增程器用永磁同步发电机永磁体结构的优化设计.docx

增程器用永磁同步发电机永磁体结构的优化设计王晓远， 郑 怡( 天津大学 电气与自动化工程学院，天津300072)摘 要: 电动汽车增程器用永磁同步发电机对电压波形质量有较高的要求。通过有限元分析软件对一台样机进行建模仿真。改变 V 型永磁体夹角得到不同角度下气隙磁密、空载反电势及其波形畸变率的波形， 对比分析得出永磁体的最优夹角，然后在此基础上分析得出最优隔磁磁桥 长 度。在满足增程器要求的前提 下，减少了永磁体的用量，降低了空载反电势的波形畸变率，完成优化设计。关键词: 永磁同步发电机; 空载反电势; 优化设计中图分类号: TM 351文献标志码: A文章编号: 1673-6540( 2014) 08-0032-00Optimal Design of Permanent Magnet Structure for InteriorPermanent Magnet Synchronous GeneratorWANG Xiaoyuan， ZHENG Yi( School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract: The quality of voltage waveform of PMSG used in range-extender of the electrical vehicle has been given high requirements A model machine was simulated by Maxwell 2 D finite element method software First， in order to obtain the optimal angle of permanent magnet，the angle of V type magnetic steel was changed to acquire the air gap flux density，no-load counter EMF and its THD under different angle Then the optimal length of magnetic separation of magnetic bridge was analyzed Finally，on the premise of meeting the requirements of range-extender，reducing the amount of permanent magnets and THD of no-load counter EMF，the optimal design was completedKey words: permanent magnet synchronous motor( PMSG) ; no-load counter EMF; optimal design磁体电机属于内置径向式永磁同步电机，其 排 布方式能够使永磁体获得更大的空间，在相同 输 出 功率的前提下，永磁体用量较其他内置式结 构 要少4，既减轻了电机重量，又节约了制造成本。目前，对于 V 型永磁电机的研究相对较少， 文献5研究 了 V 型永磁电机的极弧系数、永 磁 体宽度及厚度 3 个参数对感应电势幅值和谐波含量的影响，还分析了隔磁槽形状和漏磁系数 的 关系5，但所建立的电机模型不清晰。由于 V 型结 构的永磁体摆放空间很大，建模时如何对永 磁 体进行精确定位显得格外重要。只有建立更精确的模型，仿真结果才更有说服力。增程器的设计目的是给电动汽车的蓄电池充 电，该过程对于永磁同步发电机的空载反电 势 波 形的正弦性有严格要求。因此，空载 反 电 势 波 形 畸变率是衡量电动汽车增程器用永磁同步发电机0引言电动汽车是人类新一代的清洁交通工具，其推广有着不可估量的意义。增程式纯电动汽车兼 顾纯电动汽车和混合动力汽车的优点，将成为 电 动汽车今后的发展热点。增程器作为其核心关键 零部件，将随着增程式纯电动汽车的发展而得 到 越来越广泛的应用1。永磁同步发电机具有体积小、效率高、功率密 度 大 等 优 点，比较符合增程器的设计制 造 要 求2。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同 步发电机的转子结构主要可分为表面式和内置 式。内置式转子的永磁体受到极靴的 保 护，其 转 子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于 提高发电机的功率密度，故在输出相同的功率 情 况下，内置式的永磁体用 量 相 对 较 少3。V 型 永 32 2014，41( 8 )研究与设计EMCA性能的重要指标。本文利用有限元仿真软件对增程器用永磁同 步发电机样机进行建模仿真，得到不同永磁体 夹 角下的气隙磁密和空载反电势波形，计算空载 反 电势的波形畸变率，选择波形畸变率最低时的 永 磁体夹角作为最优夹角。在最优夹角下讨论不同的隔磁磁桥长度对空载反电势及其波形畸变率的 影响，得到隔磁磁桥的最佳宽度。2 + B 2( 4)( 5)Ek = 槡Akk= arctan (A)Bkkk12 同时，Ak =e( t) sinktd( t)( 6)0= 1 2e( t) cosktd( t)( 7)Bk0将有限元 分 析 计算得到的电压波形进行采 样，再利用离 散 函数数值积分法可求得式 ( 6 ) 和 式( 7) 的积分值。