宽弱磁范围人们提出了多种永磁同步电动机与控制策略其中最令人关注的是可控磁通永磁同步电动机记忆电机.它利用三相定子绕组施加方向和幅值均可控的id脉冲产生去磁或充磁作用的直轴电枢磁动势改变转子中切向磁化、剩磁密度Br高但矫顽力Hc低的铝镍钴(AlNiCo)永磁体的磁化方向和磁化强弱id脉冲消失后永磁体处于新的磁化状态并保持住使得气隙永磁磁场减··天津大学学报第卷第期弱或增强气隙永磁磁场可控.Ostovic所提出的三明治式转子结构可控磁通永磁同步电机的不足是因为仅采用Br高而Hc低的铝镍钴永磁体以及三明治式转子结构.钕铁硼(NdFeB)永磁体Br和Hc都很高价格相对低在转子内除放置铝镍钴外再放置一定量钕铁硼既提高电机性能又降低成本于是笔者提出了内置混合式转子可控磁通永磁同步电机.内置混合式转子可控磁通永磁同步电机极和极内置混合式转子可控磁通永磁同步电机剖面如图所示.定子铁心分别采用、极三相感应电机冲片为了减小齿槽转矩和杂散损耗定子铁心斜个定子齿距.永磁体嵌在转子铁心叠片的W型或V型槽中.永磁体轴向长与转子铁心长相同永磁体宽度影响着气隙磁密的强弱和弱磁倍数通常钕铁硼比铝镍钴宽.转子铁心为一个相互完全贯通的整体结构机械强度高轴为普通中碳钢轴不需隔磁处理.图中钕铁硼都标有单向箭头代表其磁化方向永磁气隙主磁通主要由其产生.铝镍钴都标有双向箭头代表可以正反两向磁化.铝镍钴宽度影响可控磁通量的大小决定电机弱磁范围.铝镍钴充磁厚度的选择原则是保证它与钕铁硼被直轴电流矢量id脉冲同向强磁化后不被钕铁硼再反向去磁而重新反向磁化.(a)极电机(b)极电机铝镍钴永磁体钕铁硼永磁体、隔磁桥定子铁心转子铁心轴细长孔图种内置混合式转子可控磁通永磁同步电机剖面FigCrosssectionalviewoftwotypesofinteriorcompositerotorcontrollablefluxPMSMs图(a)所示极电机两块钕铁硼交接处与转子外径间那部分硅钢片设计得比较窄以增大交轴磁阻.图(b)所示极电机直轴轴线处设计了细长孔以增大交轴磁阻.增大交轴磁阻交轴电感减小交轴电抗压降小变频器输入电压利用率高高速运行区宽电枢反应对永磁磁场的影响小.模拟电机磁路工作机理的静止磁路装置内置混合式转子可控磁通永磁同步电机内部磁场分布相当复杂铝镍钴的磁滞回线高度非线性在电机本体上进行直轴电流变化时电机气隙永磁磁密变化的测量比较困难.为了灵活方便地认知两种永磁体在外部磁场作用下工作机理根据电机内部磁路结构特点制作了一套模拟该电机磁路工作机理的静止磁路装置其剖面如图所示.用此静止磁路装置模拟内置混合式转子可控磁通永磁同步电机一对磁极下的磁路工作情形.铝镍钴永磁体钕铁硼永磁体铁心线圈气隙图模拟电机磁路工作机理的静止磁路装置剖面FigCrosssectionalviewofstaticmagneticcircuitdevicesimulatingthemagneticcircuitworkingmechanismofinteriorcompositerotorcontrollablefluxPMSM静止磁路模拟装置由形状一样的上下2块铁心对接组成铁心由硅钢片叠压而成.左侧紧靠近2块铁心紧密对接处各开有一个永磁体槽永磁体槽左右宽度不同其内嵌入垂直方向磁化的铝镍钴和钕铁硼.中间不等宽的区域为隔磁桥作为两种永磁体的过渡区.两种永磁体的几何尺寸与内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机一对磁极下永磁体的几何尺寸基本相近.钕铁硼截面厚,mm、宽,mm铝镍钴截面厚,mm、宽,mm永磁体槽两侧铁心宽都为,mm隔磁桥宽,mm铁心宽,mm叠片厚,mm除拐角处外铁心各处的截面相同.右侧上下两块铁心对接处留有,mm的均匀气隙大致等于考虑了定子齿槽影响后电机一对极下的两个气隙长.