（电机与电器专业论文）内置混合式转子可控磁通永磁同步电机有限元分析与控制.pdf

a b s t r a c t i t i sd i f f i c u l tt oa d ju s tt h ep e r m a n e n tm a g n e t i cf l u xw h i c hl e a d st ot h eh a r d n e s s o fr i s i n gs p e e da b o v er a t e dv a l u eb yp m f l u xw e a k e n i n gi nt r a d i t i o n a lp m s m m a n y k i n d so fp m s ms t r u c t u r eh a v eb e e np r o p o s e dt o i n c r e a s et h ep m - f l u xw e a k e n i n g r a n g e ，a n do n eo ft h e mi so s t o v i c sv a r i a b l e - f l u xp m s m ( m e m o r ym o t o r ) b u tt h e m e m o r ym o t o rs t i l lh a ss h o r t c o m i n g s i t ss a n d w i c h s h a p e dr o t o rs t r u c t u r el e a d s t ot h e l o wp e r c e n t a g eo fp o l ee m b r a c ea n dp o o rm e c h a n i c a lr o b u s t n e s s a n da l n i c oi s c o s t l vc o m p a r e dt on d f e bw h i c hh a sh i g hb ra n d 风t h ec o n t r o l l a b l e 。f l u xp m s m p r o p o s e di nt h i sp a p e rm a k e s 向l iu s eo f t h eh i g hr e m a n e n tf l u xd e n s i t y ，h i g hc o e r c i v e f o r c eo fn d f e b a n dt h eh i g hr e m a n e n tf l u xd e n s i t y , l o wc o e r c i v ef o r c eo fa l n i c o - t h es i z ea n dp l a c e m e n to fp m sw e r ee l a b o r a t e l yd e s i g n e d t o g u a r a n t e e t h e c o o p e r a t i o no ft h et w op m so nm a g n e t i cp e r f o r m a n c e t h es p e e di s r e g u l a t e db y u s i n 2t h ep m f l u xw e a k e n i n gi naw i d es p e e dr a n g ew h i l em a i n t a i n i n gt h eb a s i c e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fm o t o r s t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sa p p l i e dt ot h es y s t e m ，w h i c hm e a n st h ed - a x i s c u n e n t d = 0a n dt h e nt h ea r m a t u r ec u r r e n te q u a l st oq - a x i sc u r r e n t 南t h ed i r e c t i o no f q a x i sa m a t u r e r e a c t i o nm m f ( m a g n e t i cm o t i v ef o r c e ) i so r t h o g o n a lt o t h e m a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o no fa l n i c oa n dh a v el i t t l ei m p a c to ni t sm a g n e t i z a t i o n s t a t u s b vi m p o s i n gad - a x i sc u r r e n tp u l s ew h o s ed i r e c t i o na n da m p l i t u d ec a nb ec h a n g e d i n t h es t a t o r w i n d i n g s ，t h ec l o s e d l o o p s p e e d c o n t r o l s y s t e m c a n c h a n g e t h e m a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o na n dr e m n a n tf l u xd e n s i t yo fa l n