将积 分 值 代 入 式 ( 4 ) 中 得 到 各 次谐波幅值，然 后 据 式 ( 1 ) 可计算出电压波形畸 变率6。1电压波形畸变率1 1电压波形畸变率的解析分析国内外衡量电压波形的质量主要通过空载线 电压波形正弦畸变率。电压波形正弦性畸变率是该电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根值与该波形基波有效值的百 分比，用 kU ( % ) 表示，即2电机模型针对特定的 6 极内置式永磁同步发电机的 V型永磁体结构，根据每极永磁体的夹角、永磁体槽到转子外圆的最小距离及永磁体之间的最小距离( 隔磁磁桥宽度) 对永磁体位置进行定位，通过改 变永磁体槽口宽得到 V 型 永 磁 体 摆 放 的 精 确位置。电动汽车增程器用 6 极内置式永磁同步发电 机的主要参数如表 1 所示。222槡U2 + U3 + + U kU = 100=U12槡U = 2( 1) 100U1式中: Uv 线电压中 v 次谐波的有效值;U1 线电压的基波有效值。为减小空载反电势波形正弦畸变率。理论上 可采用短距绕组、分布绕组、正弦绕组、斜 槽 等 措施。另外，还有一个重要的措施就是改 善 气 隙 磁 场波形，包括极弧系数和最大最小气隙比2。但 是，目前主要依赖磁路法，且都是假定在某些理想 情况下获得的解析解，与实际情况存在较大的 误差。针对特定的内置式 永 磁 同 步 发 电 机 V 型 永磁体结构，为了获得低电压波形畸变率，通 过 有 限元仿真得到不同永磁体夹角下的空载反电势 波形，获得大量数 据，经过离散的傅里叶级数展 开获得各 次 谐 波 幅 值，再通过计算得到波形畸 变率。表 1 永磁同步发电机的主要参数参 数值 额定功率 / kW额定转速 / ( rmin 1 ) 槽数永磁体厚度 / mm 定子外径 / mm 转子外径 / mm 额定电压 / V 极数气隙长度 / mm 铁心长度 / mm 定子内径 / mm 转子内径 / mm106 0003682101443206230148601 2空载反电势及其波形畸变率的计算永磁同步发电机的空载反电势傅里叶展开如使用有限元分析软件创建永磁同步发电机二维有限元瞬态模型，如图 1 所示。样 机 的 永 磁 体 夹角 100，永磁体宽度 33 mm，厚度 8 mm。定、转 子材料选用 35W210，永磁体选用钕铁硼( NdFeB)材料。式( 2) 式( 7) 所示。e( t) = E0 + Ek sin( kt + k )( 2)k = 121= 2式中，E0e( t) d( t)( 3)0 33 2014，41( 8 )研究与设计EMCA图 2 永磁体角度变化时的气隙磁密波形图 1 样机的二维有限元瞬态模型个极距下的磁通还是由相邻两个磁极并联 提 供，相当于结合了径向式和切向式两种结构各自的 优点。对气隙磁密的波形进行 傅 里 叶 分 解，计 算 得 到其波形畸变率，如表 2 所示。3磁钢结构的优化设计3 1 永磁体夹角对气隙磁密的影响电机中的磁力线会穿过定转子铁心和气隙， 由于气隙磁阻较大，所以在非深度饱和的情况下， 气隙的磁压降占磁路中的绝大部分。气隙中的磁场既有径向分量也有切向分量，但以径向分量 为主，所以通常说的气隙磁密都默认为 径 向 分 量。理论上，气隙磁密越大越好，但考虑到转子硅钢片 的饱和，气隙磁密应该取一个合理值。同 时 气 隙磁密波形的正弦性也很重要，如果波形畸变率 较高会增大铁心损耗，降低电机效率。保持样机的其他条件都不 变，建 模 约 束 条 件 为永磁体槽到转子外圆的最小距离和永磁体之间的最小 距 离 都 是 1 8 mm。改变永磁体的夹 角 时，当夹 角 无 限 接 近 于 0 时，转 子 磁 路 结 构 就 近似于切向式结构; 当夹角 无限接近于 180时，则近似于径向式结构。径向式结构的优点是漏磁 系数小、转轴上无需采取隔磁措施、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，而切向式的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。但永磁体宽度是固定不变的，加 上 约 束 条 件可推出夹角 只能在一个固定的范 围 内 变 化。经过计算后选取变化范围为 90 110，步 长 为5。分别进行建模有 限 元 仿 真，气隙磁密的波形 如图 2 所示。图 2 中，气隙磁密的幅值大小随永磁体夹角 的增大而增 大，这是因为随着永磁体夹角 的 变大，转子结构慢慢从切向式向径向 式 转 变。该过程中每极永磁体产生磁通的径向分量增大，气 隙磁通也随之增大，漏磁系数也会变小，且此时一 34 表 2 不同磁钢夹角的气隙磁密波形畸变率永磁体夹角 / ( )波形畸变率 / ( % ) 909510010511035 9833 8930 7929 8231 03由表 2 可知，随着永磁体夹角的增大，气隙磁密波形畸变率先减小后增大。当 = 105 时，气 隙磁密的波形畸变率取最小值 29 82% ，此 时 电 机仿真模型的磁密云图如图 3 所示。图 3 电机仿真模型的磁密云图3 2永磁体夹角对空载反电势的影响永磁同步发电机的空载反电势和气隙中的磁 通密度分布有着重要的关系，如式( 2) 所示。