新型磁通切换机械调磁永磁电机设计分析

2019-08-01张志轩刘雨锋钟清伟罗振华

微特电机 2019年7期

张志轩,刘雨锋,钟清伟,罗振华

(江西理工大学，赣州 341000)

0 引言

随着能源危机与环境污染的问题日渐严重，高效节能的稀土永磁电机逐渐受到业界的重视[1-2]。近年来，永磁材料的性能不断提升，高性能的永磁电机在日常生活中也逐渐普遍使用[3-4]。然而，由于传统的永磁电机普遍存在气隙磁场调节难度较大的问题，导致其用在发电场合时，电机的端电压会出现波动及故障时难以去磁[5-6]；在作为电动机运行时，永磁体会出现不可逆退磁、调速范围不够宽、高速运行范围内效率较低和恒功率区较窄等缺点，极大地限制了永磁电机在稳压发电与恒功率调速等场合的进一步推广应用[7-12]。

为此，探求新颖有效的电机磁场调节方式，为永磁电机恒功率调速驱动和稳压发电的应用场合提供可信的技术方案，解决传统永磁电机气隙磁场调节困难的问题，成为近些年永磁电机研究的重点领域之一[13]。

根据现有的机械调磁式内置式永磁同步电机在功率密度、效率、弱磁调速和生产成本等诸多特征，结合机械调磁永磁电机与磁通切换型电机的各自优点，本文研究了一类基于磁通切换原理的漏磁式机械调磁永磁电机，以一台12/10极磁通切换机械调磁电机为例，探究了该类电机的电磁设计机理，优化电机结构参数，获得了该类电机电磁性能，并且研究了该新型机械调磁装置的调磁特性，为以后研究此类电机提供了建设性的理论指导。

1 工作原理

1.1 磁通切换原理

磁通切换原理是电机转子在旋转过程中，线圈匝链的磁通自动切换路径，从而磁通的极性和数值在一个电周期内交替性变化，磁通依据磁阻最小原理进行闭合[14-15]。

新型磁通切换机械调磁永磁电机的磁通切换原理如图1所示。当电机转子位于图1(a)的位置时，永磁体产生的磁通穿过转子单元，进入定子齿，后通过相邻定子齿穿出气隙返回永磁体。而当电机运行到图1(b)时，定子绕组匝链的磁通数值不变，但磁通所通过的路径恰好相反，从而形成数值一致但极性相反的磁通路径。

(a) 穿入状态

(b) 穿出状态

1.2 调磁原理

本文以永磁同步电机作为研究对象，设计一种新型机械调磁装置，在磁通切换电机外部添加梯形调磁块来达到调节电机内部磁场的目的。该调磁装置相对于传统的矩形调磁块，既可以减少调磁装置的用量，同时也可以达到合理调磁的效果。新型磁通切换机械调磁永磁电机的调磁机理磁路分析示意图如图2所示。由图2可知，永磁体产生的主磁通路径基本一致，主要利用附加的调磁块使得部分永磁磁通通过调磁块形成漏磁通，从而减弱通过气隙的主磁通，以达到机械同步调磁装置的弱磁效果。依据机械调磁装置的调磁机理，电机运行可分为两种状态：单元转子与调磁块相对位置对齐状态和错开状态。对齐时，电机与正常的磁通切换电机相同；错开时，为电机弱磁调速状态。

(a) 对齐状态

(b) 错开状态

当电机运行于额定转速以下时，机械调磁装置未动作，单元转子与调磁块相对位置对齐，如图2(a)所示，除了少量漏磁通外，电机主磁通路径为永磁体N极→转子齿→气隙→定子齿→相邻定子齿→气隙→相邻转子齿→永磁体S极，形成磁通闭合路径。电枢绕组产生的感应电动势由永磁磁场的变化提供，表达式如式1所示。

(1)

式中：ψ为永磁磁链；ω为电机运行角速度。

当电机运行于额定转速以上时，机械调磁装置动作，使调磁块与单元转子错开一定角度，从而改变通过气隙主磁通的数值。图2(b)为调磁块作用时电机的主要磁通路径图。主磁通路径与调磁装置未动作时相同，但永磁体产生的磁通会有部分通过调磁块形成闭合路径，导致通过气隙的主磁通减少，相应地，气隙内的磁密也随之减小，电机的弱磁扩速性能得以提高。

由此可知，当机械调磁永磁电机用作发电机时，可根据电机转速大小来实时调节调磁块与转子齿的相对位置，进而调节电机气隙磁密，实现发电机恒压输出的效果。当用作电动机时，可在基速以上减小电机气隙磁密，达到电机扩速的效果。

2 电机电磁设计与优化

机械调磁永磁电机与普通磁通切换电机相似，故在不考虑电机绕组电阻的情况下，电机的主要尺寸如下:

(2)

式中：Dst为定子外径；le为轴向长度；Kd为漏磁系数，一般取0.90～0.94；Ks为斜槽系数，当定子为直槽时Ks为1；Cs为定子极弧系数，通常为0.20～0.25；As为线负荷，设计经验值为15 000～30 000；Bg是气隙磁密；η为电机效率。

