新型复合转子永磁磁阻电机设计_赵宇

新型复合转子永磁磁阻电机设计赵　宇,　宁圃奇,　柴建云清华大学电机工程与应用电子技术系,北京　100084 摘　要:基于对永磁磁阻电机弱磁扩速特性分析的基础上,提出了一种以整个调速范围内逆变器电流定额最小为目标,实现复合转子结构永磁磁阻电机优化设计的新方法。

样机的分析结果表明:电机系统在满足提供大转矩和宽调速范围运行要求时,具有较高的运行效率和功率因数,而且该方法具有良好的可操作性。

关键词:永磁磁阻电机;电机设计;弱磁控制中图分类号:TM302;T M351　文献标识码:A　文章编号:1673-6540(2007)01-0007-04D esign of the Co mbi ned P M-R el uctanceM otorsZHA O Yu,　N I N G Pu-qi,　CHAI J i a n-yunDepa rt m ent of E lectrical Eng i n ee ring,Tsi n ghua Unive rsit y,Beiji n g100084,China Ab strac t:Based on t he st udy of the fl ux w eakening operati on o f per m anent m agne t re l uctance m o t o rs,it pro-posed a new desi gn m ethod o f comb i ned PM-re l uctance m o t o r,w hich realized opti m ized i nverter curren t capac ity w ith-in the s peed range.Re s u lts sho w ed t hat the t e chn i que had we ll prac ticab ilit y and the m o t o r satisfi ed t he reque st of the torque and t he w ide speed band w ith i m proved efficiency and pow er fac t o r.K ey word s:co mb i ned per m anent m agnet reluctance m otor;m otor design;flux w eaken i ng0　引　言为了使电机既能充分利用永磁体的磁积能,又兼顾磁场调节的要求,可以考虑额外添加辅助电励磁绕组[1]或采用复合转子[2]构成复合转子永磁磁阻(Co m bined P M-Re l u ctance,简淡CP M R)电机。

如图1所示,电机转子结构由一段普通永磁转子A和一段不对称磁阻转子B同轴联结而成,其特点是使电枢反应电感L d>L q,且L d值尽可能大。

在电机中,由于转子永磁磁场与定子电枢反应磁场的主要分量同处于直轴,交轴电流对合成磁场的影响较小,对转矩的贡献较大,因此图1　CPM R电机结构示意图实现了转矩与磁场调节的结构解耦,电机易用较小的电流实现弱磁扩速运行。

在CP MR电机中,转子永磁段和磁阻段长度比例、永磁磁钢体积以及磁阻段结构设计等参数对电机在运行范围内的效率和功率因数影响很大。

如何在满足电机的调速范围和转矩要求前提下,实现电机及控制的优化设计是一热点与难点问题。

文献[2]中为使电机恒功率转速控制范围达到3倍基速,提及了电机永磁部分占整个转子长度比例的问题,但文章并未讨论该设计是否为最优化结果。

文献[3]提出在电机设计中应考虑最优永磁磁链取值的问题,并研究了在不同速度控制范围和电机凸极率时,转矩与永磁体磁链之间的关系,但并没有给出明确的数学模型和设计方法。

此外,由于永磁磁阻电机的弱磁扩速特性与逆变器和电机本身的参数密切相关,文献[4]认为在永磁磁阻电机设计时应该考虑到交、直轴电抗大小及其取值范围的问题,但同样并未就这一问题进行详细的分析。

本文提出了一种以逆变器电流定额最小为优化目标、适用于解决CP M R电机在宽调速范围内—7—实现恒功率运行时所存在的最优化设计问题的新方法。

1　理论分析1.1　数学模型基于d-q-0坐标系统的电机派克方程,可用于分析永磁磁阻电机的稳态和瞬态运行性能。

为了方便分析可做下列假设:(1)忽略电机铁心的饱和;(2)不计电机中的涡流和磁滞损耗;(3)电机的电流为对称的三相正弦电流(即只考虑电流基波)。

根据双轴理论,设i d、i q分别为等效在同步旋转坐标系中d-q轴的两个直流分量,则电机的电枢电压方程为: u d=R s i d+pΧd-ωΧq u q=R s i q+pΧd+ωΧd(1)式中,ω———转子的电角速度。

d-q轴磁链方程为:Χd=L d i d+ΧfΧq=L q i q(2)式中,Χf———永磁体所产生的磁链。

在稳态情况下,电机的输入功率为:P=u d i d+u q i q=R s(i2d+i2q)+ω[Χf i q+(L d-L q)i d i q]=P cu+P out(3)式中:P cu———定子绕组电阻所产生的损耗,即电机的铜耗;P ou t———电机的输出功率。

电机在运行过程中,定子绕组电阻与其电抗相比很小,在分析过程中可以忽略。

虽然复合转子CP M R电机与普通永磁电机(I P M)直、交轴电抗的大小(或者说凸极率L d/L q)有所不同,但其数学模型并无不同,输出功率中均含有永磁体所产生的转矩和由于转子磁路不对称所造成的磁阻转矩两个分量。

但由于参数不同,电机在限制条件下所具有的运行范围和控制方法也将有所不同。

1.2　弱磁控制类似他励直流电机的调磁控制,当变速运行的永磁电机端电压达到变流器极限电压时,为使电机恒功率运行于更高的转速,可以通过定子直轴电流分量产生一个电枢电势来抵消由于转速升高而使永磁反电势所产生的增量,以保证电压的平衡。