此气隙正好可以插入高斯计探头用于实时检测气隙磁场.铁心柱上套有一个,匝集中线圈其产生的磁动势等效于电机定子三相绕组联合产生的直轴磁动势.集中线圈由双极性可调直流电源供电为被铁心所约束着的永磁磁路施加激磁磁动势用以改变永磁体磁化的强弱和方向.装置的铁心材料为年月陈益广等:内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁路分析··DW钕铁硼牌号为NTPHBr=,THc=,kAm.铝镍钴选用LNG和LNG两种牌号LNG:Br=,THc=,kAmLNG:Br=,THc=,kAm.该装置开放区域比较大它与实际电机磁路最大差异之处是其漏磁比较大.但是通过对其进行试验和分析会认知许多具有指导意义的物理现象会对此类磁路的工作机理产生一些理性认识.静止磁路模拟装置试验和分析静止磁路模拟装置铁心中不放置任何永磁体在静止磁路模拟装置铁心中不放置任何永磁体磁路系统仅有铁心、两个空心槽和一个气隙.试验步骤如下:先由双极性可调直流电源给线圈通正向直流电电流调至,A线圈为磁路提供,kA激磁磁动势.然后电流从,A逐渐减至,A改变电源极性电流逐渐增至-,A再从-,A逐渐减至,A再次改变电源极性电流逐渐增至,A.由试验数据绘制出图中的磁滞回线.回线包围的面积极小气隙处仅有,T的剩磁可近似认为上升与下降曲线重合激磁磁动势很小时永磁体槽两侧,mm宽铁心还未饱和气隙磁密随磁动势快速增加回线的斜率很大该线段被称为“特征段”,mm宽铁心出(a)放置铝镍钴LNG时(b)放置铝镍钴LNG时图静止磁路装置的各种磁滞回线FigHysteresisloopsofstaticmagneticcircuitdevice现磁饱和回线斜率快速变小随后气隙磁密随磁动势缓慢增加磁密大于,T后整个磁路出现磁饱和回线略微弯曲.“特征段”中点近似为坐标原点磁路外加磁动势为.静止磁路模拟装置铁心中仅放置钕铁硼铁心中仅放置已饱和磁化过的钕铁硼试验得到图中磁滞回线.试验时施加很大的激磁磁动势能够比较全面地了解磁路磁化状况.回线包围面积极小上升与下降曲线基本重合说明在一定强度外部磁动势作用下钕铁硼去磁曲线和回复线是重合的回线仅穿过第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ象限不会进入Ⅳ象限.气隙处有,T的剩磁磁密高于,T后铁心出现饱和曲线开始弯曲.在Ⅰ象限的回线上也有斜率明显变大的“特征段”.显然在“特征段”的“中点”那个工作点上永磁体槽两侧,mm宽铁心中的磁场和磁动势均为由于永磁体槽两侧,mm宽铁心磁路与钕铁硼是并联的说明在该工作点钕铁硼上下端面间的磁动势也为.线圈提供的激磁磁动势全部作用到除永磁体槽区域以外的铁心和气隙磁路上在气隙处产生一定磁密.回线近似看作没有磁滞的一条曲线除铁心出现饱和部分外就好像是由回线向右上方平移后所得.由回线还可看出当外加反向磁动势很大时气隙磁密变为负值甚至最大反向磁场强度已经超过钕铁硼的矫顽力但是并没有去磁这是其内禀矫顽力很大的体现.静止磁路模拟装置铁心中仅放置铝镍钴铁心永磁体槽中分别嵌入LNG和LNG的铝镍钴分别进行试验得到图中磁滞回线和.外加激磁磁动势最大幅值足够大回线、穿过个象限都关于原点对称磁密高于,T后铁心出现磁饱和回线中间上升与下降曲线不重合两端趋于重合.磁动势高于,,A后回线两端才趋于重合有T±剩磁施加更高,,A的磁动势后回线的两端才趋于重合有T±的剩磁.LNG的Hc小回线所包围面积也小.磁滞回线中部上下曲线上都出现斜率明显变大的“特征段”.LNG的Hc大滞环包围面积也大改变其磁化状态所需的磁动势大外加磁动势不存在时为外部磁路产生的磁场并不比放置LNG时强.由于铝镍钴提供磁通的横截面宽度比钕铁硼的窄气隙处的剩磁也比仅放置钕铁硼时低.