一种提高永磁牵引电机弱磁扩速能力的新结构

陈丽香 张兆宇 唐任远

（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心 沈阳 110870）

1 引言

电机“弱磁”扩速时，转速计算公式为[1]

式中n——电机转速；

p——电机极对数；

ulim——极限电压；

Lq——交轴同步电感；

Ld——直轴同步电感；

iq——交轴电流；

id——直轴电流；

ψf——空载永磁磁链。

所能达到的最高转速为

由式（1）、式（2）可知，可以通过减少交轴同步电感Lq、增加直轴同步电感Ld、增大电机的极限电压ulim和极限电流ilim、减少永磁磁链ψf等措施来提高弱磁效果，在这些措施中，增加直轴电感Ld最为理想，因此解决弱磁扩速问题的关键在于永磁牵引电机转子磁路结构的设计。近年来，为提高永磁牵引电机的弱磁扩速能力，许多学者纷纷提出了一些转子磁路上的设计思想[2]。如采用复合式转子结构，增加永磁磁阻段，在一定程度上提高了弱磁扩速能力[3]，但这种结构致命的缺点就是功率密度牺牲得太多，因此在实际应用中受到了限制；在表面凸出式转子的外面加上轭铁，并在磁极间增加了磁障，使得电机的直轴电感有所增大，弱磁扩速能力有所提高[4]；此外，还有采用漏磁磁路弱磁等其他方法提高弱磁扩速能力[5]，但总体上来看不是弱磁效果不明显就是会带来其他严重的负面影响，均有待于深入研究。

2 提高弱磁扩速能力的转子磁路

为提高弱磁扩速能力，本文提出一种新的转子磁路结构——内置分段式结构。为便于分析，将该结构与传统结构中弱磁扩速能力相对较强的内置式径向磁路结构进行比较，电机模型的具体参数及所用永磁体的参数见表1和表 2，两种结构的冲片如图1和图2所示。转子结构确定以后，通过Ansoft电磁场分析计算软件对比了两种转子磁路结构的气隙磁通密度波形和弱磁扩速性能，两种转子磁路结构的气隙磁通密度波形及谐波分析如图 3～图 6所示。由两种转子磁路结构的气隙磁通密度波形及谐波分析可以看出，新结构的气隙磁通密度波形略好于内置径向结构的气隙磁通密度波形，但还不是很理想，主要原因是本次设计的样机体积小，转子空间有限无法进行更优的分段设计，空载气隙磁通密度波形不能进一步优化，对于功率等级大一点的样机，可进一步分段优化设计，提高气隙磁通密度波形的正弦度。

表1 样机额定数据Tab.1 Rating data of prototype

表2 永磁体数据Tab.2 Permanent magnet data

图1 内置径向结构的转子冲片Fig.1 Rotor lamination of interior radial structure

图2 新型分段结构的转子冲片Fig.2 Rotor lamination with novel segmented structure

图3 内置径向结构的气隙磁通密度Fig.3 No-load air-gap flux density of interior radial structure

图4 新型分段结构的气隙磁通密度Fig.4 No-load air-gap flux density of novel segmented structure

图5 内置径向结构气隙磁通密度波形的谐波分析Fig.5 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of interior radial structure

图6 新型分段结构气隙磁通密度波形的谐波分析Fig.6 No-load air-gap flux density harmonic analysis diagram of novel segmented structure

永磁牵引电机在等效直轴去磁状态下的气隙磁通密度波形下凹得越厉害，说明弱磁效果越好，本文分析了两种结构在等效直轴去磁状态下的气隙磁通密度波形，如图7、图8所示。

图7 内置径向结构等效去磁状态下的气隙磁通密度Fig.7 Air-gap flux density of interior radial structure under equivalent demagnetization status

图8 新型分段结构等效去磁状态下的气隙磁通密度Fig.8 Air-gap flux density of novel segmented structure under equivalent demagnetization status

