漏磁式機械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機損耗分析

羅振華,凌 濤,張志軒,劉章麒,梁建偉

(江西理工大學，贛州 341000)

0 引 言

近年來，節(jié)約能源一直是國家關(guān)注的重點為走可持續(xù)發(fā)展路線，國家推出一系列節(jié)能減排的政策。隨著能源領(lǐng)域的改革深入，對能源效率的要求越來越高，而與其密切相關(guān)的電機同樣需要提高質(zhì)量，確保電機的發(fā)展和應用更加可靠[1,2]。根據(jù)市場調(diào)查，業(yè)內(nèi)使用最多的是永磁電機，永磁電機因體積小、損耗低、功率密度高以及效率高等優(yōu)點被廣泛應用[3]。遺憾的是，普通永磁電機無法準確調(diào)節(jié)氣隙磁場，難免出現(xiàn)工作不穩(wěn)定，容易出故障的現(xiàn)象；而在普通永磁電動機工作時，永磁體易出現(xiàn)不可逆退磁、調(diào)速范圍不夠大以及高速運行范圍效率較低、恒功率區(qū)較窄等缺點[4,5]，極大地限制了永磁電機在穩(wěn)壓發(fā)電及恒功率調(diào)速驅(qū)動等場合的進一步推廣應用。

永磁電機作為重要的工業(yè)應用，如何實現(xiàn)其氣隙磁場的準確調(diào)節(jié)，探求新穎有效的電機磁場調(diào)節(jié)方式，為永磁電機恒功率調(diào)速驅(qū)動和穩(wěn)壓發(fā)電的應用場合提供可信的技術(shù)方案，是業(yè)內(nèi)一直致力解決的難題之一[6]。

現(xiàn)有的電機調(diào)節(jié)氣隙磁場的方式大致可分為三種。第一種是直接調(diào)磁[7]，該調(diào)節(jié)方式是借助直軸的負向電流形成磁場削弱電機的永磁磁場，從而形成弱磁，使電機的運行速度大幅提高，此方式常見于記憶合金電機或是變速驅(qū)動永磁電動機。第二種調(diào)節(jié)方式稱作混合勵磁[8,9]，其實現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能依賴于相互作用的兩種勵磁源所形成的磁場，對氣隙磁場造成影響，使其發(fā)生變化，擁有此類調(diào)節(jié)方式的電機稱作混合勵磁電機，其應用也十分廣泛。第三種調(diào)節(jié)方式為機械調(diào)磁[10,11]，該方式是借助外部調(diào)磁裝置，形成有規(guī)律的運動，使電機內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，從而改變內(nèi)部氣隙磁場的分布情況，我們將這種電機稱作機械調(diào)磁型電機。

除了解決氣隙磁場問題，如何提高電機的平均效率也十分重要，需要深入分析電機的各類損耗[12]，以便在弱磁的同時， 降低電機的損耗，提高電機的效率。

本文深入分析機械裝置的弱磁效果與電機損耗，以驗證漏磁式機械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機設(shè)計的可行性和適應性。

1 工作原理

漏磁式機械調(diào)磁式永磁電機以普通永磁電機為基礎(chǔ)，在電機外部加設(shè)機械調(diào)磁裝置，通過調(diào)磁裝置與電機同步運行，可以使電機磁場分布得到調(diào)節(jié)，電機本身的結(jié)構(gòu)并沒有改變，依然具有效率高和效率密度高等優(yōu)點[12,14]。

機械調(diào)磁的原理是根據(jù)電機不同的轉(zhuǎn)速，使調(diào)磁裝置產(chǎn)生大小不同的離心力，通過連桿改變調(diào)磁塊與轉(zhuǎn)子的相對位置，永磁體與調(diào)磁塊之間的氣隙大小將發(fā)生變化，形成程度不相同的漏磁，達到調(diào)節(jié)電機內(nèi)部氣隙磁場的效果，調(diào)磁裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)速越大，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過的角度也越大；當轉(zhuǎn)速逐漸減小時，彈簧拉動滑塊使調(diào)磁塊逐漸回到初始位置。整體的裝機爆炸示意圖如圖2所示。

圖1 調(diào)磁裝置示意圖

圖2 裝機爆炸圖

2 電機二維有限元模型

通過ANASYS Maxwell有限元軟件，建立漏磁式機械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機有限元結(jié)構(gòu)模型。圖3給出了調(diào)磁塊相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過0，6°和12°時的電機模型。

(a) 初始位置

(b) 轉(zhuǎn)過6°

(c) 轉(zhuǎn)過12°圖3 電機有限元模型

3 電機參數(shù)仿真計算

3.1 磁鏈與反電動勢波形

磁鏈是導電線圈或電流回路所鏈環(huán)的磁通量，計算方法為用線圈匝數(shù)N與穿過各匝的磁通量φ相乘。電機的磁通Φ和磁鏈Ψ分別如下：

(1)

(2)

