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实心转子永磁同步电机损耗分析与混合励磁技术研究(三)
时间:2016-12-13  作者:模具联盟网  点击:  评论:  字体:T|T
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   3 切向结构实心转子磁极永磁同步电机混合励磁技术研究

    切向结构永磁同步电机气隙磁场不可调节,为实现宽转速范围恒功率运行需要采用直轴电流弱磁控制。采用混合励磁技术,可以利用励磁电流进行弱磁控制,减小电枢电流中的直轴电流分量,从而减小损耗。转子磁分路HESM是在切向结构PMSM基础上利用混合励磁技术引入磁分路结构发展而来,结构上的变化必然会造成电机各方面特性的变化。

    3.1 电机性能要求

表3.1 20kW混合励磁同步发电机性能要求

表3.1 20kW混合励磁同步发电机性能要求

    3.2 结构参数设计

    3.2.1 定子冲片选择

    本方案采用内置式混合励磁电机结构进行设计,如图1所示,包括机壳1及设于机壳1内的定子、转子、旋转轴9、前端盖10、后端盖11、固定在后端盖11上的环形导磁桥8以及嵌放在环形导磁桥8内的励磁绕组7;定子包括定子铁心2和嵌在定子槽内的电枢绕组3;定子铁心2固定在机壳1上。记转子极对数为pr,转子包含pr块N极转子铁心5、pr块S极转子铁心4、2pr块N极、S极交错分布的切向磁化永磁体6。

图3.1  内置式混合励磁电机结构图

图3.1  内置式混合励磁电机结构图

    可供选择的定子冲片型号如下表2所示。

表3.2  电励磁同步发电机定子冲片型号

表3.2  电励磁同步发电机定子冲片型号

    考虑到设计方案为20kW混合励磁同步发电机,为了更好地替代原电励磁同步发电机方案,首选20-24kW功率等级定子冲片作为20kW混合励磁同步发电机定子冲片进行方案设计。

    分析:发电机要求功率因数0.8,额定相电压231V,额定电流36.1A,1.2倍过载电流43.3A。因发电机要求额定电流密度控制在6-8A/mm2,对于20-24kW定子冲片,设计绕组时线圈匝数最多为18匝,此时额定电流密度7.8 A/mm2,槽满率76.8%,对于切向结构PMSM,满足负载要求电机长度需180mm,xd为11.6Ω,xq为1.9Ω,ra为0.34Ω。

    3.2.2 转子结构设计

    方案定子采用20-24kW定子冲片进行设计,考虑到定子槽口宽3.2mm,由于采用实心磁极,转子磁极表面损耗的大小主要取决于b0/δ(b0为槽口宽,δ为气隙长度),此损耗值过大引会起永磁体退磁,故气隙不能太小,我国工厂生产的实心磁极同步电机控制b0/δ在(1.4~1.6)以下,最好不大于1,但是考虑到励磁效率问题,气隙不宜过大,选择气隙长度1.0mm(b0/δ=3.2)。为了进一步改善气隙磁密波形,降低谐波含量,采用非均匀气隙优化气隙磁密波形,提高气隙磁密波形正弦度有利于提高输出电压波形正弦度,同时能够降低转子磁极表面损耗。

    3.2.3 整体结构设计

    采用定子冲片为原20kW电励磁同步电机冲片,定子外径327,定子内经230,表3.4给出了定子具体参数。 表3.5给出了20kW混合励磁同步发电机(HESG)结构设计的转子关键参数。定子电枢绕组定子绕组采用3根Φ1.0漆包线绕制。表3.6给出了有效部分的重量。

表3.4 20kW HESG定子关键设计参数

表3.4 20kW HESG定子关键设计参数

表3.5 20kW HESG转子关键设计参数

表3.5 20kW HESG转子关键设计参数

表3.6 20kWHESG有效重量估算

表3.6 20kWHESG有效重量估算

图3.7 20kWHESG主气隙磁密波形

图3.7 20kWHESG主气隙磁密波形  

    励磁磁势选择-2000~8000A时磁场调节比为1.6,考虑电枢反应的去磁磁势的影响,过载状态下励磁电流可达到6200A。若选择线规1.5mm漆包线(有效直径1.45mm)820匝,槽满率75.4%,电流密度6.7A.mm-2(Fi=8000A)。

图3.8 20kW HESG磁场分布特性

图3.8 20kW HESG磁场分布特性

图3.8 20kW HESG磁场分布特性

    3.3 输出特性

    空载状态下,励磁磁势为0A时,输出相电压有效值为218V,加载之后,通过增加励磁电流,调节输出电压。1.2倍过载状态下,输出相电压有效值为241V(励磁磁势8000A),输出相电压波形如图7所示,波形畸变率THD为1.2%。

图3.9 20kWHESM磁场分布特性

图3.9 20kWHESM磁场分布特性

表3.7  感性负载外特性计算数据(n=1500rpm, Fi=8000AT,功率因数0.8)

