稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)等效磁網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法
謝 衛(wèi) 汪國(guó)梁 (西安交通大學(xué)710049)
【摘要】運(yùn)用磁通管原理建立自起動(dòng)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，該模型可適用于不同的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。文中介紹節(jié)點(diǎn)磁位方程的求解方法及等效磁網(wǎng)絡(luò)在永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，給出設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值的比較。
【敘 詞】永磁電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)／磁網(wǎng)絡(luò)．／節(jié)點(diǎn)法設(shè)計(jì)
l引言
永磁同步電動(dòng)機(jī)(pmsm)由于具有標(biāo)觀效率(7/cos力高、結(jié)構(gòu)靈活多樣等突出優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中居于****地位。特別是性能優(yōu)異的第三代稀土永磁材料——釹鐵硼(nd -fe -b)的研制成功，使得稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛。然而，永磁電機(jī)。與一般的電勵(lì)磁式電機(jī)相比，磁路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行性能都有很大不同，采用傳統(tǒng)的分析方法設(shè)計(jì)電機(jī)往往會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，目前使用較多的等效磁路法存在許多不足之處。等效磁路法的理論基礎(chǔ)是合成磁場(chǎng)理論，屬于典型的集中參數(shù)方法。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分布復(fù)雜：僅依靠少量磁導(dǎo)構(gòu)成的等效磁路模型是難以反映磁場(chǎng)的真實(shí)情況昀，尤其是氣隙磁場(chǎng)波形無(wú)法計(jì)算，使得一些關(guān)鍵參數(shù)（如極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)和直、交軸電樞反應(yīng)電抗等）的計(jì)算只得借助于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線(xiàn)，而此類(lèi)數(shù)據(jù)或曲線(xiàn)大都是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)尺寸和特定永磁材料的，其通用性較差。雖已提出并采用磁場(chǎng)的有限元分析作為輔助設(shè)計(jì)的手段，但由于有限元分析軟件要求計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，數(shù)據(jù)的前后處理工作復(fù)雜，特別是計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不便于在實(shí)際中應(yīng)用和推廣。因此，尋求一種既能滿(mǎn)足一定精度要求又可為生產(chǎn)實(shí)際所接受的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法是非常必要的。
本文提出采用等效磁網(wǎng)絡(luò)法完成稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。等效磁網(wǎng)絡(luò)的概念雖然早在60年代就已提出，但由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算設(shè)備的限制，未能加以推廣，其網(wǎng)絡(luò)形成的依據(jù)是等效磁通管原理，即將電機(jī)中磁通分布較均勻而幾何形狀又比較規(guī)則的部分作為一個(gè)獨(dú)立的單元，計(jì)算其等效磁導(dǎo)，這樣的單元有很多，如電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子各個(gè)齒部以及齒與齒之間的軛部都可作為獨(dú)立的單元，各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接。根據(jù)磁網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)絡(luò)的相似性，由節(jié)點(diǎn)法或回路法即可求出各節(jié)點(diǎn)的磁位或通過(guò)各單元的磁通，進(jìn)而求得電機(jī)的有關(guān)參數(shù)。
2等效磁網(wǎng)絡(luò)模型的建立
自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是常規(guī)籠型異步電動(dòng)杌的改裝，其定子結(jié)構(gòu)基本不變，轉(zhuǎn)子除鼠籠繞組外，還內(nèi)嵌永磁體。與一般電勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁體如同一個(gè)集成塊，集勵(lì)磁電源、引入裝置和勵(lì)磁繞組于一體，使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。不僅如此，采用性能優(yōu)良的永磁材料還可以減小永磁體體積，使轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)靈活多樣，從而適應(yīng)不同技術(shù)要求的需要。常見(jiàn)的磁路結(jié)構(gòu)如圖1所示
在圖ld中，每對(duì)極包括一對(duì)主極和一對(duì)副極，主極徑向磁化，體積較大，電機(jī)氣隙磁通的大部分由它提供；副極切向磁化，體積較小，不僅本身能提供一部分氣隙磁通，而且能有效地減小主極的極間漏磁，提高永磁材料的利用率�？紤]到磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性以及模型求解的方便，在一對(duì)極范圍內(nèi)畫(huà)出其相應(yīng)的等效磁網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。
等效磁網(wǎng)絡(luò)中存在兩種不同性質(zhì)的單元，等效磁導(dǎo)和等效磁勢(shì)源（或等效磁通源）。等效磁導(dǎo)按其屬性可分為三類(lèi)：
a．線(xiàn)性磁導(dǎo)（圖2中用實(shí)線(xiàn)方框表示），包括定子槽漏磁導(dǎo)、轉(zhuǎn)子槽漏磁導(dǎo)，和轉(zhuǎn)子極靴間漏磁導(dǎo)（它們與通過(guò)自身的磁通無(wú)關(guān)，僅由電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸決定。如果轉(zhuǎn)子
采用閉口槽，則轉(zhuǎn)子槽漏磁導(dǎo)g將受槽口磁路飽和的影響，應(yīng)歸入固有非線(xiàn)性類(lèi)。
b．參數(shù)非線(xiàn)性磁導(dǎo)（圖2中用虛線(xiàn)方框表示），包括定子各個(gè)齒表面與轉(zhuǎn)子各個(gè)齒表面之問(wèn)的氣隙磁導(dǎo)，它們是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)，定、轉(zhuǎn)子齒之間是否存在磁通支路將視具體計(jì)算出的氣隙磁導(dǎo)是否為零而定。由于氣隙是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所，氣隙磁導(dǎo)是等效磁網(wǎng)絡(luò)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，本文采用磁通管法解析計(jì)算氣隙磁導(dǎo)[2]。
c．固有非線(xiàn)性磁導(dǎo)（圖2中用中間有斜線(xiàn)的實(shí)線(xiàn)方框表示），包括定子軛部磁導(dǎo)甌、定子齒部磁導(dǎo)一轉(zhuǎn)子齒部磁導(dǎo)、轉(zhuǎn)子極磁導(dǎo)和轉(zhuǎn)子軛部磁導(dǎo).它們不僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，而且還受自身磁路飽和程度的影響。值得注意的是，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽常設(shè)計(jì)成刀形、梯形、雙籠型或深槽形，以利用擠流效應(yīng)改善起動(dòng)性能，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒上、下部磁密有較大差值，整個(gè)齒應(yīng)分為兩個(gè)單元計(jì)算。< |