i c o ，a n dc o n t r o lt h ea i r - g a p p m f l u xu l t i m a t e l v w h e na l n i c oh a st h es a m em a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o nw i t hn d f e b ， i tc o n t r i b u t e sl i t t l et ot h ea i r - g a pp m f l u x ，b u tf o r c et h ef l u xc o n t r i b u t e db yn d f e b t o s t a t o rw i n d i n g st om a k et h es t r o n g e s ta i r - g a pf l u x w h e nt h e y h a v eo p p o s i t e m a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o n ，a l n i c oc a n m a k eap a r ts h u n tc i r c u i to ft h ef l u xc o n t r i b u t e d b yn d f e bi nt h er o t o ra n dw e a k e n t h ea i r - g a pf l u x - as e r i e so fm o t o rm o d e l sw i t hd i f f e r e n tp mw i d t hw e r es e tu po nt h eb a s i so f f i n i t ee i e m e n ta n a l y s i st og e tt h ei n t e r i o rd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da n dg a p 。f l u k d e n s i t yi nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h ei m p a c to fl o a d c u r r e n to nd - a x i sp m m a g n e t i cf i e l da n dg a p f l u xh a r m o n i cc o m p o n e n t w e r eb o t ha n a l y z e dt og e tt h er u l e h o wt h em a g n e ts i z ei n f l u e n c e st h em u l t i p l eo ff l u xw e a k e n i n g a n df o rt h e6 - p o l e c o n t r o l l a b l e f l u xp m s m ，a i r - g a pm a g n e t i cf i e l dw a v e f o r m s i nd i f f e r e n tm o t o r c o n d i t i o n sw e r ed e m o n s t r a t e dt os h o wt h en e c e s s i t yo fi n c r e a s i n gq - a x i sm a g n e t i c r e l u c t a n c e f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h a tt h ei n t e r i o rc o m p o s i t e - r o t o rc o n t r o l l a b l e f l u x p m s mn e e d s dt oc h a n g ei t sg a p - f l u x ，ac o n t r o ls t r a t e g yw a sd e s i g n e d a n do nt h e b a s i so ft h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ec o n t r o l l a b l e - f l u xp m s m ，as o u n dc o n t r o ls y s t e m w a sd e s i g n e d k e yw o r d s ：i n t e r i o rc o m p o s i t e r o t o r ，c o n t r o l l a b l e f l u x ，p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 每秀 塞刚 签字同期：m 一舻年r 月屹闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 懒权二叁鲞盔堂二可明璐孝砬论文的至部或部分内容编入有关数据雕行硷一 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：铒“量刚 签字日期：刁舶辟广月冶日 导师签名： ， 氆兰厂 签字日期：m ，孑年，月力孑日 第一章绪论 1 1 永磁电机的发展概况 第一章绪论 1 1 1 概述 与传统电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运 行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等 显著优点。