一種提高永磁牽引電機弱磁擴速能力的新結構

陳麗香 張兆宇 唐任遠

（沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心 沈陽 110870）

1 引言

電機“弱磁”擴速時，轉速計算公式為[1]

式中n——電機轉速；

p——電機極對數；

ulim——極限電壓；

Lq——交軸同步電感；

Ld——直軸同步電感；

iq——交軸電流；

id——直軸電流；

ψf——空載永磁磁鏈。

所能達到的最高轉速為

由式（1）、式（2）可知，可以通過減少交軸同步電感Lq、增加直軸同步電感Ld、增大電機的極限電壓ulim和極限電流ilim、減少永磁磁鏈ψf等措施來提高弱磁效果，在這些措施中，增加直軸電感Ld最為理想，因此解決弱磁擴速問題的關鍵在于永磁牽引電機轉子磁路結構的設計。近年來，為提高永磁牽引電機的弱磁擴速能力，許多學者紛紛提出了一些轉子磁路上的設計思想[2]。如采用復合式轉子結構，增加永磁磁阻段，在一定程度上提高了弱磁擴速能力[3]，但這種結構致命的缺點就是功率密度犧牲得太多，因此在實際應用中受到了限制；在表面凸出式轉子的外面加上軛鐵，并在磁極間增加了磁障，使得電機的直軸電感有所增大，弱磁擴速能力有所提高[4]；此外，還有采用漏磁磁路弱磁等其他方法提高弱磁擴速能力[5]，但總體上來看不是弱磁效果不明顯就是會帶來其他嚴重的負面影響，均有待于深入研究。

2 提高弱磁擴速能力的轉子磁路

為提高弱磁擴速能力，本文提出一種新的轉子磁路結構——內置分段式結構。為便于分析，將該結構與傳統結構中弱磁擴速能力相對較強的內置式徑向磁路結構進行比較，電機模型的具體參數及所用永磁體的參數見表1和表 2，兩種結構的沖片如圖1和圖2所示。轉子結構確定以后，通過Ansoft電磁場分析計算軟件對比了兩種轉子磁路結構的氣隙磁通密度波形和弱磁擴速性能，兩種轉子磁路結構的氣隙磁通密度波形及諧波分析如圖 3～圖 6所示。由兩種轉子磁路結構的氣隙磁通密度波形及諧波分析可以看出，新結構的氣隙磁通密度波形略好于內置徑向結構的氣隙磁通密度波形，但還不是很理想，主要原因是本次設計的樣機體積小，轉子空間有限無法進行更優的分段設計，空載氣隙磁通密度波形不能進一步優化，對于功率等級大一點的樣機，可進一步分段優化設計，提高氣隙磁通密度波形的正弦度。

表1 樣機額定數據Tab.1 Rating data of prototype

表2 永磁體數據Tab.2 Permanent magnet data

圖1 內置徑向結構的轉子沖片Fig.1 Rotor lamination of interior radial structure

圖2 新型分段結構的轉子沖片Fig.2 Rotor lamination with novel segmented structure

圖3 內置徑向結構的氣隙磁通密度Fig.3 No-load air-gap flux density of interior radial structure

圖4 新型分段結構的氣隙磁通密度Fig.4 No-load air-gap flux density of novel segmented structure

圖5 內置徑向結構氣隙磁通密度波形的諧波分析Fig.5 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of interior radial structure

圖6 新型分段結構氣隙磁通密度波形的諧波分析Fig.6 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of novel segmented structure

永磁牽引電機在等效直軸去磁狀態下的氣隙磁通密度波形下凹得越厲害，說明弱磁效果越好，本文分析了兩種結構在等效直軸去磁狀態下的氣隙磁通密度波形，如圖7、圖8所示。

圖7 內置徑向結構等效去磁狀態下的氣隙磁通密度Fig.7 Air-gap flux density of interior radial structure under equivalent demagnetization status

圖8 新型分段結構等效去磁狀態下的氣隙磁通密度Fig.8 Air-gap flux density of novel segmented structure under equivalent demagnetization status

由圖 7、圖8不難發現在等效去磁狀態下，新型分段結構的氣隙磁通密度波形下凹幅度明顯大于普通內置徑向結構的氣隙磁通密度波形，因此新型分段結構的弱磁擴速能力要優于普通內置徑向結構，具體參數計算值見表3。