表3.7  感性负载外特性计算数据(n=1500rpm, Fi=8000AT,功率因数0.8)

表3.7  感性负载外特性计算数据(n=1500rpm, Fi=8000AT,功率因数0.8)

表3.8  阻性负载外特性计算数据(n=1500rpm, Fi=8000AT)

表3.8  阻性负载外特性计算数据(n=1500rpm, Fi=8000AT)

表3.9  调节特性计算数据(n=1500rpm)

表3.9  调节特性计算数据(n=1500rpm)

     图3.10为励磁磁势9000A下电机的外特性,图3.11为励磁磁势8000A下电机的功率特性。

图3.10 20kW HESG外特性(Fi=8000A)

图3.10 20kW HESG外特性(Fi=8000A)

图3.11 20kW HESG功率特性(Fi=8000A)

图3.11 20kW HESG功率特性(Fi=8000A)

    通过励磁电流的调节实现空载到1.2倍过载的恒压400V(线电压有效值)输出,具体数据如表3.9所示,调节特性曲线如图3.12所示。

图3.12 20kW HESG调节特性(Ul=400V)

图3.12 20kW HESG调节特性(Ul=400V)

    3.4 新型内置转子磁分路HESM与EESG对比

    转子磁分路混合励磁电机轴向延伸结构导致电机的功率密度较低,而内置式结构对电机内部空间要求较高,新型内置转子磁分路结构是将二者优势结合,降低了原内置式结构对内部空间的要求。以下是采用原内置式结构、电励磁电机、新型内置式结构的对比结果,新型内置式结构相比于前两者功率密度较高。

表3.10  新型转子磁分路HESM与EESG结构参数对比

表3.10  新型转子磁分路HESM与EESG结构参数对比

4 作品采用Maxwell仿真方法介绍

    4.1 Maxwell 2D铁损仿真方法

    磁滞损耗和涡流损耗是磁场发生变化时产生的。电机旋转过程中,主磁场在定子铁心中呈现交变磁化性质;定子开槽产生的齿槽效应使转子磁场产生变化,转子铁心中产生磁滞损耗和涡流损耗;切向结构永磁同步电机永磁体位于转子上,永磁体内部磁场也会发生变化,而永磁体不存在磁滞损耗,损耗主要为涡流损耗。因而,对切向结构永磁同步电机的铁损分析主要为定转子铁心铁损和永磁体涡流损耗分析。

图4. 1 Excitations/Set Core Loss

图4. 1 Excitations/Set Core Loss

    定、转子铁心为硅钢片DW310_35,叠片系数为0.95。损耗系数Kh、Kc、Ke分别为173.605、0.43574、1.2782。针对MAXWELL,对硅钢片材料设置损耗系数,然后在Excitations/Set Core Loss中勾选需要分析铁损的部分。对永磁体设置电导率(Bulk Conductivity,一般取625000simens/m),然后对每个永磁体分别施加零电流激励源(Assign Excitation/Current,Value=0),在Excitations/Set Eddy Effect,勾选永磁体。需要注意的是,做涡流损耗分析,需要施加Skin Depth Based Refinement网格剖分。

图4. 2 Excitations/Set Eddy Effect

图4. 2 Excitations/Set Eddy Effect

图4. 3 Skin Depth Based Refinement网格剖分

图4. 3 Skin Depth Based Refinement网格剖分

    4.2 Maxwell外电路发电仿真方法

    本作品发电仿真采用ANSYS Maxwell Circuit外电路完成。在ANSYS Maxwell Circuit编辑如图4. 4所示外电路,然后用Maxwell Circuit/Export Netlist命令导出sph格式外电路,然后在maxwell文件中设置三相绕组Excitations为External,然后将sph文件导入maxwell文件中。编辑外电路时,三相绕组名称要与maxwell文件一致(L+maxwell文件中绕组名称),也可对负载进行变量设置,利于在进行maxwell仿真的时候进行参数化扫描。

图4. 4 ANSYS Maxwell Circuit外电路

图4. 4 ANSYS Maxwell Circuit外电路

    4.3 Maxwell三相同步电机电动仿真方法

    本作品电动仿真采用施加电流源完成。在ANSYS Maxwell中设置三相绕组Excitations为Current,然后用给三相绕组分别施加互差120度的相电流,可对电流幅值以及相角进行参数化扫描。

图4. 5 ANSYS Maxwell电流源设置

图4. 5 ANSYS Maxwell电流源设置

    可通过将定子不开槽进行验证,仿真模型如图2.4所示,实心极转子铁损(永磁体与转子铁心涡流损耗之和)如图4.5所示,为0.005kW,可以忽略。故定子槽槽口越小,转子表面处气隙磁密变化幅值越小,空载转子铁损越小,气隙越大,槽口对于气隙磁密的影响越小,转子表面处气隙磁密变化幅值越小,空载转子铁损越小。

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(编辑:梁嘉琪  来源:互联网)

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