双定子永磁同步电机空载漏磁系数计算与研究

刘志华， 彭双光， 李志平

(湖南铁路科技职业技术学院, 湖南 株洲 412006)

0 引言

双定子永磁同步电机是在传统永磁同步电机基础上增加一个定子的一种新型结构电机。运用双定子的新型的电机结构，可以有效地利用电机转子内部空间，在不增加电机外定子直径的情况下，提高发电机的发电能力、提高电动机的输出转矩，具有一定的容错运行能力[1]。在大型风力发电机、水轮发电机、轨道交通车辆牵引电机等场合使用双定子结构的永磁同步电机具有明显的优势。

空载漏磁系数是反应永磁同步电机性能的一项重要参数，通过空载漏磁系数的大小可以看出电机永磁体的利用率和电机磁路设计的合理性[2]。电机空载漏磁系数小时，电机极间漏磁少，永磁体的利用程度高，使用较少的永磁体就能达到电机的设计要求，可以减少成本。但是空载漏磁系数过小会导致电机电枢反应系数增大，在负载时使电机气隙磁场发生畸变，使电机的输出电流和电压发生波动，更严重的是大的电枢反应电流会导致永磁体的不可逆退磁[3]。空载漏磁系数大，会使电机的漏磁增大，永磁体不能充分利用，要达电机的设计性能就必须使用更多的永磁体，造成了材料的浪费和电机生产成本的增加，但是空载漏磁系数大可以提高电机的抗电枢反应去磁能力和稳定性[4,5]。因此电机空载漏磁系数必须设计合理，既不能过大也不能过小，必须综合分析电机各项性能后取最佳值。

1 双定子永磁电机分析模型建立

文章以大型风力发电机为例，设计了一个双定子永磁电机空载漏磁系数的计算分析模型。在一个2 MW的内转子外定子电机转子内腔中插入一台1.5 MW的外转子内定子电机，两台电机共同使用一个转子，构成一台额定功率为3.5 MW的双定子永磁风力发电机。由于双定子电机结构复杂，为了节约计算机资源，减少计算量和加快计算速度，同时考虑到电机的磁场是对称分布，可以将电机划分成若干个单元取其中一个单元进行分析就可以了。1/12的网格划分模型如图1所示。

将双定子电机模型导入到有限元分析软件中，进行空载磁场分析。双定子电机各相绕组空载电流、电机磁力线分布图如图2、图3所示。图2外定子绕组空载相电流幅值为65 uA,内定子幅值为49 uA，可近似认为等于0。在图3中磁力线分布按相邻两个磁极中间的径向轴线对称分布，磁力线路径与转子磁路结构设计的磁通路径一致，磁力线最大值出现在两个相邻磁极之间和气隙交界处，相邻磁极间存在少量的漏磁通，电机磁路设计合理。

图2 双定子电机空载相电流

图3 双定子电机磁力线分布图

2 双定子永磁同步电机空载漏磁系数计算

使用解析法对永磁同步电机的等效磁路图进行了分析和简化后，得出了永磁同步电机空载漏磁系数的计算公式[6]，只要代入不同电机的相关性能参数就可以算出其空载漏磁系数。这种方法与以前常用的查表法相比更加的简单精确，可以用于常规结构永磁同步电机空载漏磁系数计算。但是对于双定子电机并不适用，因为在其等效磁路的分析过程中没有考虑到内外定子电机磁路之间的相互影响，如果套用此公式不能准确得出电机空载漏磁系数。

文章中使用有限元法对双定子电机空载漏磁系数的进行求解，将电机分为外定子电机和内定子电机两个部分，外定子电机空载漏磁系数是转子外侧永磁体的利用率，用σw表示；内定子电机空载漏磁系数是内侧永磁体的利用率，用σn表示。在双定子电机内外气隙内各取4个点，具体位置如图4所示。利用磁矢位法求得内气隙1、2、3、4以及外气隙5、6、7、8点的磁矢位值，根据公式(1)求出内外电机空载漏磁系数。

(1)

图4 双定子电机空载漏磁系数求解模型

仿真结果如图5所示。A1和A2是图中点1、2位置的磁矢位值，取外气隙永磁体产生的磁矢位值最大点，且值正负相反。A3与A4代表3、4处的磁矢位值，一般取气隙中磁矢位值最小处，内定子电机5、6、7、8点的含义与外定子电机相同。利用有限元分析软件的静态磁场求解器，可求得电机磁力线分布图。然后在软件后处理器中得出各点的磁矢位值如表1所示，将表1中的数据代入公式(1)中，求得σw为1.034 3，σn的值是1.037 8。

图5 空载仿真结果

表1 双定子电机各点磁矢位值

3 双定子电机空载漏磁系数的规律

3.1 气隙长度

气隙长度的变化对电机的各项性能有着重要的影响。以电机外气隙的空载漏磁参数为例，保持电机其他参数不变，改变外气隙长度，研究气隙长度对电机空载漏磁系数的影响。由于内外定子电机在结构上相似，仅分析改变外定子电机气隙长度值变化的情况，得出的规律也符合内定子空载漏磁系数的变化趋势。外空载漏磁系数计算结果如表2，变化趋势如图6所示。

表2 空载漏磁系数随外电机气隙长度的变化值表

图6 外空载漏磁系数随气隙长度变化的趋势图

根据表2的数据可以看出，电机空载漏磁系数值随电机气隙长度的增加而变大，图6中显示空载漏磁系数的变化随气隙的加大呈上升趋势。这是因为气隙长度增加，电机的磁通路径长度增长，导致主磁路的磁阻变大，由于电机其他参数不变，其极间磁阻固定不变，因此气隙增加空载漏磁系数增大。

3.2 永磁体磁化长度

以外电机为例。改变电机转子轭外侧永磁体的厚度，其他参数不变，分析永磁体厚度对空载漏磁系数的影响，结果如表3所示。

表3 空载漏磁系数随外电机永磁体厚度的变化值表

图7为外空载漏磁系数随永磁体厚度改变的变化情况，其规律呈先增加后减小的趋势，在永磁体厚度为26 mm时外空载漏磁系数最小。外空载漏磁系数整体变化不大，最小值到最大值仅变大了21%，可见永磁体厚度的变化对空载漏磁系数的影响是不明显的，这是因为永磁体厚度增加，电机主磁通磁阻变大的同时极间漏磁的磁阻也变大了。

图7 外空载漏磁系数随永磁体厚度改变的变化趋势图

4 结论

空载漏磁系数是反应电机永磁整体利用率的一个重要参数，但是无论是解析法还是查表法都无法准确计算出双定子这一特殊的结构电机的空载漏磁系数。文章使用有限元法分别求出了双定子电机内外空载漏磁系数，考虑到了电机内外磁场的相互影响，准确度较高。分析了气隙长度和永磁体厚度对电机空载漏磁系数的影响，得出了双定子永磁同步电机空载漏磁系数会随气隙长度的增加变大，而永磁体厚度的变化对其影响不大的结论。