新型磁通切換機械調磁永磁電機設計分析

張志軒,劉雨鋒,鐘清偉,羅振華

(江西理工大學，贛州 341000)

0 引 言

隨著能源危機與環境污染的問題日漸嚴重，高效節能的稀土永磁電機逐漸受到業界的重視[1-2]。近年來，永磁材料的性能不斷提升，高性能的永磁電機在日常生活中也逐漸普遍使用[3-4]。然而，由于傳統的永磁電機普遍存在氣隙磁場調節難度較大的問題，導致其用在發電場合時，電機的端電壓會出現波動及故障時難以去磁[5-6]；在作為電動機運行時，永磁體會出現不可逆退磁、調速范圍不夠寬、高速運行范圍內效率較低和恒功率區較窄等缺點，極大地限制了永磁電機在穩壓發電與恒功率調速等場合的進一步推廣應用[7-12]。

為此，探求新穎有效的電機磁場調節方式，為永磁電機恒功率調速驅動和穩壓發電的應用場合提供可信的技術方案，解決傳統永磁電機氣隙磁場調節困難的問題，成為近些年永磁電機研究的重點領域之一[13]。

根據現有的機械調磁式內置式永磁同步電機在功率密度、效率、弱磁調速和生產成本等諸多特征，結合機械調磁永磁電機與磁通切換型電機的各自優點，本文研究了一類基于磁通切換原理的漏磁式機械調磁永磁電機，以一臺12/10極磁通切換機械調磁電機為例，探究了該類電機的電磁設計機理，優化電機結構參數，獲得了該類電機電磁性能，并且研究了該新型機械調磁裝置的調磁特性，為以后研究此類電機提供了建設性的理論指導。

1 工作原理

1.1 磁通切換原理

磁通切換原理是電機轉子在旋轉過程中，線圈匝鏈的磁通自動切換路徑，從而磁通的極性和數值在一個電周期內交替性變化，磁通依據磁阻最小原理進行閉合[14-15]。

新型磁通切換機械調磁永磁電機的磁通切換原理如圖1所示。當電機轉子位于圖1(a)的位置時，永磁體產生的磁通穿過轉子單元，進入定子齒，后通過相鄰定子齒穿出氣隙返回永磁體。而當電機運行到圖1(b)時，定子繞組匝鏈的磁通數值不變，但磁通所通過的路徑恰好相反，從而形成數值一致但極性相反的磁通路徑。

(a) 穿入狀態

(b) 穿出狀態

1.2 調磁原理

本文以永磁同步電機作為研究對象，設計一種新型機械調磁裝置，在磁通切換電機外部添加梯形調磁塊來達到調節電機內部磁場的目的。該調磁裝置相對于傳統的矩形調磁塊，既可以減少調磁裝置的用量，同時也可以達到合理調磁的效果。新型磁通切換機械調磁永磁電機的調磁機理磁路分析示意圖如圖2所示。由圖2可知，永磁體產生的主磁通路徑基本一致，主要利用附加的調磁塊使得部分永磁磁通通過調磁塊形成漏磁通，從而減弱通過氣隙的主磁通，以達到機械同步調磁裝置的弱磁效果。依據機械調磁裝置的調磁機理，電機運行可分為兩種狀態：單元轉子與調磁塊相對位置對齊狀態和錯開狀態。對齊時，電機與正常的磁通切換電機相同；錯開時，為電機弱磁調速狀態。

(a) 對齊狀態

(b) 錯開狀態

當電機運行于額定轉速以下時，機械調磁裝置未動作，單元轉子與調磁塊相對位置對齊，如圖2(a)所示，除了少量漏磁通外，電機主磁通路徑為永磁體N極→轉子齒→氣隙→定子齒→相鄰定子齒→氣隙→相鄰轉子齒→永磁體S極，形成磁通閉合路徑。電樞繞組產生的感應電動勢由永磁磁場的變化提供，表達式如式1所示。

(1)