即永磁电机可以通过调节直轴电流实现弱磁扩速的目的。

从电机的数学模型上可以看出,弱磁控制电势的大小与i d和L d的大小有关。

但由于i d受电机热负荷和逆变器容量限制,L d受电机结构限制,因而必须依据变流器的容量限制来优化电机结构和电磁设计。

从电机设计的角度来看,对于在驱动系统中较常使用的I P M,由于直轴磁路上存在的永磁体磁阻很大,L d不可能做到很大。

减小Χf是增加电机弱磁运行范围的重要途径,但将使低速运行时转矩降低,且不利于充分利用永磁体的磁能。

这一问题对于总长一定而通过分段式结构达到增加直轴电感的CP MR电机同样存在。

因而可以定性的认为,应该存在着最优的永磁/磁阻段长度的比率。

而从驱动系统的角度来看,由于提高电机的极限电压和电流,意味着增大系统中逆变器的容量,增加了系统的制造成本。

因此,对于弱磁控制研究,都是依据电机及逆变器而的转矩轨迹、电流极限圆和电压极限椭圆特征曲线,求得不同转速下的最佳电流矢量去控制逆变器取得一定效果的。

下面依据等特征曲线来对电机参数与弱磁控制性能的影响进行分析,CP MR电机特征曲线如图2所示。

图2　CPM R电机特征曲线图 图2中,即电流矢量I的极限可以描述为圆心在坐标轴原点的圆,其半径为逆变器所能提供的相电流的最大值:I2d+I2q≤I2s_max(4)—8— 而电压极限为中心在A 点(-Χf /L d ,0),长、短轴分别为U N /L d ωN 、U N /L q ωN 的椭圆(由于CP M R 电机具有L d >L q 的特性,椭圆长轴平行于坐标系的直轴)。

(Χf +I d L d )2+(I q L q)2≤(U s _m ax ω)2(5) 当电机处于恒功率运行时,调速范围内不同转速下的恒功率特征曲线可以使用某一转速下的电磁转矩曲线来表示,即:Tp =P N ω=Χf i q +(L d -L q )i d i q (6)对于I P M 来说,该式为以i d =-Χf /(L d -L q )和i q =0的理想电磁转矩值B 为渐近线的一组曲线组。

由于电压极限椭圆、电磁转矩曲线均和电机的转速成反比,因此随着转速的增大,椭圆和转矩曲线均向坐标轴原点收缩。

永磁同步电机的运行范围是以满足电流极限圆和电压极限椭圆为限制条件的。

即电机的电流矢量应处在两曲线的共同包围面积内。

图2中实线和虚线表示具有不同Χf /L d 参数的CP M R 电机1、2。

不难看出,在满足限定调速范围1～k 内恒功率运行时,两种参数所具有的定子电流变化范围是不同的:电机1在整个恒功率运行范围内,所需电流较电机2要小。

这主要是因为电机1较电机2的Χf 小,或者说L d 比较大,在所需的有功电流近似相等时,用于弱磁控制的无功电流却较小,因而在整个恒功率调速范围内有I 1≥I 2成立。

在CP MR 电机设计中,有必要依据驱动系统中逆变器的实际参数和调速范围限制,优化电机的永磁磁钢体积和磁阻段的磁路设计。

1.3　优化设计目标基于上述考虑,为了能够对满足同样恒功率宽调速范围永磁电机进行评判,并建立驱动系统中电机优化设计的数学模型,可以设定以下假设:①电机在额定转速以下以额定转矩恒转矩运行,即T =T N ;②电机额定转速以上以额定功率恒功率运行,即P =P N ;③由于逆变器提供的输出电压极限是由直流侧电压所决定的,因此电机优化设计中必须满足U ≤U N ;④电机运行于宽调速范围中,假定额定时电机输出最大转矩,则电机的调速范围为1～k ωN 。

基于以上假设,电机对比/优化设计的目标函数概括为:在满足上述条件要求时,电机参数Χf 、L d 、L q 应使电机电枢电流I 最小。

该目标函数的物理意义在于:在满足系统设计要求时,应减小逆变器电流容量,降低逆变器成本,减小电枢反应电流,消弱因电流过大而产生的磁路饱和及铜耗对电机效率、性能所造成的影响。

对于I P M 来说,由于无论是在低速段还是在高速段,都需工作在弱磁状态(i d <0),才能产生正的磁阻转矩,因而上述优化目标难以实现。

而对于CP MR 电机,在低速段,直轴电枢反应由于可以处于助磁状态(i d >0),保证产生正的磁阻转矩;而在高速段,用于助磁/去磁的无功电流则可以在正负值范围间变化,易于达到上述优化设计的目标。

例如:通过电机设计取得合适的永磁磁链和电感值,使定子电流在助磁与去磁运行间有相等电流合成矢量变化幅度,即取得最小的电枢电流定额。

这是进行优化设计的理论基础。

2　设计方法与设计实例CP M R 电机参数可看作从定子绕组看到的合成结果,因此电机定子及绕组设计可以参照I P M 电机。

在样机中,采用三相异步电机Y132S -6的定子及绕组。