磁阻转矩对永磁电机性能的影响分析

沈阳航天新光集团有限公司 张景峰 倪瑞林 申春艳 韩 冬

磁阻转矩对永磁电机性能的影响分析

沈阳航天新光集团有限公司 张景峰 倪瑞林 申春艳 韩 冬

永磁同步电机由于交直轴磁路存在差异会产生磁阻转矩，而磁阻转矩的利用情况对于电机的过载能力、功率密度和转矩密度都有一定影响。本文以一台190kW永磁同步电机作为研究内容，将解析法与有限元计算相结合，分别分析了其在含有磁阻转矩分量和没有磁阻转矩分量下电机整体性能的变化。

永磁同步电机；磁阻转矩；电机性能

1.引言

永磁同步电机的显著特点就是高效率、高功率密度、高转矩密度以及一定的过载能力。其冷却结构是非常重要的一个部分。为了满足上述要求，磁阻转矩的利用情况就成了一个非常关键设计点，若能合理并充分地利用好磁阻转矩，既能提高功率密度和转矩密度，又能有效减少永磁材料的用量。

2.磁阻转矩对于电机平均转矩的影响

电磁转矩表达式[1]：

本节针对190kW-8极，额定转速1800rpm，额定转矩1008N·m的永磁同步电机模型进行磁阻转矩对于平均转矩影响的分析。电机模型图如图2.1所示。

图2.1　190kW永磁同步电机

分析过程如下：首先将定子电流全部加在q轴上时，此时的直轴电流Id=0。电磁转矩中只包含永磁磁链与交轴电流相互作用而产生的永磁转矩，而由于交直轴磁路不对称存在的磁阻转矩并没有利用上。此时若要得到额定转矩1008N·m，运用Ansoft有限元软件仿真出的定子电流有效值为170A；当加入磁阻转矩分量，并取内功率因数角ψ=25°时，若要达到额定转矩，运用有限元法仿真出的定子电流有效值为141A，降低了17.06%的定子电流值。当把定子电流设为141A，内功率因数角ψ为0°时，转矩仅为857N·m，降低了14.98%的转矩输出。可见，在相同转矩输出情况下，磁阻转矩可以有效降低定子电流幅值；在相同定子电流幅值情况下，磁阻转矩可以提高电机转矩输出。若取定子电流141A不变，通过改变内功率因数角的值，使其在0°到90°范围内变化，分离磁阻转矩和永磁转矩仿真结果如表2.1和图2.2所示。

表2.1　取不同内功率因数角时各个转矩

图2.2　各转矩分量随内功率因数角的变化趋势

根据仿真结果可知，随着内功率因数角ψ的增大，电磁转矩有一个先增大后减小的趋势，在30°左右达到最大值，并在45°之后呈急剧下降趋势；永磁转矩则一直在减小；磁阻转矩同样有一个先增大后减小的趋势，趋势比较平稳，在50°左右达到最大值。由计算结果可见，若想充分利用磁阻转矩且在不浪费永磁转矩前提下，内功率因数角ψ有一个最佳的取值范围，针对本台样机模型应该为20°到40°之间。

3.磁阻转矩对于电机失步转矩的影响

文献[1]中的同步电动机电磁转矩表达式：

由表达式3.1可以看出，磁阻转矩取决于交、直轴同步电抗Xq与Xd之差。Xq、Xd差值越大，磁阻转矩的幅值越大，电机功率密度、转矩密度和过载能力也会有所提高。

已知190kW样机的端电压U=878V，空载反电动势E0=692.5V，频率f=120Hz。本节通过求出电机的交、直轴同步电抗Xq与Xd，绘出矩角特性曲线，直观反映出磁阻转矩对于失步转矩的影响。电抗计算方法采用“交直轴分解[2]”法。

图3.1　190kW样机模型

图3.2　等效d轴状态下空载气隙磁密波形

图3.3　等效d轴状态下负载气隙磁密波形

图3.4　等效q轴状态下空载气隙磁密波形

图3.5　等效q轴状态下负载气隙磁密波形

图3.6　等效q轴状态下分离出的气隙磁密波形

图3.7　矩角特性曲线

表3.1　190kW样机电抗计算结果

将计算结果带入式3.1中，得出如图3.2所示的矩角特性曲线。

由矩角特性曲线可知，当转矩角θ=90°时，电磁转矩为不含有磁阻转矩分量的失步转矩，计算值为1409.4Nm；当θ=114.0°时，电磁转矩为含有磁阻转矩分量的失步转矩，计算值为1604.6Nm，较不含有磁阻转矩分量的失步转矩提高了13.85%，可见磁阻转矩可以有效提高电机的过载能力。

4.结论

本文针对190kW永磁同步电机，分析了磁阻转矩对于整个电机性能的影响，通过解析法与有限元法相结合，计算得出当电机在利用磁阻转矩较未利用磁阻转矩的情况下，输出相同额定转矩的定子电流可降低17.06%，失步转矩可提高13.85%，并且计算出了不同内功率因数角下的转矩曲线以及不同转矩角时的矩角特性曲线，通过计算结果可知磁阻转矩的存在提高了电机的整体性。

[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,1997.

[2]张宝强.基于有限元方法的永磁同步电动机等效电路参数计算[D].沈阳:沈阳工业大学,2008.

张景峰（1988－），辽宁沈阳人，硕士研究生，毕业于沈阳工业大学电气工程专业，专业方向为永磁电机，现就职于沈阳航天新光集团有限公司。