静止磁路模拟装置铁心中放置两种永磁体铁心永磁体槽中嵌入已饱和磁化过的钕铁硼然··天津大学学报第卷第期后分两次分别嵌入LNG和LNG的铝镍钴试验得到图中的磁滞回线和.外加激磁磁动势最大幅值足够大磁滞回线不再关于原点对称中间上升与下降曲线也不重合当磁密高于,T后铁心出现磁饱和.磁滞回线磁动势正向高于,,A后回线两端才趋于重合反向高于,,A后回线两端才趋于重合气隙处有正向最大,T、最小,T的剩磁.磁滞回线磁动势正向高于,,A后回线两端才趋于重合反向高于,,A后回线两端才趋于重合气隙处有正向最大,T、最小,T的剩磁.回线包围面积小.、两条回线的上下两根曲线上也都有“特征段”.正向强磁化后两种永磁体磁化方向一致并联一起工作气隙磁场增强反向强磁化后两种永磁体磁化方向相反铝镍钴将钕铁硼产生的一部分磁通在永磁体区域部分短路气隙磁场减弱.要想正向对磁路强磁化需要施加比较大的激磁磁动势.放置LNG时更要大许多.反向强磁化所需要施加的激磁磁动势都相对小一些.由图可见对于回线、和来说外加磁动势远远地超过了铁心、LNG和LNG的矫顽磁动势铝镍钴能够被相对来说很大的正反两向的外加磁动势饱和磁化回线都关于原点对称.LNG的Hc比LNG大回线包围面积也大.除铁心出现饱和时的部分以外就好像将回线、的中心向右上方平移了回线由回线处向右上方所做的平移而得到回线、.回线的剩磁值决定着回线向上平移的位移量回线的剩磁值主要取决于钕铁硼的宽度铝镍钴的宽度决定着回线和相对于回线向上和向下偏移的量即装置正反向强磁化后的剩磁值这两个剩磁值之比值就是磁路系统气隙处的最大弱磁倍数.调整两种永磁体的宽度就可以改变磁路系统的最大弱磁倍数.当铝镍钴与钕铁硼的截面宽度比大于后最大弱磁倍数将大于倍.放置两种永磁体时的磁滞回线族铁心永磁体槽中嵌入已饱和磁化过的钕铁硼分别嵌入LNG和LNG铝镍钴.在不同的正反最大激磁电流作用下得到如图所示的磁滞回线族.随着外加正反向激磁磁动势最大幅值的减小磁滞回线包围面积随之减小.下半条回线略微向上移动上半条回线向下移动.最大幅值较小时上半条回线甚至低于仅有钕铁硼时的磁滞回线说明无激磁磁动势时铝镍钴被钕铁硼反向磁化了.正反向磁化后的剩磁值与激磁磁动势幅值有关.由图可见铝镍钴厚度相同时放置Hc较小的LNG更容易对其正反向进行重新磁化.在静止磁路模拟装置中由于铁心叠长较短铁心窗口较大磁路较长漏磁较多也不像电机转子磁路具有“聚磁”特点气隙处磁密偏小但大体上反映出磁路所固有的工作机理.(a)放置铝镍钴LNG时(b)放置铝镍钴LNG时图静止磁路装置的磁滞回线族FigHysteresisloopfamilyofstaticmagneticcircuitdevice电机磁路工作机理由上述试验结果可以推理出内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁路工作机理.为了便于理解将铝镍钴正反向磁化时和磁化后的磁路工作状态分别用图中各等效磁路来表示.图中:Fa为直轴电枢磁动势FcN、RN、RNσ、ΦmN和ΦNσ分别为钕铁硼内磁动势、内磁阻、漏磁阻和其产生的磁通和漏磁通FcA、RA和ΦmA分别为铝镍钴内磁动势、内磁阻和其产生的磁通Φδ为气隙主磁通Φσ为漏磁通Rδ、Rσ、Rt、Re、Re和Rp分别为气隙、漏磁、定子齿、定子轭、转子轭和转子极靴磁阻.钕铁硼具有一定磁化方向厚度其矫顽力高内禀矫顽力更高事先已被饱和磁化在有限的电枢直轴助磁、去磁磁动势作用下其退磁曲线与回复曲线重合穿梭于Ⅰ、Ⅱ象限最后工作在Ⅱ象限.铝镍钴的矫顽力与内禀矫顽力很接近都很小在一定幅值的正反向直轴电枢磁动势作用下其磁滞回线穿梭于年月陈益广等:内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁路分析··个象限而最终工作在Ⅱ或Ⅲ象限内工作点变化很大使得转子内部永磁磁通的路径发生根本变化气隙永磁磁通随之发生显著变化.