本文以12/10极结构的磁通切换电机为例，永磁体材料选为N35型的钕铁硼，电机绕组采用集中式绕组。电机具体结构示意图如图3所示，主要初始设计参数如表1所示。

图3 电机结构模型

电机参数数值电机参数数值额定功率PN/kW1定子极数Ns12额定转速n/(r·min-1)750转子极数Nr10相数3转子外半径Ra/mm88定子外半径Rst/mm69转子内半径Re/mm69.4定子齿高hs/mm19转子齿高hr/mm8.6定子齿占内径弧度ls/(°)14转子齿占内径弧度lr/(°)6气隙宽度hz/mm0.4转轴半径Rz/mm40

本文在磁通切换机械调磁永磁电机初始设计参数的基础上，以增大电机空载反电动势与降低齿槽转矩为目的，对电机的各项初始参数利用ANSYS软件进行优化设计。

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2.1 转子优化

电机初始设计部分，转子形状设计成U形槽，经计算初始转子齿宽为6°。但是该结构可能不是此类电机的最优设计，故本文提出E形槽转子结构。针对这两种结构，对比分析了转子形状与齿宽对电机磁链、反电动势和齿槽转矩等电磁特性的影响。

两种转子结构拓扑图如图4所示。将初始的U形槽结构优化成E形槽后，转子槽口变小，定转子齿相对横截面将增大，两者之间磁路磁阻减小，故该单元转子结构可以获得更大的反电动势。

(a) U形转子结构

(b) E形转子结构

图5为电机两种结构的磁力线分布图。由图5可知，E形转子结构的磁力线分布较U形结构的更合理，故改进后的E形结构可获得更大的空载反电势。

(a) U形转子结构

(b) E形转子结构

图6为两种结构电枢绕组磁链变化规律。由图6可知，当转子为U形槽结构时，其幅值大约为0.054 Wb，E形转子槽结构绕组磁链的幅值可达到0.079 Wb，为U形槽的1.5倍。由于E形槽转子结构相较U形槽转子结构，电机绕组磁链明显提高，因此，电机单元转子结构为E形槽结构更优。

图6 绕组磁链变化图

图7为两种转子结构的感应电动势变化曲线。由图7可知，经过优化的E性槽结构空载反电动势幅值大约提高9 V。

齿槽转矩是永磁电机开路时永磁体边端与定子齿相互作用产生的转矩，是永磁电机特有的问题之一。图8为不同转子槽形结构下齿槽转矩变化规律图。由图8可知，经过转子槽形的优化，齿槽转矩幅值相应降低，电机低速控制时可靠性显著增强。

图7 空载反电动势变化图

图8 齿槽转矩变化图

2.2 永磁体优化

本文从永磁体形状与磁化方向厚度两方面对电机优化，在满足电机设计性能的基础上，充分提高永磁材料的利用率。

(a) 矩形

(b) 扇形

图10为不同倾斜角β下空载反电动势的变化曲线。随着角度的变化，波形并无显著变化，在β=2°时绕组反电动势峰值最大。

图10 感应电动势变化图

图11为齿槽转矩随倾斜角β的变化规律。由图11可知，齿槽转矩随β角的增大而增大，因此，永磁体为平行结构时齿槽转矩最优。

综合电机电磁特性随倾斜角度的变化规律，当永磁体为平行形状时，电机各方面性能较为优良。

另一方面，保持转子齿宽不变，分析电机性能与永磁体磁化厚度的关系。图12为绕组磁链与齿槽转矩随永磁体磁化厚度变化的曲线图。由图12可知，电机绕组磁链与齿槽转矩均随磁化方向厚度的增加而增大，但效果并不明显。故选择永磁体磁化厚度为5°作为最终参数。

图11 齿槽转矩变化图

(a) 磁链变化图

(b) 齿槽转矩变化图

综上，对新型磁通切换机械调磁永磁电机基本结构尺寸参数优化分析，最终确定电机主要结构参数如表2所示。

表2 电机优化后主要结构参数

3 电机有限元分析

3.1 磁场分布图

电机运行于额定转速以下时，机械调磁装置中的调磁块与单元转子处于中心对齐位置，电机空载磁场分布如图13所示。当电机加速到额定转速以上时，两者错开一定的角度，此时的磁场分布图如图14所示。两者对比，可见电机气隙磁场发生显著变化，调磁装置实现了电机内部调磁的目的。

(a) 磁密云图

(b) 磁力线图

(a) 磁密云图

(b) 磁力线图

3.2 气隙磁密

电机运行在额定转速下的气隙磁密如图15(a) 所示，由于永磁体切向充磁，具有聚磁效应，磁密幅值可达2.1 T；当电机运行于额定转速以上时，机械调磁装置作用，永磁磁通有部分形成漏磁通，导致气隙磁密峰值减小为1.5 T，如图15(b) 所示。由此可知，机械调磁装置的作用削弱了电机内部的气隙磁密，实现了电机弱磁调速的目的。