因而应用范围极其广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日 常生活的各个领域。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。上世纪8 0 年代之前，特 别是价格相对较低的钕铁硼永磁体出现之前，人们使用稀土钴作为永磁材料，而 其价格昂贵，永磁电机的重点只是局限于航空、航天等要求高性能而价格不是主 要因素的高科技领域。进入9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善， 特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，以及电力电 子器件的进一步发展，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越 来越广泛的应用，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段。一方面，稀土 永磁电机向大功率化，多功能化和微型化等方向发展，另一方面，永磁电机的设 计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面， 相关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析 求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件【l 】。 1 1 2 传统永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构形式很多，其分类方法比较多。按工作主磁场方向的不 同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式 ( 常规式) 和外转子式；按转子上有无起动( 阻尼) 绕组，可分为无起动绕组的 电动机和有起动绕组的电动机，前者用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升 高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机，后者既 可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动， 常称为异步起动永磁同步电动机；按供电电流波形的不同，则可分为矩形波永磁 同步电动机和正弦波永磁同步电动机。 本课题主要研究常规式、径向磁场、正弦波、调速永磁同步电动机。这种永 第一章绪论 磁同步电动机的定子结构和交流感应电机基本相同，其转子结构多样，结构灵活， 而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点。由于使用永磁材料提供电机机 电能量交换的磁场，使得此类永磁电机具有一些特点。 1 体积小，重量轻，结构简单，易于生产和维护。特别是稀土永磁材料的 不断推出使得提供同样大小磁通所需要的材料体积逐渐下降。同时内嵌永磁体结 构的转子使用整体的冲片，转子结构相当坚固可靠。 2 损耗小，效率高，功率密度高，经济环保。永磁同步电机由于转子没有 电阻损耗，减少了转子发热，从而可以减少冷却风扇，进一步减少了风摩损耗。 对于那些要求低功耗和环保的产品这一点尤其重要。 3 与感应电机相比，永磁电机在运行中功率因数比较高，甚至可以为容性。 大大减少了无功电流，同时也使定子总电流下斛2 】【3 1 。 1 2 永磁同步电机结构 1 2 1 永磁同步电机总体结构 永磁同步电机同样是由定子、转子和端盖等部件构成。定子铁心与普通感应 电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做 成实心的，也可以用叠片叠压而成。使用叠片叠压而成的转子不仅便于加工制造， 还可以有效的减少涡流损耗，在电机设计中更常用一些。本课题也采用叠片式转 子结构。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕 组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波永磁 同步电机通常采用分布短距绕组。为了减小定子绕组中3 次及3 的倍数次谐波电 动势产生的附加损耗，定子绕组通常采用无零线星形接法。永磁同步电机的气隙 长度是非常关键的尺寸，尽管它对这类电动机无功电流的影响不如对感应电机那 么敏感，但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其它性 能。此外，气隙长度的大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大 的影响。 1 2 。2 永磁同步电机转子磁路结构 永磁同步电机与其它电机最主要的区别是转子磁路结构，转子磁路结构不 同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。按照永磁体 在转子上位置的不同，永磁同步电机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、 内置式和爪极式【4 1 。 表面式结构的转子中，永磁体通常成瓦片形，并位于转子铁心的外表面上， 2 第一章绪论 永磁体提供的磁通方向为径向。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式，其 磁路结构如图1 1 所示。 ( a ) 凸出式c o ) 插入式 2 3 l 一转子铁心2 一永磁体3 一转轴 图1 1 表面式转子磁路结构 表面凸出式转子结构简单，制造成本较低，转动惯量小，在矩形波永磁同步 电机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到广泛的应用。而表面 插入式转子结构则充分利用了转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动 机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也比较简单，常被某些调 速永磁同步电机所采用，但其漏磁系数和制造成本都较凸出式大。 内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子内圆之间 可以设计由铁磁物质制成的极靴，以便放置铸铝笼或者铜条笼，起阻尼及启动作 用，动、静态性能好。按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式 转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和混合式三种，如图1 2 所示。 ( a ) 径向式( b ) 切向式( c ) g 合式 1 一隔磁桥2 一转子铁心3 一永磁体4 一转轴 图1 2 内置式转子磁路结构 径向式结构的优点是漏磁系数小，极弧系数易于控制，转子冲片机械强度高， 安装永磁体后转子不易变形等。切向式结构的漏磁系数较大，并且需采用相应的 隔磁措施，电动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点在于一 个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通，尤其是电动 第一章绪论 机极数较多，径向结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就更为突出。 而混合式结构则集中了径向式和切向式转子结构的优点。但是其结构和制造工艺 均较复杂，制造成本也较高。 爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成， 如图1 3 所示。 1 一永磁体2 一右法兰盘3 一左法兰盘4 一非磁性转轴 图1 3 爪极式转子磁路结构 爪极式转子结构的永磁同步电机性能较低，但是其结构和工艺较为简单。 1 2 3 隔磁措施 为了不使电机中永磁体的漏磁系数过大而导致永磁材料的利用率过低，应注 意各种转子结构中的隔磁措施。切向式转子结构的隔磁措施可采用非磁性转轴或 在转轴上安装隔磁铜套，但这种方式使得电动机的制造成本增加，制造工艺变得 复杂。而采用空气隔磁加隔磁桥的技术则成本低廉，效果良好。如图1 4 为两种 典型的空气隔磁措施。图中标注尺寸b 的冲片部位称为隔磁桥，通过隔磁桥部位 磁通达到饱和来起到限制漏磁的作用。隔磁桥宽度b 越小，该部位的磁阻便越大， 越能限制漏磁通，但是过小的b 将会使冲片机械强度变低，并且缩短冲模的使用 寿命。 ( a )( b ) 图1 4 两种典型的空气隔磁措施 空气隔磁桥长度w 也是一个关键尺寸，如果其长度不能保证一定的尺寸， 即使其宽度b 变小，隔磁效果也将明显下降。但是当w 达到一定大小的时候， 隔磁效果不再有明显变化，而过大的w 将会使转子机械强度下降。 4 第一章绪论 1 3 本课题研究目的和研究内容 1 3 1 永磁同步电动机弱磁调速方法发展概况 传统永磁同步电动机“弱磁升速的通常方法是使用矢量控制，通过三相定 子绕组持续通入起去磁作用的直轴电流分量，由直轴电流分量产生的去磁磁动势 削弱直轴永磁磁场。但是，传统永磁同步电动机的转子直轴上有磁导率接近空气 的永磁体存在，而且直轴电感较小，弱磁效果不明显，因而“弱磁”扩速困难。 由于这种弱磁方式必须持续施加直轴电流，增加逆变器的容量以及产生过多的附 加损耗。在逆变器容量有限的情况下，要想得到较大的弱磁范围，就不得不降低 低速转矩。如何扩展永磁同步电动机“弱磁”范围而又不明显降低低速转矩，已 成为永磁同步电动机设计和控制研究的重要课题。近三十年来，针对永磁同步电 动机的这一问题，在电机本体以及控制策略等各个方面已提出了多种解决方案 1 5 1 8 】 o 同步磁阻永磁电机是在同步磁阻电机的基础上发展而来的。同步磁阻电机结 构相对简单，但是存在的最大缺点是功率因数很低。为了提高功率因数，科学工 作者便在原先转子增大磁路磁阻的非导磁空间内置入永磁材料，于是衍生出同步 磁阻永磁电机【1 9 - 2 3 。同步磁阻永磁电机的转子交直轴磁阻与未置入永磁体前几乎 一样，但是永磁体在直轴磁路上产生一定强度的永磁磁场，于是提高了电机功率 因数。当利用同步磁阻永磁电机实现弱磁调速时，因为电机的直轴电感较小，电 机的直轴永磁磁场不能太强，否则永磁磁场占绝对比例，电机气隙磁场主要由永 磁磁场决定，调速范围不宽。同时，由于转子凸极率大，磁阻转矩所占的比例很 大，弱磁调速时采用单位电流最大转矩控制方法可以充分利用磁阻转矩。由于交 轴电感相对很大，弱磁调速时，则可依靠调节交轴电枢反应磁链来调整电机气隙 合成磁场维持电压平衡，实现宽范围的恒功率弱磁调速。 能够有效地增大永磁同步电动机直轴电感的另一种常用方法是永磁段加磁 阻段的复合转子结构【2 4 也引。即将电机的转子在轴线方向上设计成磁路独立的两段 永磁段和磁阻段，永磁段如同传统各种磁路结构的永磁同步电动机转子结 构，磁阻段则如同各种传统的同步磁阻电动机的转子，磁阻段转子磁阻比较小的 那根轴线与永磁段转子的直轴轴线重合。