磁阻轉矩對永磁電機性能的影響分析

沈陽航天新光集團有限公司 張景峰 倪瑞林 申春艷 韓 冬

磁阻轉矩對永磁電機性能的影響分析

沈陽航天新光集團有限公司 張景峰 倪瑞林 申春艷 韓 冬

永磁同步電機由于交直軸磁路存在差異會產生磁阻轉矩，而磁阻轉矩的利用情況對于電機的過載能力、功率密度和轉矩密度都有一定影響。本文以一臺190kW永磁同步電機作為研究內容，將解析法與有限元計算相結合，分別分析了其在含有磁阻轉矩分量和沒有磁阻轉矩分量下電機整體性能的變化。

永磁同步電機；磁阻轉矩；電機性能

1.引言

永磁同步電機的顯著特點就是高效率、高功率密度、高轉矩密度以及一定的過載能力。其冷卻結構是非常重要的一個部分。為了滿足上述要求，磁阻轉矩的利用情況就成了一個非常關鍵設計點，若能合理并充分地利用好磁阻轉矩，既能提高功率密度和轉矩密度，又能有效減少永磁材料的用量。

2.磁阻轉矩對于電機平均轉矩的影響

電磁轉矩表達式[1]：

本節針對190kW-8極，額定轉速1800rpm，額定轉矩1008N·m的永磁同步電機模型進行磁阻轉矩對于平均轉矩影響的分析。電機模型圖如圖2.1所示。

圖2.1　190kW永磁同步電機

分析過程如下：首先將定子電流全部加在q軸上時，此時的直軸電流Id=0。電磁轉矩中只包含永磁磁鏈與交軸電流相互作用而產生的永磁轉矩，而由于交直軸磁路不對稱存在的磁阻轉矩并沒有利用上。此時若要得到額定轉矩1008N·m，運用Ansoft有限元軟件仿真出的定子電流有效值為170A；當加入磁阻轉矩分量，并取內功率因數角ψ=25°時，若要達到額定轉矩，運用有限元法仿真出的定子電流有效值為141A，降低了17.06%的定子電流值。當把定子電流設為141A，內功率因數角ψ為0°時，轉矩僅為857N·m，降低了14.98%的轉矩輸出。可見，在相同轉矩輸出情況下，磁阻轉矩可以有效降低定子電流幅值；在相同定子電流幅值情況下，磁阻轉矩可以提高電機轉矩輸出。若取定子電流141A不變，通過改變內功率因數角的值，使其在0°到90°范圍內變化，分離磁阻轉矩和永磁轉矩仿真結果如表2.1和圖2.2所示。

表2.1　取不同內功率因數角時各個轉矩

圖2.2　各轉矩分量隨內功率因數角的變化趨勢

根據仿真結果可知，隨著內功率因數角ψ的增大，電磁轉矩有一個先增大后減小的趨勢，在30°左右達到最大值，并在45°之后呈急劇下降趨勢；永磁轉矩則一直在減小；磁阻轉矩同樣有一個先增大后減小的趨勢，趨勢比較平穩，在50°左右達到最大值。由計算結果可見，若想充分利用磁阻轉矩且在不浪費永磁轉矩前提下，內功率因數角ψ有一個最佳的取值范圍，針對本臺樣機模型應該為20°到40°之間。

3.磁阻轉矩對于電機失步轉矩的影響

文獻[1]中的同步電動機電磁轉矩表達式：

由表達式3.1可以看出，磁阻轉矩取決于交、直軸同步電抗Xq與Xd之差。Xq、Xd差值越大，磁阻轉矩的幅值越大，電機功率密度、轉矩密度和過載能力也會有所提高。

已知190kW樣機的端電壓U=878V，空載反電動勢E0=692.5V，頻率f=120Hz。本節通過求出電機的交、直軸同步電抗Xq與Xd，繪出矩角特性曲線，直觀反映出磁阻轉矩對于失步轉矩的影響。電抗計算方法采用“交直軸分解[2]”法。

圖3.1　190kW樣機模型

圖3.2　等效d軸狀態下空載氣隙磁密波形

圖3.3　等效d軸狀態下負載氣隙磁密波形

圖3.4　等效q軸狀態下空載氣隙磁密波形

圖3.5　等效q軸狀態下負載氣隙磁密波形

圖3.6　等效q軸狀態下分離出的氣隙磁密波形

圖3.7　矩角特性曲線

表3.1　190kW樣機電抗計算結果

將計算結果帶入式3.1中，得出如圖3.2所示的矩角特性曲線。

由矩角特性曲線可知，當轉矩角θ=90°時，電磁轉矩為不含有磁阻轉矩分量的失步轉矩，計算值為1409.4Nm；當θ=114.0°時，電磁轉矩為含有磁阻轉矩分量的失步轉矩，計算值為1604.6Nm，較不含有磁阻轉矩分量的失步轉矩提高了13.85%，可見磁阻轉矩可以有效提高電機的過載能力。

4.結論

本文針對190kW永磁同步電機，分析了磁阻轉矩對于整個電機性能的影響，通過解析法與有限元法相結合，計算得出當電機在利用磁阻轉矩較未利用磁阻轉矩的情況下，輸出相同額定轉矩的定子電流可降低17.06%，失步轉矩可提高13.85%，并且計算出了不同內功率因數角下的轉矩曲線以及不同轉矩角時的矩角特性曲線，通過計算結果可知磁阻轉矩的存在提高了電機的整體性。

[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,1997.

[2]張寶強.基于有限元方法的永磁同步電動機等效電路參數計算[D].沈陽:沈陽工業大學,2008.

張景峰（1988－），遼寧沈陽人，碩士研究生，畢業于沈陽工業大學電氣工程專業，專業方向為永磁電機，現就職于沈陽航天新光集團有限公司。