式中：ψ為永磁磁鏈；ω為電機運行角速度。

當電機運行于額定轉速以上時，機械調磁裝置動作，使調磁塊與單元轉子錯開一定角度，從而改變通過氣隙主磁通的數值。圖2(b)為調磁塊作用時電機的主要磁通路徑圖。主磁通路徑與調磁裝置未動作時相同，但永磁體產生的磁通會有部分通過調磁塊形成閉合路徑，導致通過氣隙的主磁通減少，相應地，氣隙內的磁密也隨之減小，電機的弱磁擴速性能得以提高。

由此可知，當機械調磁永磁電機用作發電機時，可根據電機轉速大小來實時調節調磁塊與轉子齒的相對位置，進而調節電機氣隙磁密，實現發電機恒壓輸出的效果。當用作電動機時，可在基速以上減小電機氣隙磁密，達到電機擴速的效果。

2 電機電磁設計與優化

機械調磁永磁電機與普通磁通切換電機相似，故在不考慮電機繞組電阻的情況下，電機的主要尺寸如下:

(2)

式中：Dst為定子外徑；le為軸向長度；Kd為漏磁系數，一般取0.90～0.94；Ks為斜槽系數，當定子為直槽時Ks為1；Cs為定子極弧系數，通常為0.20～0.25；As為線負荷，設計經驗值為15 000～30 000；Bg是氣隙磁密；η為電機效率。

本文以12/10極結構的磁通切換電機為例，永磁體材料選為N35型的釹鐵硼，電機繞組采用集中式繞組。電機具體結構示意圖如圖3所示，主要初始設計參數如表1所示。

圖3 電機結構模型

電機參數數值電機參數數值額定功率PN/kW1定子極數Ns12額定轉速n/(r·min-1)750轉子極數Nr10相數3轉子外半徑Ra/mm88定子外半徑Rst/mm69轉子內半徑Re/mm69.4定子齒高hs/mm19轉子齒高hr/mm8.6定子齒占內徑弧度ls/(°)14轉子齒占內徑弧度lr/(°)6氣隙寬度hz/mm0.4轉軸半徑Rz/mm40

本文在磁通切換機械調磁永磁電機初始設計參數的基礎上，以增大電機空載反電動勢與降低齒槽轉矩為目的，對電機的各項初始參數利用ANSYS軟件進行優化設計。

綜上所述，BIM技術廣泛應用于當前建筑物的設計和建設中，BIM技術的應用為綠色建筑的發展提供了分析工具，為綠色建筑在材料、能耗和環境方面提供了信息。

2.1 轉子優化

電機初始設計部分，轉子形狀設計成U形槽，經計算初始轉子齒寬為6°。但是該結構可能不是此類電機的最優設計，故本文提出E形槽轉子結構。針對這兩種結構，對比分析了轉子形狀與齒寬對電機磁鏈、反電動勢和齒槽轉矩等電磁特性的影響。

兩種轉子結構拓撲圖如圖4所示。將初始的U形槽結構優化成E形槽后，轉子槽口變小，定轉子齒相對橫截面將增大，兩者之間磁路磁阻減小，故該單元轉子結構可以獲得更大的反電動勢。

(a) U形轉子結構

(b) E形轉子結構

圖5為電機兩種結構的磁力線分布圖。由圖5可知，E形轉子結構的磁力線分布較U形結構的更合理，故改進后的E形結構可獲得更大的空載反電勢。

(a) U形轉子結構

(b) E形轉子結構

圖6為兩種結構電樞繞組磁鏈變化規律。由圖6可知，當轉子為U形槽結構時，其幅值大約為0.054 Wb，E形轉子槽結構繞組磁鏈的幅值可達到0.079 Wb，為U形槽的1.5倍。由于E形槽轉子結構相較U形槽轉子結構，電機繞組磁鏈明顯提高，因此，電機單元轉子結構為E形槽結構更優。