于是对电机定子总体来说，直轴电枢反 应电感有显著增加，能够大大拓宽弱磁调速区。 ， 混合励磁永磁同步电机上除了转子的永磁体提供的励磁磁通外，在定子上还 有一套直流环形励磁绕组。其气隙磁场是两种励磁方式所建立的合成磁场，一部 分由永磁体建立，是气隙磁场的主要部分：另一部分是由励磁绕组的电流来激励 产生，起调节磁场的作用。它综合了永磁电机和电励磁电机的优点，同时又克服 第一章绪论 了两者各自的缺陷【2 啦3 6 1 。但是，气隙磁场中永磁体励磁所占面积和电励磁磁路所 经过的铁磁极面积基本相等，因此在电机的最佳工作状态时电机的永磁体励磁和 电励磁起的作用基本相等，这显然造成了电机的性能和功率密度的降低，使得电 机额定负载时的励磁电流增大，效率不高。 哈尔滨工业大学寇宝泉等人提出了一种永磁励磁回路变磁阻可控磁通的弱 磁方法【3 刀。其转子永磁励磁回路由主永磁体、副永磁体、永磁体槽和隔磁非导磁 体构成。非导磁体嵌在永磁体槽两侧，主永磁体可以在永磁体径向的槽内做几乎 无摩擦地滑动。当电机转速较低时，主永磁体与副永磁体间的排斥力使得主永磁 体在槽的根部，永磁磁场最强；当电机转速升高，离心力增大到一定值时，主永 磁体开始向外部滑动，主永磁体进入具有隔磁非导磁体的槽内，磁阻变大，永磁 磁场自动减弱。其特殊转子结构能够跟随转速变化调整励磁回路磁阻，从而调节 永磁体提供的有效磁通，以达到气隙磁场减弱的目的。此类电机受永磁体与铁心 间的电磁力、摩擦力、重力、热胀冷缩等问题影响，仍在研究之中。 德国人v o s t o v i c 首先提出了可控磁通永磁同步电机记忆电机的思想 3 8 1 3 9 】。其四极可控磁通永磁同步电机的基本结构如图1 5 所示，电机的定子与传 统的交流电机的定子一样；转子结构比较特殊，四个磁极由四块径向为扇形而切 向磁化的铝镍钴永磁体形成；各个磁极两侧是导磁性能良好的软磁性材料，构成 转子永磁磁极；磁极之间放置非磁性材料；转轴由非磁性材料制成。 图l - 5 可控磁通永磁同步电机横向剖面图 转子是由永磁体、软磁性材料和非磁性材料做成一个如同三明治那样夹层结 构，用机械的方法固定在一根非磁性的轴上。再在外表面用非导磁合金圆筒固定， 从而构成具有一定机械强度的完整转子。其中，铝镍钴永磁体具有剩磁磁感应强 度研很高但矫顽力凰却很低的特点，它非常容易被外部磁场磁化，可控磁通永 磁同步电动机就是利用其这一特点来实现永磁磁通可控的。 可控磁通永磁同步电动机的基本工作原理，可通过图1 - 6 和图1 - 7 加以说明。 图1 - 6 给出了可控磁通永磁同步电机完全磁化时的原理示意图，在三相对称的定 子绕组内施加非常强的直轴电流矢量无脉冲后，三相对称定子绕组形成的直轴电 6 第章绪论 枢反应磁动势使得铝镍钻永磁体被切向完全强磁化，转予上被切向磁化过的铝镍 钴永磁体产生的最大磁通币。经过气隙进入定子，永磁气隙主磁通最强。图1 - 7 给出了可控磁通水磁同步电机部分反向磁化时原理示意图，在三相定子绕组内施 加一个与原强磁化方向相反的某一幅值的直轴电流矢量如脉冲后，靠近转轴的扇 形铝镍钴水磁体由于其切向磁化方向长度较薄而被部分去磁，并被反向磁化，在 永磁体到转轴表面之间距离为处产生一个分界面，使得每块铝镍钴永磁体被 分成磁化方向不同的两个区域，扇形顶部正向磁化部分的水磁磁通被扇形底部反 向磁化的部分所短路，穿过气隙的永磁主磁通减小为士。永磁同步电动机因其可 以通过直轴电流矢量如脉冲的幅值大小，即可改变电机永磁体的磁化强度，控制 直轴电流矢量如脉冲的幅值大小，即可改变电机永磁体的磁化强度控制永磁主 磁通量n 并对改变后的磁通密度具有记忆性，因而称为记忆电机。 图1 - 7 可控磁通水磁同步电机部分反向磁化时原理示意图 132 本课题研究目的和主要内容 可控磁通永磁同步电机在电机运行时依靠幅值和方向均可控的直轴电流矢 量脉冲直接更改转子内永磁体的磁化方向与强弱，进而改变气隙永磁磁通，它集 永磁同步电机( 无励磁损耗) 和转子上有电励磁绕组式同步电机( 弱磁调速范围 宽) 的优点于一身，有别于传统永磁同步电机的设计理念。 但是这种三明治式转子结构也存在着不足之处。其一，永磁体材料选用剩磁 第一章绪论 密度日高而矫顽力鼠低的铝镍钴永磁体，磁化方向为切向，其扇形结构使其磁 化方向上的永磁体厚度是变化的。为了使强磁化后较短的永磁体底部还保持正向 磁化，且气隙永磁磁场足够强，底部就要加厚，顶部也随之增厚，转子极弧宽度 降低，极弧系数低。其二，当铝镍钴较厚时，将其正向强磁化所需要的自脉冲幅 值就会很大，逆变器容量增大，系统造价高。其三，铝镍钴含有战略物资钴和镍， 价格比目和风都很高的钕铁硼永磁高许多。其四，永磁转子是由永磁体、软磁 性材料和非磁性材料做成三明治似的夹层结构，然后固定在非磁性轴上，再在转 子外表面用非导磁合金圆筒紧箍构成完整转子，结构复杂，机械强度较低。 本课题提出新的内置混合式转子结构的可控磁通永磁同步电动机，从转子的 磁路结构出发，充分利用钕铁硼永磁体的高剩磁强度研和高矫顽力鼠，以及铝 镍钴永磁体的高剩磁强度研和较低的矫顽力鼠，在不同极对数的电机转子空间 内巧妙地放置两种永磁体，科学地分配两种永磁体的尺寸，使两种永磁体在磁性 能上合理配合，在保障电机各项基本性能的前提下，能够实现真正意义上的永磁 同步电机弱磁调速，而且调速范围非常宽，经济指标耐4 2 1 。 针对4 极、6 极永磁同步电机转子磁路的结构特点，提出了w 形和v 形两 种内置混合式转子结构的可控磁通永磁同步电机。并分析了可控磁通永磁同步电 机的工作机理，以及控制转子永磁磁通过程中两种永磁体的磁化过程。 利用有限元法对上述两种转子结构的可控磁通永磁同步电机的磁场进行分 析和计算，得出了4 、6 极可控磁通永磁同步电机在不同磁化状态下空载与满载 时磁场分布和气隙磁密曲线，气隙磁密谐波含量，以及气隙磁密基波和交轴电感 随负载的变化规律。