E0= 4 44fNKdp 0 K( 2)式中: 0 每极空载气隙磁通。2014，41( 8 )研究与设计EMCA由式( 2 ) 可 知，永磁同步发电机的空 载 反 电势与其对应的气隙磁密的变化趋势理论一致。当 永磁体夹角 从 90 变化到 110 时，得到 A 相的 空载反电势波形，如图 4 所示。条件不 变，改变隔磁磁桥的宽度 b，变 化 范 围1 4 2 6 mm，步长 0 2 mm。分别进行建模仿真 后，得到 A 相空载励磁电动势的波形畸变率和基 波幅值，并绘制出关于各参数的曲线图，分别如图5、图 6 所示。图 4 永磁体角度变化时的 A 相空载反电势波形图 5 不同隔磁磁桥宽度的 A 相空载反电势波形畸变率如仿真所得波形所 示，随着永磁体夹角 的增大，空载反电势的幅值增大，同时波形的变化也 很大，这说明永磁体夹角 对空载反电 势 的 幅 值 和波形畸变率都有影响。经过离散的傅里叶级数 展开，得到各角度下的空载反电势的基波幅值，再 通过上述公式计算可得波形畸变率，如表 3 所示。表 3 不同永磁体夹角的 A 相空载反电势基波幅值和波形畸变率图 6 不同隔磁磁桥宽度的 A 相空载反电势基波幅值永磁体夹角 / ( )基波幅值 / V波形畸变率 / ( % )如图 5 所示，随着隔磁磁桥宽度 b 值的增大，空载反电势的波形畸变率呈减小的趋势，但 变 化 范围不 大，当 b = 2 4 mm 时，波 形 畸 变 率 最 小 为16 62% 。图 6 是 b 值变化时，A 相空载反电势的 基波幅值变化曲线，可以看出，基波幅值随 b 值的 增大而增大。3 4 永磁体结构的优化设计通过 分 析 可 得，当 永 磁 体 夹 角 为 105，隔 磁 磁桥宽度 b = 2 4 mm 时，为内置式永磁同步发电 机的最优磁钢结构。在样机已经满足增程器要求 的前提下，可以考虑适当减少样机的永磁体用量。 永磁体采用厚度方向上的平行充磁，厚度大 小 不影响空载反电势的波形5，故可通过减小永磁体 宽度达到减少永磁体用量的目的。保持永磁体夹角 = 105，隔磁磁桥宽度 b =2 4 mm，其 他 条 件 不 变，减 小 永 磁 体 宽 度。对 模 型进行参数化分析得到，永磁体宽度为 32 mm 时 的 A 相空载反电势的基波幅值为 198 1 V，其 波 ( 下转第 60 页) 35 9095100105110180 85187 56198 12207 11214 9719 0918 3917 3416 7817 45从表 3 可看出，空载反电势的基波幅值随着永磁体夹角的增大而增大，波形畸变率随着永 磁 体夹角的增 大先减小后增大。当 = 105 时，波 形 畸 变 率 最 小 为 16 78% ，此 时 基 波 幅 值 为207. 11 V。该结果和气隙磁密的变化 趋 势 一 致， 故可推出样机永磁体夹角 的最优值为 105。3 3永磁体隔磁磁桥长度对空载反电势的影响隔磁磁桥能通过磁桥部位磁通达到饱和来限制漏磁，其宽度 b 越小，该部位磁阻便越大，越 能限制漏磁通。b 过小将使冲片机械强度变差，并 缩短冲模的 使 用 寿 命。因 此，选择一个合理的 b 值十分重要。样机的隔磁磁桥宽度为1 8 mm，为 了得到最优 b 值，保持永磁体夹角 = 105，其他2014，41( 8 )运行与保护EMCA软起动器时，选用固态软起动器的较多。采用以小拖大变频软起动，具有变频软起动的全部优点，且由于变频器容量为电动机额 定 容 量的 40% 50% ，从价格上来看，已接近 100% 电 动机功率的固态软起动器，可满足起动需要，又节 约投资。6以小拖大降容变频起动的运用以小拖大降容变频软起动就是选择比电动机容量小的变频器，仅作为软起动器使用，将电机拖动至工频转速。以小拖大变频器采用恒转矩变频调速，v / f 为常 数，其磁通基本不变，机械特性如图 3 所示。根据转 矩算式 M = CMJ m I2 cos2 ，得出转矩与磁通、电流的 关系，电动机空载起动，所需起动转矩较小。一般大 型电动机的空载电流约为额定电流的20% 40%( 本文取 40% ) 。因此，可以选择电动机额定功率的40% 50% 容量变频器作为软起动器起动机，当电 动机变频起动到全速( 50 Hz) 后，再切换到工频运 行。然后逐渐加载到额定载荷正常运转。7结语由于传统降压起动方式为有级降压起动，不能做到平滑过渡，不适用于大容量 电 动 机。在 仅 有起动要求情况下，固态软起动器较变频软 起 动 具有价格低、占地省的特点，为优选方案。在电网 条件特别差，而工艺工况无调速要求时，以小拖大 降容变频软起动，则是一个好的选择，既能达到保 证电动机能够顺利起动，又能节约 工 程 投 资。但 应注意电动机必须空载起动，如大容量鼓风 机 等 带载起动的用电负荷，不能采用此方案。【参 考 文 献】1 GB 500552011S2 杜金城 电气变频调速设计技术M 北 京: 中 国 电力出版社，2001收稿日期: 2014-01-07通 用 用 电 设 备配电设计规范 图 3 恒转矩变频调速的机械特性檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿( 上接第 35 页)形畸变率 为 16 74% 。由 表 2 可 得，基 波 幅 值 与