假设面对转子磁极一侧永磁体的表面近似为一个标量磁位等位面则两磁极间两种两两串联的永磁体为外部磁路提供相同的磁动势.(a)用较强直轴电枢磁动势进行正向磁化时(b)用较强的直轴电枢磁动势正向磁化后(c)用直轴电枢磁动势反向磁化时(d)用直轴电枢磁动势反向磁化后(e)用较弱的直轴电枢磁动势正向磁化时图可控磁通永磁同步电机的等效磁路FigEquivalentmagneticcircuitofinteriorcompositerotorcontrollablefluxPMSM下面结合图所示内置混合式转子可控磁通永磁同步电机气隙永磁磁场由较强→较弱→更弱→较弱→很强的改变过程对两种永磁体的磁化过程做一描述.为了突出最本质的问题将两块钕铁硼之间这部分铁心的磁压降即转子轭部的磁压降归入钕铁硼内部的磁压降.图钕铁硼和铝镍钴永磁体磁化过程FigMagnetizationprocessofNdFeBandAlNiCoPMs开始时假设转子已经被正向磁化过两种永磁体工作点分别处于A、a两点它们对应的磁通密度为BA、Ba为气隙和定子磁路提供的磁动势为Fa等效磁路如图(b)所示.两种永磁体为外部能够提供的总永磁磁通为mmNmAmNmAaAAaAa=BABAΦΦΦ=()式中AmN和AmA分别为钕铁硼和铝镍钴永磁体提供磁通的有效面积.气隙永磁磁场较强低速运行时力能指标高.当电机达到额定转速需要弱磁升速时施加反向id脉冲产生的直轴去磁磁动势最大幅值达到Fb两种永磁体的工作点从A、a点沿着各自的磁滞回线移动到B、b点.钕铁硼的工作点B依然在Ⅱ象限但是铝镍钴的工作点b已经转移到了Ⅲ象限说明它已经被反向磁化了.等效磁路如图(c)所示.Fb消失后两个永磁体就会沿各自磁滞回线移动到新工作点C、c对外部磁路提供的磁动势为Fc.此时钕铁硼的工作点C位于Ⅱ象限对应的磁通密度BC为正值.而铝镍钴的工作点c位于Ⅲ象限对应的磁通密度Bc为负值.等效磁路如图(d)所示.此时··天津大学学报第卷第期永磁体为外部能够提供的总永磁磁通为mmNmAmNmA=cCCcCcBABAΦΦΦ=−()与ΦmaA相比此时的总永磁磁通ΦmcC大大降低电机可以运行到较高的转速.若希望电机达到更高的转速则还需要削弱永磁气隙磁通施加幅值为Fd的直轴去磁磁动势脉冲Fd消失后工作点过渡到E、e两永磁体为外部能够提供的总永磁磁通ΦmeE比ΦmcC更小.当希望电机转速降低些但还高于额定转速时气隙永磁磁场应增强一些.施加幅值较小的正向id脉冲产生幅值为FF的助磁磁动势脉冲.等效磁路如图(e)所示.FF消失后工作点过渡到G、g.在此过程中钕铁硼沿其磁滞曲线由Ⅱ象限进入Ⅰ象限然后返回Ⅱ象限铝镍钴沿其磁滞曲线由Ⅲ象限进入Ⅳ象限然后返回Ⅲ象限.永磁体为外部能够提供的总永磁磁通ΦmgG比ΦmcC和ΦmeE都大一些.当电机低速运行时则永磁磁通应该很强.施加幅值为Fh的助磁磁动势脉冲两种永磁体分别沿着各自的磁滞回线移到Ⅰ象限的H、h点.等效磁路如图(a)所示.Fh消失后两种永磁体又将移到Ⅱ象限的新工作点I、i永磁磁路向外部提供的总磁通ΦmiI大大增强.通常I、i与A、a点是不重合的却是非常接近的.结语内置混合式转子可控磁通电机充分利用了钕铁硼剩磁密度和矫顽力都很高、铝镍钴剩磁密度高而矫顽力低的特点.当电机定子绕组施加直轴电流id脉冲后切向放置的铝镍钴磁化方向和大小发生变化使得两种永磁体在磁滞回线上的工作点都发生变化转子为外部磁路提供的磁通发生相应变化而且这种磁通的改变会被永磁体记忆.铝镍钴的工作点与其历史上的磁化状态以及重新磁化时所施加直轴电流id脉冲的方向和大小都有很大的关系.铝镍钴可以将磁性能很高的钕铁硼产生的磁通推向定子使永磁气隙主磁通最强也可以将钕铁硼产生的磁通在转子内部少部分或大部分地短路从而调控永磁气隙主磁通.