通过磁场分析，得出了永磁体尺寸和磁路结构尺寸的选取原 则，并特别指明将交轴磁路磁阻设计的较大的好处。 通过对目前永磁同步电机控制策略的研究，并针对内置混合式转子可控磁通 永磁同步电机必须使用妇电流脉冲矢量对铝镍钻永磁体进行充去磁操作的特点， 设计一套适合本电机的控制系统，并搭建以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号d s p 为核心的控制电路，对其硬件结构以及软件流程进行了较为完善的设计。 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 2 1 永磁材料及其性能 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。纵观永磁电机发展历史， 每当出现一种新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促使电机 的设计理论、计算方法和结构工艺的研究提高到一个新的阶段。随着新的永磁材 料的继续出现、永磁材料性能的进一步提高和电力电子元件性能的不断完善，永 磁电机的理论研究和产品开发将会得到进一步发展，性能更好，功能更全，产品 的附加值更高，在工业和民用产品中的应用领域将会更广泛【4 3 1 。 2 1 1 铝镍钴永磁材料及其性能 铝镍钴永磁分铸造型和粉末烧结型两种。铸造型的磁性能较高。粉末烧结型 的工艺简单，可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型，本课题也 选用铸造型铝镍钴。 铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小，因此，随着温度的改变磁性能变化很 小，目前仍被广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。铝镍钴永 磁材料的剩余磁感应强度较高，最高可达1 3 5 t ，但矫顽力很低，通常小于 1 6 0 k a m 。它的退磁曲线呈非线性变化，如图2 1 所示。铝镍钴永磁的内禀退磁 曲线与退磁曲线很接近，内禀矫顽力鼠i 与矫顽力儡b 相近且很小，因此在使用 过程中，严格禁止与任何铁器接触，以免造成局部不可逆退磁或磁通分布的畸变。 另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形m 】。 1 2 01 0 08 06 04 02 0o h | k a n f i 图2 - 1 几种不同型号a l n i c o 的退磁曲线 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因 此加工成特殊形状比较因难。铝镍钴永磁含战略物资钴，价格贵。 在内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机中，并不需要提前为铝镍钴永 磁体充磁，其充磁过程是在永磁同步电动机由变频器驱动运行过程中根据运行速 度的高低，由定子直轴电流矢量脉冲产生的电枢磁动势随时控制完成的。为了不 使充磁时的定子直轴电流矢量脉冲过大以造成变频器容量过大，铝镍钴永磁体的 充磁方向上的厚度要尽量取的小一些，使其为扁平形，但是为了降低钕铁硼永磁 体对其的影响，其充磁方向厚度上也不宜过小。 2 1 2 钕铁硼永磁材料及其特性 钕铁硼永磁材料的磁性能高于稀土钴永磁。室温下剩余磁感应强度屏可达 1 4 7 t ，磁感应矫顽力鼠可达9 9 2 k a m ，最大磁能积高达3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁 性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是衫的十几倍，资源比较丰富，铁、 硼的价格便宜，又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得 多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。 钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为3 1 0 - - - 4 1 0 左右；温度 系数较高，剩余磁感应强度研的温度系数可达0 13 k ，内禀矫顽力风i 的温度 系数达( 0 6 0 7 ) k 。因而在高温下使用时磁损失较大。由于钕铁硼永磁材料 的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁硼永磁材料在高温下 使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲，这可以由图2 2 所示的在不同温度 下牌号为n t p 2 5 6 h 的钕铁硼永磁体的内禀退磁曲线和退磁曲线看出。 1 4 0 0 1 2 0 01 0 0 02 ；【j u6 0 04 0 02 0 00 h k a l n - l 图2 2 不同温度下n d f e b ( n t p 2 5 6 h ) 的退磁曲线和内禀退磁曲线 由图2 2 可见，随着温度的升高，剩磁磁感应强度和矫顽力随之降低，但是 其内禀矫顽力减小的非常快，抗去磁能力大大减弱。因此，使用普通钕铁硼永磁 材料时，一定要校核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。