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磁通可控的复合转子永磁同步电动机研究

朱常青  
【摘要】: 目前,永磁同步电动机以其结构简单,运行可靠,特别是具有其他电机所无法比拟的高效率、高功率因数而越来越受到人们的关注。但自从19世纪20年代出现第一台永磁电机以来,永磁体的设计原则之一就是要防止永磁体退磁。这意味着电机一旦制成,则永磁体的磁性能基本不变,其气隙磁通随负载变化不大。如果电机转速达到一定值,定子绕组产生的电动势将与定子绕组外加电压相平衡,但定子电压是有限制的。若要继续升高转速,常常采用矢量控制方式,即施加d轴电流,使气隙磁通减小,但永磁同步电动机大的磁阻和小的直轴电感限制了弱磁能力。此外,弱磁运行时,定子电流也是有限度的,当直轴电流增大时,交轴电流要减小,电磁转矩下降很快,所施加的直轴电流增加了定子铜耗,降低了效率。当变频器的逆变失败时,弱磁将失控,高速旋转的磁场在电机绕组中将感应出过高的电压,导致变频器功率器件损坏。这就是长期困扰永磁同步电动机在宽调速领域应用的“弱磁”问题。如能将永磁同步电动机优良的运行性能与灵活的调磁能力结合起来,开发具有磁通可控性能的永磁同步电动机,并建立与之相适应的分析方法,具有重要的理论意义和现实意义。 一直以来,永磁电机“弱磁扩速难”一直是电机界研究的热门问题,但大多数都是致力于转子结构的改良,以其获得更大的直轴电抗;或者在永磁体的外围,通过定子绕组或转子附加绕组与永磁体共同作用获得气隙磁场的改变。2001年德国的Vlado Ostovic率先提出了可控磁通永磁同步电动机的概念,并研制了一台样机,进行了试验研究。与以往增加定子直轴去磁电流来实现弱磁调速不同,VladoOstovic是直接通过对磁体的磁化控制来获得需要的气隙磁场。他的样机定子绕组与普通感应电动机相同,转子采用切向充磁的铝镍钴永磁和软铁相互叠加而成的“Sandwich”结构,对磁体磁化时以定子绕组为充磁绕组。试验表明:该电机能够实现气隙磁通的控制,且效率高于同功率等级的感应电动机。但其研究只是验证了磁通可控永磁同步电动机的可行性,缺乏系统深入的研究,并且采用的转子结构复杂,加工困难,结构强度低。作者虽然使用等效磁路法推导了充磁电流和磁通与电机结构参数的关系,但分析的前提是不考虑铁心的磁压降,且磁体的各部分只能处于饱和磁化与完全去磁两种极端情况之一,与磁体的实际磁化状态有较大差别,没有给出永磁体充磁后磁化状态的确定方法。 本课题针对上述不足进行了进一步的研究,主要研究内容如下: 1.在对Vlado Ostovic提出的“Sandwich”型转子结构磁通可控记忆电动机进行分析的基础上,针对其不足,提出了采用两种永磁体的两段转子的复合结构。钕铁硼转子段采用结构简单的表面式转子结构,铝镍钴转子段结构采用径向带极靴式结构,转子极间以及两段转子之间都用非磁性材料填充,转子外圆用碳纤维固定,有效保证转子结构的整体性。利用钕铁硼磁性能高的特点,使电机在基速下具有较高的气隙磁密,保证基速下有足够大的电磁转矩;而铝镍钴转子段结构利用极靴对交轴电枢反应的屏蔽作用,使电机的负载电流(交轴电流)产生的电枢反应磁通绝大多数沿极靴通过,负载电流不会对磁体的磁化状态产生影响。当需要进行弱磁调速时,在定子绕组中施加一定强度的d轴脉冲,对铝镍钴进行去磁或充磁,由于钕铁硼与铝镍钴的矫顽力相差悬殊,钕铁硼的磁性能不受影响,保证气隙磁通与相应的电机转速在一定范围内变化。电机在正常运行时,采用i_d=0的控制策略。 2.建立了磁体磁化模型,深入研究了永磁体磁化状态的确定方法。在传统的电机设计中,永磁体的磁性能被认为是基本不变的(除了随温度和负载变化外),而可控磁通永磁同步电动机的磁体性质要根据实际需要进行调整,甚至在同一磁化电流下各部分的性质也各不相同。根据电机磁体的这一特点,本文依据磁体磁滞回线的变化规律,建立了磁体在初始磁化和重新充磁时的磁化模型。将由神经网络建立的局部磁滞回线预测模型与磁体的磁化模型相结合,建立了永磁体的磁化状态计算方法。 3.提出了复合转子永磁同步电动机的设计准则和性能计算方法。由于复合转子永磁同步电动机的气隙磁场是由两段磁体的磁化状态共同决定的,运行时采用i_d=0的控制策略,设计时要全面考虑性能、调速和运行各个方面的问题。除遵循传统永磁电机的一般设计规律外,本文提出对于该类电机新的设计准则,包括扩速范围与两段磁体的磁通分配关系,磁化电流的容量计算方法等。由于结构的特殊性,本文提出使用二维有限元法分别计算两段转子各自的气隙磁密和空载反电动势,然后得到等效磁密和整个电机的空载反电动势,这样可避免复杂的三维磁场计算。在此基础上推导了在i_d=0时稳态运行的基本电磁关系,给出了相应的性能计算方法。 4.设计制造了一台4极36槽样机,并进行了样机充磁去磁试验,证实了磁化模型和磁体状态确定方法的正确有效性。


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