式中:nz為單相繞組線圈數(shù);Nk為繞組線圈匝數(shù);Azk為第k個線圈所在區(qū)域的平均矢量磁位;dk為第k個線圈的電流方向。

圖4給出了在不同角度下的A相磁鏈波形。由圖4可知，不同角度下繞組磁鏈波形對稱，波形的正弦性較好；在電機調(diào)磁塊相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過6°和12°時，可以清晰地看出繞組磁鏈之間存在相位差，磁鏈波形也發(fā)生了變化，其中單相繞組的波動大幅減小，這一結(jié)果與之前分析的結(jié)論是一樣的。接下來，我們用過轉(zhuǎn)角的方式在機械調(diào)磁裝置中對磁鏈的大小進行有效的調(diào)節(jié)。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過的角度發(fā)生變化時，A相繞組匝鏈會出現(xiàn)磁通的變化，兩者之間呈反相關(guān)。

圖4 磁鏈波形對比圖

當空載運行時，磁場會在永磁體的同步轉(zhuǎn)動下形成，磁力線會被線圈導體切割而產(chǎn)生感應電動勢，此處出現(xiàn)的電動勢就是空載反電動勢。其有效值可表示：

E0=4.44fNKdpΦ0

(3)

式中：f為電機頻率，f=np/60，N為繞組線圈單相串聯(lián)匝數(shù)；Kdp為基波繞組系數(shù)；Φ0為永磁體產(chǎn)生的每極基波磁通。

圖5給出了不同角度下的A相空載反電動勢波形。當機械裝置作用于調(diào)磁塊使之錯開6°和12°時，電機內(nèi)磁場發(fā)生改變，反電勢波形的形狀發(fā)生改變；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，A相的空載反電動勢會相應減小。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)調(diào)磁塊錯開角度能有效調(diào)節(jié)電機空載反電動勢大小。

圖5 空載反電動勢波形對比圖

3.2 鐵心損耗

根據(jù)電機的損耗，我們不僅可以知道其工作效率，還能知道其溫度分布情況。電機性能與兩大因素密切相關(guān)，一個是鐵耗，另一個是銅耗，其中鐵耗是指渦流與磁阻的損耗，而銅耗是指在電機運行時，線圈中的銅線產(chǎn)生的損耗。損耗公式如下[8]：

pCu=I2Ra

(4)

(5)

(6)

式中：I為電樞繞組電流；Ra為電樞繞組的阻抗；pCu為銅耗；ph為磁滯損耗；pe為渦流損耗；Ch為鐵心的磁滯損耗系數(shù)；V為鐵心體積；Ce為鐵心的渦流損耗系數(shù)；CFe為鐵心的損耗系數(shù)。

不同旋轉(zhuǎn)角度下,磁滯損耗波形如圖6所示，渦流損耗如圖7所示。

圖6 磁滯損耗波形對比圖

鐵心中磁滯損耗和渦流損耗之和，稱為鐵心損耗，如圖8所示。

圖8 鐵心損耗波形對比圖

由以上波形可知，當電機中的調(diào)磁塊旋轉(zhuǎn)角度越大，永磁體與調(diào)磁塊所產(chǎn)生的漏磁則越多，從而使定轉(zhuǎn)子鐵心中磁通密度減小，并降低材料的磁滯損耗和渦流損耗。

3.3 銅耗

在三相定子繞組接上電阻負載時，可得到三相繞組電流，同時產(chǎn)生銅耗，圖9給出了在轉(zhuǎn)過不同角度下的銅耗仿真結(jié)果。

圖9 電機銅耗波形對比圖

由圖9可知，電機的銅耗隨調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過的角度改變而變化，當轉(zhuǎn)過的角度越大，弱磁效果越明顯，同時定子電流和電機的銅耗也會相應地減小。

3.4 電機直軸電感與電流

計算永磁同步電機的電感時，一般認為直交軸電感為完全解耦，直軸電感取決于直軸電流：

ψd=Ldid+ψm

(8)

ψq=Lqiq

(9)

式中：ψm代表永磁磁鏈。

圖10是直軸電感波形。通過添加負載，可得到直軸電感與電流關(guān)系，如圖11所示。

圖10 直軸電感波形圖

如圖10所示，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過一定的角度時，直軸磁路產(chǎn)生一定的漏磁，且漏磁磁路比原交鏈的磁路更短，磁阻將變小，以致直軸電感減小。電感隨電流變化波形如圖11所示，當直軸電流變大時，直軸電感也相應增大。

圖11 直軸電感隨電流變化波形

4 結(jié) 語

本文通過對漏磁式機械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的有限元分析與仿真，可得到以下結(jié)論：

1) 利用調(diào)磁塊可調(diào)節(jié)電機的氣隙磁場，調(diào)磁塊轉(zhuǎn)過的角度越大，電機弱磁效果越明顯。

2) 通過調(diào)磁塊的弱磁作用，可明顯減小電機的磁滯損耗、渦流損耗以及銅耗。在相同的轉(zhuǎn)速下，電機的效率有所提高。

3) 通過電機的弱磁與電機的損耗分析，驗證了漏磁式機械調(diào)磁外轉(zhuǎn)子永磁同步電機設(shè)計的合理性。