对于工作温度 l o 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 较高的电机，要选择超高矫顽力钕铁硼永磁材料。由于其中含有大量的铁和钕， 容易锈蚀也是它的一大弱点。所以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有 环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为l o - - 4 0 n 。 铝镍钴永磁体虽然剩磁密度高但是矫顽力却很低，而钕铁硼永磁体不仅剩磁 密度高而且矫顽力也很高，钕铁硼永磁体的价格是铝镍钴永磁体的一半。如果在 可控磁通永磁同步电机中安排一定的钕铁硼永磁体势必能够提高其性能并降低 其成本。在此思想的启发下，通过对磁路的分析和研究，提出了内置混合式转子 结构可控磁通永磁同步电机。 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机就是充分地利用钕铁硼永磁体 和铝镍钴永磁体各自的磁特性，在特殊的转子磁路结构中巧妙地布置两种永磁 体，根据运行要求通过变频器对电机定子绕组施加直轴电流矢量脉冲，依靠幅值 和方向均受控的直轴电流矢量脉冲产生的直轴电枢磁动势改变铝镍钴永磁材料 的磁化强度与磁化方向，而钕铁硼永磁材料因其矫顽力高而不能被正向或反向重 新磁化，只维持原来的磁化方向始终不变。当转子的永磁体被直轴电流矢量脉冲 产生的直轴电枢磁动势重新磁化后，在新的磁化状态下借助永磁体能够为外部提 供一定的永磁磁通的这一“记忆”功能，达到永磁同步电机气隙永磁磁通的“可 控”的效果，实现永磁同步电机高效的弱磁和很宽的调速范围。 2 2 4 极可控磁通永磁同步电机结构 4 极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机横向剖面图如图2 3 所示。 隔磁桥 a l n i c o n d f e b 定子铁心 转子铁心 转轴 图2 34 极可控磁通永磁同步电机剖面示意图 在这台4 极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机中，定子采用y 系 列4 极三相感应电动机硅钢片冲片叠压而成；为了减小电机的齿槽转矩和杂散损 耗，将定子铁心斜一个定子槽距；转子由硅钢片冲剪、叠压而成，转子冲片上冲 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 有用于嵌入永磁体的4 个w 形槽，每个w 形槽中都分别插入铝镍钴( a l n i c o ) 和钕铁硼( n d f e b ) 两种永磁体。转子铁芯是一个相互完全贯通的整体结构，机 械强度相对较高，无特殊工艺要求，制作方便。 各个钕铁硼永磁体的磁化方向如图中单箭头所示，根据其磁化方向可知钕铁 硼永磁体可以近似认为处于径向磁路位置。由于钕铁硼永磁体的剩磁密度和矫顽 力都很高，因此要合理选择钕铁硼永磁体矩形横截面的长边宽度，使其尽可能多 地贡献磁通量，电机永磁气隙磁通主要由其产生；合理选择钕铁硼永磁体矩形横 截面在充磁方向的厚度，使其能够防止电机在极端情况下，定子绕组联合产生的 去磁磁动势造成钕铁硼永磁体出现不可逆的去磁，还需要顾及永磁体的成本、材 料的利用率和加工工艺性。特别应该注意的是，调整两块钕铁硼交接处的顶点与 转子外径间硅钢片的宽窄，可以有效地改变交轴磁路的磁阻。变窄时，交轴磁路 的磁阻增大，交轴电感减小，降低定子负载电流交轴电流电枢反应磁动势产 生的交轴磁场，或者说降低交轴电抗压降，提高变频器输入电压的利用率，增大 电机调速运行区；同时，还可以降低定子负载电流产生的交轴电枢反应磁动势生 成的交轴磁场对直轴永磁磁场的影响，这也是转子磁路中永磁体按w 形结构放 置的优点之一。 铝镍钴永磁体矩形横截面的长边宽度，可有效地调整电机可控磁通量的大 小，以调整电机的弱磁范围。铝镍钴的磁化方向上的厚度的选取原则是，使正、 反向磁化铝镍钴时所需要施加的直轴电流矢量豇的幅值不会过大而超过逆变器 的容量；同时保证铝镍钴与钕铁硼被直轴电流矢量自脉冲同向强磁化后，不被钕 铁硼永磁体再反向去磁而重新反向磁化，即此时铝镍钴应该工作于其磁滞回线的 第1 i 象限，而不应该进入磁滞回线的第1 i i 象限。 为了减少永磁同步电机的杂散损耗，降低电机的振动和噪音，同时也更便于 电机的装配，可控磁通永磁同步电机的气隙长度一般要比同规格感应电机的气隙 大；而且，电机的中心高越高，转速越大，其气隙便应该越宽。 2 3 6 极可控磁通永磁同步电机结构 6 极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机横向剖面图如图2 4 所示。 其定子采用y 系列6 极三相感应电动机硅钢片冲片叠压而成；为了减小电机的 齿槽转矩和杂散损耗，也将定子铁心斜一个定子槽距；转子由硅钢片冲剪、叠压 而成，硅钢片上冲有用于嵌入永磁体的在6 个永磁磁极下像似v 形的槽，所有v 形槽中都分别插入铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体。同时，为了增加电机转子交轴 的磁阻，特意在转子的直轴轴线位置设置径向细长的空心孔，此空心孔对直轴磁 1 2 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 路影响很小，但是却完全横亘在整个转子交轴磁路上，使得交轴磁路的磁阻很大， 交轴电感变小，降低了定子负载电流产生的交轴磁场，也就降低了交轴磁场在定 子绕组中感应出的电动势，即降低了交轴电抗压降，提高变频器输入电压的利用 率，增大电机调速运行区。转子铁芯也是一个相互完全贯通的整体结构，机械强 度相对较高，无特殊工艺要求，制做方便。 