铝镍钴的宽度决定着可调永磁磁通量的大小也就决定着电机的弱磁范围.气隙永磁磁通的增强与削弱调整后不需要额外的直轴电流来维持无附加的定子电流损耗.当磁路设计合理时调速范围可达倍以上.参考文献:[]唐任远现代永磁电机理论和设计M北京:机械工业出版社TangRenyuanModernPermanentMagneticMachinesTheoryandDesignMBeijing:ChinaMachinePress(inChinese)[]王秀和永磁电机M北京:中国电力出版社WangXiuhePermanentMagneticMachinesMBeijing:ChinaElectricPowerPress(inChinese)[]MorimotoSSanadaMTakedaYPerformanceofPMassistedsynchronousreluctancemotorforhighefficiencyandwideconstantpoweroperationJIEEETransactionsonIndustryApplications():[]BianchiNBolognaniSChalmersBJSalientrotorPMsynchronousmotorsforanextendedfluxweakeningoperationrangeJIEEETransactionsonIndustryApplications():[]AmaraYLucidarmeJGabsiMetalAnewtopologyofhybridsynchronousmachineJIEEETransactionsonIndustryApplications():[]ChenJJChinKPMinimumcopperlossfluxweakeningcontrolofsurfacemountedpermanentmagnetsynchronousmotorsJIEEETransactionsonPowerElectronics():[]OstovicVMemorymotorsJIEEETransactionsonIndustryApplicationsMagazine():[]OstovicVPolechangingpermanentmagneticmachinesJIEEETransactionsonIndustryApplications():[]LeeJHHongJPPermanentmagnetdemagnetizationcharacteristicanalysisofavariablefluxmemorymotorusingcoupledpreisachmodelingandFEMJIEEETransactionsonMagnetics():[]陈益广王颖沈勇环等宽调速可控磁通永磁同步电机磁路设计和有限元分析J中国电机工程学报():ChenYiguangWangYingShenYonghuanetalMagneticcircuitdesignandfiniteelementanalysisofwidespeedcontrollablefluxPMSMJProceedingsoftheCSEE():(inChinese)[]ChenYiguangPanWeiShenYonghuanetalMagneticfieldanalysisofinteriorcompositerotorcontrollablefluxpermanentmagnetsynchronousmachineJTransactionsofTianjinUniversity():

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