圖6 繞組磁鏈變化圖

圖7為兩種轉子結構的感應電動勢變化曲線。由圖7可知，經過優化的E性槽結構空載反電動勢幅值大約提高9 V。

齒槽轉矩是永磁電機開路時永磁體邊端與定子齒相互作用產生的轉矩，是永磁電機特有的問題之一。圖8為不同轉子槽形結構下齒槽轉矩變化規律圖。由圖8可知，經過轉子槽形的優化，齒槽轉矩幅值相應降低，電機低速控制時可靠性顯著增強。

圖7 空載反電動勢變化圖

圖8 齒槽轉矩變化圖

2.2 永磁體優化

本文從永磁體形狀與磁化方向厚度兩方面對電機優化，在滿足電機設計性能的基礎上，充分提高永磁材料的利用率。

(a) 矩形

(b) 扇形

圖10為不同傾斜角β下空載反電動勢的變化曲線。隨著角度的變化，波形并無顯著變化，在β=2°時繞組反電動勢峰值最大。

圖10 感應電動勢變化圖

圖11為齒槽轉矩隨傾斜角β的變化規律。由圖11可知，齒槽轉矩隨β角的增大而增大，因此，永磁體為平行結構時齒槽轉矩最優。

綜合電機電磁特性隨傾斜角度的變化規律，當永磁體為平行形狀時，電機各方面性能較為優良。

另一方面，保持轉子齒寬不變，分析電機性能與永磁體磁化厚度的關系。圖12為繞組磁鏈與齒槽轉矩隨永磁體磁化厚度變化的曲線圖。由圖12可知，電機繞組磁鏈與齒槽轉矩均隨磁化方向厚度的增加而增大，但效果并不明顯。故選擇永磁體磁化厚度為5°作為最終參數。

圖11 齒槽轉矩變化圖

(a) 磁鏈變化圖

(b) 齒槽轉矩變化圖

綜上，對新型磁通切換機械調磁永磁電機基本結構尺寸參數優化分析，最終確定電機主要結構參數如表2所示。

表2 電機優化后主要結構參數

3 電機有限元分析

3.1 磁場分布圖

電機運行于額定轉速以下時，機械調磁裝置中的調磁塊與單元轉子處于中心對齊位置，電機空載磁場分布如圖13所示。當電機加速到額定轉速以上時，兩者錯開一定的角度，此時的磁場分布圖如圖14所示。兩者對比，可見電機氣隙磁場發生顯著變化，調磁裝置實現了電機內部調磁的目的。

(a) 磁密云圖

(b) 磁力線圖

(a) 磁密云圖

(b) 磁力線圖

3.2 氣隙磁密

電機運行在額定轉速下的氣隙磁密如圖15(a) 所示，由于永磁體切向充磁，具有聚磁效應，磁密幅值可達2.1 T；當電機運行于額定轉速以上時，機械調磁裝置作用，永磁磁通有部分形成漏磁通，導致氣隙磁密峰值減小為1.5 T，如圖15(b) 所示。由此可知，機械調磁裝置的作用削弱了電機內部的氣隙磁密，實現了電機弱磁調速的目的。

(a) 基速以下

(b) 基速以上

3.3 調磁性能

新型磁通切換機械調磁永磁電機的創新點在于利用電機旋轉時的離心力與機械調磁裝置的協調配合，實現電機內部氣隙磁場有效調節的目的。

表3分析了調磁塊與轉子錯開不同角度下電機的調磁性能。由表3可知，當錯開角度為15°時，調磁效果可達29.6%。

表3 錯開角度不同時的調磁性能

4 結 語

本文對新型磁通切換機械調磁永磁同步電機進行初步設計與優化，并對其調磁性能進行了分析研究，可得到以下結論：

1) 利用調磁塊可有效調節電機內部的氣隙磁場，在合理的角度范圍內，調磁塊與單元轉子錯開角度越大，電機弱磁效果越明顯。

2) 利用調磁塊的弱磁作用，可明顯降低電機內部的氣隙磁密與繞組的空載磁鏈、反電動勢；同時齒槽轉矩峰值也有所降低。

3) 通過電機的優化與電機的弱磁分析，驗證了新型磁通切換機械調磁永磁同步電機設計的合理性。