由图 7、图8不难发现在等效去磁状态下，新型分段结构的气隙磁通密度波形下凹幅度明显大于普通内置径向结构的气隙磁通密度波形，因此新型分段结构的弱磁扩速能力要优于普通内置径向结构，具体参数计算值见表3。

表3 两种结构参数计算结果Tab.3 Parameter results of two structures

由表3可以看出内置分段结构的直轴电枢反应电感是内置径向结构的 195.76%，因此有利于提高电机的弱磁扩速能力。

定子漏电感主要包括定子槽漏电感、定子端部漏电感、定子谐波漏电感、定子斜槽漏电感四个部分，定子漏电感由传统公式计算所得，考虑到本文所设计的两个电机所用的定子完全相同，因此定子漏感取相同计算值，具体计算如下：

漏抗系数定子槽比漏磁导

定子槽漏抗

定子谐波漏抗

定子端部漏抗

定子斜槽漏抗

定子漏抗

由上述公式计算得到两个电机的定子漏电感为0.8662mH，因此内置径向结构的直轴电感dL为3.1098mH，内置分段结构的直轴电感dL为5.2582mH。

由公式

表4 两种结构不同最高转速的所需要的直轴电流计算结果Tab.4 D-axis current results of two structures corresponding to different highest speeds

由表4可以看出，在相同理想最高转速时内置分段结构所需的直轴电流ilim2明显小于内置径向结构所需的直轴电流ilim1，采用内置分段结构能够以较小的直轴电流换取更高的转速，比如当ilim1= 1 3.992A时，nmax1= 2 000r/min，ilim2=13.083A时，nmax2= 3 000r/min，ilim1/ilim2×100%=93.5%、nmax2/nmax1×100%=150%，因此内置分段结构更有利于提高弱磁扩速能力。

3 试验结果分析

为了验证上述的分析结果，制作了两台电机，一台采用普通内置径向转子磁路结构；另一台采用本文提出的分段式转子磁路结构。内置分段式结构在弱磁扩速能力得到提高的同时，由于气隙磁通密度的降低，带来额定电流及热负荷的增加，本文对此提出了定子绕组加匝的解决方案。通过试验测试得到两种结构电机的电感数据见表5。

表5 电感测量数据Tab.5 Inductance measurements

从试验数据中可以看出，本文提出的内置分段结构能够增加永磁牵引电机的直轴电感，有利于提高永磁牵引电机的弱磁扩速性能。在对样机的电感测量基础之上，本文对样机进行了空载弱磁扩速试验，试验数据见表6，图 9则给出了转速与电流的关系曲线。

表6 弱磁扩速试验数据Tab.6 Test data of flux-weakening level

图9 转速与电流关系曲线Fig.9 Relationship between speed and current

从试验数据中可以看出，当电流同为 2A时，内置分段结构所能达到的最高转速为内置径向结构的 1.4倍。可以验证本文提出的内置分段结构永磁牵引电机的弱磁扩速性能要优于内置式结构的永磁牵引电机。对两种结构的样机进行了完整的电机试验，试验主要性能指标见表7。

表7 样机试验数据Tab.7 Test data of prototype

开发的样机采用F级绝缘，样机的温升满足要求，效率与功率因数也满足样机性能指标要求。

4 结论

本文提出了一种可有效增大直轴电感的内置分段式转子磁路结构，经Ansoft电磁场分析计算，弱磁扩速能力明显提高。通过样机试验的对比分析，内置分段结构的直轴电感比内置径向结构大了76%，当电流同为2A时，内置分段结构所能达到的最高转速为内置径向结构的 1.4倍，验证了内置分段结构可有效提高永磁牵引电机的弱磁扩速性能，且样机其他性能满足设计要求。

[1]唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 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]严岚, 贺益康, 严伟灿. 弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计[J]. 中小型电机, 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]尹华杰, 蒋豪贤, 谢运祥, 等. 一种永磁同步电动机弱磁新方案[J]. 微电机, 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.