表3 兩種結構參數計算結果Tab.3 Parameter results of two structures

由表3可以看出內置分段結構的直軸電樞反應電感是內置徑向結構的 195.76%，因此有利于提高電機的弱磁擴速能力。

定子漏電感主要包括定子槽漏電感、定子端部漏電感、定子諧波漏電感、定子斜槽漏電感四個部分，定子漏電感由傳統公式計算所得，考慮到本文所設計的兩個電機所用的定子完全相同，因此定子漏感取相同計算值，具體計算如下：

漏抗系數定子槽比漏磁導

定子槽漏抗

定子諧波漏抗

定子端部漏抗

定子斜槽漏抗

定子漏抗

由上述公式計算得到兩個電機的定子漏電感為0.8662mH，因此內置徑向結構的直軸電感dL為3.1098mH，內置分段結構的直軸電感dL為5.2582mH。

由公式

表4 兩種結構不同最高轉速的所需要的直軸電流計算結果Tab.4 D-axis current results of two structures corresponding to different highest speeds

由表4可以看出，在相同理想最高轉速時內置分段結構所需的直軸電流ilim2明顯小于內置徑向結構所需的直軸電流ilim1，采用內置分段結構能夠以較小的直軸電流換取更高的轉速，比如當ilim1= 1 3.992A時，nmax1= 2 000r/min，ilim2=13.083A時，nmax2= 3 000r/min，ilim1/ilim2×100%=93.5%、nmax2/nmax1×100%=150%，因此內置分段結構更有利于提高弱磁擴速能力。

3 試驗結果分析

為了驗證上述的分析結果，制作了兩臺電機，一臺采用普通內置徑向轉子磁路結構；另一臺采用本文提出的分段式轉子磁路結構。內置分段式結構在弱磁擴速能力得到提高的同時，由于氣隙磁通密度的降低，帶來額定電流及熱負荷的增加，本文對此提出了定子繞組加匝的解決方案。通過試驗測試得到兩種結構電機的電感數據見表5。

表5 電感測量數據Tab.5 Inductance measurements

從試驗數據中可以看出，本文提出的內置分段結構能夠增加永磁牽引電機的直軸電感，有利于提高永磁牽引電機的弱磁擴速性能。在對樣機的電感測量基礎之上，本文對樣機進行了空載弱磁擴速試驗，試驗數據見表6，圖 9則給出了轉速與電流的關系曲線。

表6 弱磁擴速試驗數據Tab.6 Test data of flux-weakening level

圖9 轉速與電流關系曲線Fig.9 Relationship between speed and current

從試驗數據中可以看出，當電流同為 2A時，內置分段結構所能達到的最高轉速為內置徑向結構的 1.4倍。可以驗證本文提出的內置分段結構永磁牽引電機的弱磁擴速性能要優于內置式結構的永磁牽引電機。對兩種結構的樣機進行了完整的電機試驗，試驗主要性能指標見表7。

表7 樣機試驗數據Tab.7 Test data of prototype

開發的樣機采用F級絕緣，樣機的溫升滿足要求，效率與功率因數也滿足樣機性能指標要求。

4 結論

本文提出了一種可有效增大直軸電感的內置分段式轉子磁路結構，經Ansoft電磁場分析計算，弱磁擴速能力明顯提高。通過樣機試驗的對比分析，內置分段結構的直軸電感比內置徑向結構大了76%，當電流同為2A時，內置分段結構所能達到的最高轉速為內置徑向結構的 1.4倍，驗證了內置分段結構可有效提高永磁牽引電機的弱磁擴速性能，且樣機其他性能滿足設計要求。

[1]唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[2]Xu Longya, Ye Lurong, Li Zhen, et al. A new design concept of permanent magnet machine for flux weakening operation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1995, 31(2): 375-378.

[3]嚴嵐, 賀益康, 嚴偉燦. 弱磁用復合式轉子永磁無刷直流電機設計[J]. 中小型電機, 2002, 29(2):5-8.

Yan Lan, He Yikang, Yan Weican. Design of a PM brushless DC motor with combined rotor structure used for flux weakening[J]. Small and Medium Electric Machines, 2002, 29(2): 5-8.

[4]Huajie Yin, Lin J M. Comparison on characteristics of PMSMS with different parameters for fluxweakening operation[C]. Proceedings of International Conference on Electrical Machines and System, 1994:1-5.

[5]尹華杰, 蔣豪賢, 謝運祥, 等. 一種永磁同步電動機弱磁新方案[J]. 微電機, 1999, 32(2): 13-15.

Yin Huajie, Jiang Haoxian，Xie Yunxiang, et al. A new method on weakening field of permanent magnet synchronous motor[J]. Micromotors, 1999, 32(2):13-15.