隔磁桥 a l n i c o n d f e b 图2 _ 46 极可控磁通永磁同步电机剖面示意图 在图2 - 4 中，磁化方向用双箭头标示出来的就是铝镍钴永磁体。其靠近气隙， 处于切向磁路的位置上，它们可以被直轴电流矢量妇产生的直轴电枢反应磁动势 正、反两个方向磁化。铝镍钴永磁体在电机中的作用与4 极w 形内置混合式转 子结构可控磁通永磁同步电机中铝镍钴永磁体的作用一样，铝镍钴的矩形横截面 的长边宽度和磁化方向上的厚度选取原则也是一样的，其长边宽度决定着电机的 弱磁范围，磁化方向上的厚度决定着其正向强磁化后抗钕铁硼永磁体再反方向磁 化的能力。 在图2 4 中，用单箭头表示其磁化方向的各块钕铁硼永磁体可以近似地认为 处于切向磁路位置，这种近似的切向式永磁转子结构对于永磁磁极来说具有“聚 磁 的作用，在气隙处可以得到较高的磁密。电机永磁气隙主磁通主要由钕铁硼 永磁体产生。由于钕铁硼永磁体的剩磁密度和矫顽力都很高，因此要合理选择钕 铁硼永磁体矩形横截面的长边宽度，使电机永磁气隙主磁通达到要求。合理选择 钕铁硼永磁体平行四边形横截面在充磁方向的厚度，使其能够防止电机在极端情 况下，定子绕组联合产生的去磁磁动势造成钕铁硼永磁体出现不可逆的去磁。为 了减小永磁漏磁通，将一个磁极下的两块钕铁硼永磁体安排在接近转子内径处趋 于交汇在一起，趋于交汇处的槽中留有一定的空气隙空间作为隔磁桥，在保证转 子机械强度的前提下，趋于交汇处两槽之间的铁心厚度应尽量窄一些，而隔磁桥 则应该长一些。 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 2 4 可控磁通永磁同步电机的工作原理 在内置混合式转子可控磁通永磁同步电机内部，钕铁硼的矫顽力高，内禀矫 顽力更是特别高，事先已被饱和磁化，其磁化方向具有一定厚度，在有限的电枢 直轴助磁、去磁磁动势作用下，其退磁曲线与回复曲线重合，穿梭于永磁体岳日 磁化曲线的第1 、i i 象限，最后工作于第1 i 象限。铝镍钴矫顽力与内禀矫顽力很 接近，且都很小，在一定幅值的正、反向直轴电枢磁动势作用下，其磁滞回线在 四个象限内穿梭，而最终工作在b 日磁化曲线的第1 i 或1 1 1 象限内，工作点变化 很大，使得转子内部永磁磁通的路径发生一些根本变化，为外部提供的气隙永磁 磁通也发生显著变化。在电机转子磁路中若忽略转子磁极极靴处的磁压降，每块 面对转子磁极一侧的钕铁硼和铝镍钴的表面可近似认为是一个标量磁位等位面， 则两两串联的永磁体为外部磁路提供相同的磁动势。下面结合图2 5 所示的可控 磁通永磁同步电机气隙永磁磁场由较强斗较弱一更弱_ 较弱一很强的改变过 程，对两种永磁体的磁化过程做一描述。为了突出最本质的问题，将两块钕铁硼 之间那部分铁心的磁压降，即转子轭部的磁压降归入钕铁硼内部的磁压降。 l l l ， i1 。 n 弋d 建 h 曰h 歹 ! 全茹圣7 多少 il 肋 多 2 一 1 ji ? b i i 7 风 j ， 乇 j 、 o 曩l f h 勘、 d ，bf元j惫。 e 夕 7 a i n i c o 7 名乡 ，。 。 f t一 反 图2 5 转子内部两种永磁体磁化过程示意图 1 4 第二章可控磁通永磁同步电机的结构与原理 每次系统通电开机时，首先要对永磁转子进行正方向强行磁化，以保证起动 电机工作时，电机气隙永磁磁场较强，电机低速运行时力能指标较高。假设转子 被正向强磁化后，两种永磁体工作点分别处于a 、a 两点，它们对应的磁通密度 为以、玩，两种永磁体为空气隙和定子外部磁路提供的磁动势为凡，为外部能够 提供的总的永磁磁通为 2 a + 2 峨+ 吃k ( 2 1 ) 其中，彳i i l n 、彳i r i a 为钕铁硼和铝镍钴永磁体提供磁通的有效面积。 电机在气隙永磁磁场较强的情况下，起动、升速、并在额定转速以下工作。 若希望电机升速而高于额定转速工作时，首先控制电机加速，当电机达到额 定转速，则需要弱磁升速。于是，通过变频器经过定子绕组施加自脉冲，产生的 直轴去磁磁动势最大幅值达到凡，两种永磁体的工作点从a 、a 点沿着各自的磁滞 回线移动到b 、b 点。钕铁硼的工作点b 依然在第1 i 象限的退磁直线上；但是，铝 镍钴的工作点b 已经转移到了第1 i i 象限，说明它已经被反向磁化了。凡消失后， 两种永磁体就会沿各自磁滞回线移动到新工作点c 、c ，永磁体为外提供的磁动势 为r 。此时，钕铁硼的工作点c 位于第1 i 象限，对应的磁通密度& 为正值。而铝 镍钴的工作点c 位于第1 i i 象限，对应的磁通密度b 。为负值。此时，两种永磁体为 外部能够提供的总永磁磁通为 2 嚷n c + = & 厶一i 鼠l k ( 2 2 ) 与磊a a 相比总永磁磁通大大降低了，电机可以运行到较高的转速。 若希望电机达到更高的转速，则还需要进一步削弱永磁气隙磁通，而需要施 加幅值为凡的直轴去磁磁动势脉冲，局消失后，工作点过渡n e 、e ，两种永磁体 为外部能够提供的总永磁磁通瓯。e 比瓯。c 更小。 若希望电机转速降低些但还高于额定转速时，气隙永磁磁场应增强一些。施 加幅值较小的正向无脉冲，产生幅值为斥的助磁磁动势脉冲。斥消失后，工作 点过渡到g 、g 。在此过程中，钕铁硼沿其磁滞曲线由第1 i 象限进入第1 象限， 然后返回第1 i 象限；铝镍钴沿其磁滞曲线由第1 i i 象限进入第1 v 象限，然后返 回第1 i i 象限。最后，永磁体为外部能够提供的总永磁磁通瓯硒比鲰。c 和磊。e 都大一些。 当电机低速运行时，永磁磁通应该很强。施加幅值为 的助磁磁动势脉冲， 两种永磁体分别沿着各自的磁滞回线移到第1 象限的h 、h 点。 消失后，两种 永磁体又将移到第1 i 象限的新工作点i 、i ，永磁磁