磁阻转矩对永磁电机性能的影响分析

一
个 先增 大后 减 小的 趋势 ，在 ３ ０ 。左 右达 到最 大值 ，并在４ ５ 。之 后
呈急剧 下 降趋 势 ；永磁 转 矩则 一 直在减 小 ；磁 阻转 矩 同样 有一 个 先
增 大 后减 小 的趋 势 ，趋势 比较 平 稳 ，在５ ０ 。 左右 达到 最大 值 。 由计
算结 果可 见 ，若 想充 分利 用磁 阻转 矩 且在 不浪 费 永磁转 矩 前提 下 ， 内功 率 因数 角 有 一 个最 佳 的取 值 范 围 ，针 对 本 台样 机 模 型应 该 为
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式 中 ‘ 为 永 磁转 矩部 分 ， （ 上 ｄ 一 ￡ 为磁 阻转 矩 部 分 。当 定子 电 流』 １ 滞后 于 空 载反 电动势 时 ，即 电机 的 内功 率因 数角 ＜Ｏ 时 ，根 据 向量 图可 知此 时 的直轴 电流ｌ ｄ ＞０ 。 电机将 运行 于 增磁 状态 下 。根 据 电磁 转矩 的 表达 式２ ． １ 可知 此时 磁阻 转矩 的值 为 负数 ，这会 降低 电 机 的平 均转 矩 。而 当定子 电流， ｌ 与空载 反 电动势 同相 位 时 ，即 ０ 时 ，此 时定 子 电流 全 部 加在 ｑ 轴上 ，根 据 向量 图可 知直 轴 电流 分 量 ， ｄ ＝ ０ ，此时 磁 阻转矩 值为 ０ ， 电磁 转矩 完全 由永磁 转 矩构 成 。当定 子
ＥＬ Ｅ ＣＴＲＯＮｌ ＣＳ Ｗ ＯＲＬ Ｄ ・
磁 阻转矩对永磁 电机性 能 的影响分析
沈阳航 天新光集团有限公司 张景峰 倪瑞林 申春艳 韩 冬
【 摘要 】 永磁同步电机 由于交直轴磁路存在差异会产生磁阻转矩，而磁阻转矩的利用情况对于电机的过载能力、功率密度和转矩密度都有一 定 影响 。本 文 以一 台１ ９ ０ ｋ Ｗ 永磁 同步 电机 作 为研 究 内容 ，将 解析 法 与有 限元 计算 相结 合 ，分 别分析 了其在 含有磁 阻转矩 分量 和没 有磁 阻转 矩
磁转 矩 仿真 结果 如表２ ． １ 和 图２ ． ２ 所示 。 表２ ． １取不同 内功率因数角时各个转矩
度 ，又 能有 效减 少 永磁材 料 的用 量 。
２ ． 磁阻转矩对于 电机平 均转矩的影响
电磁转 矩表 达 式… ：
『 ＿＝ Ｐ ｔ ‘ ＋ （ 一 ） 】 （ ２ ． Ｉ ）
ｌ ４ ． ９ ８ ％ 的转 矩输 出 。可 见 ，在 相 同转 矩 输 出 情况 下 ，磁 阻转 矩 可 以有 效 降低 定子 电流 幅 值 ；在相 同定 子 电流 幅值 情况 下 ，磁 阻转 矩 可 以提 高 电机 转矩 输 出 。若取 定子 电流 １ ４ １ Ａ不变 ，通 过 改变 内功 率 因数 角 的 值 ，使 其在 ０ 。到 ９ ０ 。 范 围 内变化 ，分 离磁 阻 转矩 和 永
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文献 ［ １ 】 中的 同步 电动 机 电磁转 矩表 达式 ：
Ｌ － … 击 一 一
（ ３ ． １ ）
由表 达 式 ３ ． １ 可 以看 出，磁 阻转 矩 取 决于 交 、直轴 同步 电抗 与 之 差 。 、 差值 越 大 ，磁 阻 转 矩 的 幅值 越 大 ， 电机 功 率 密 度 、转矩 密度 和过 载 能力 也会有 所提 高 。 己知 １ ９ ０ ｋ Ｗ样机 的端 电压 Ｕ ＝ ８ ７ ８ Ｖ，空载 反 电动 势Ｅ ｏ ＝ ６ ９ ２ ． ５ Ｖ，
２ ０ 。 到４ Ｏ 。之 间 。
３ 。 磁 阻转 矩对 于电机 失步转矩的影响
图２ ． １ １ ９ ０ ｋ Ｗ永磁 同步 电机
分析 过 程 如 下： 首 先将 定 子 电流 全 部 加在 ｑ 轴 上 时 ，此 时 的直 轴 电流， ｄ ＝ ０ 。 电磁 转矩 中只包 含 永磁 磁 链 与交 轴 电流 相 互作 用而 产 生 的 永磁 转矩 ，而 由于 交直轴 磁 路 不对称 存 在 的磁 阻转 矩并 没有 利 用 上 。此 时 若 要得 到 额 定转 矩 １ ０ ０ ８ Ｎ・ ｍ，运 用Ａ ｎ ｓ ｏ ｉ ｆ 有 限元 软件 仿 真 出的 定 子 电流 有 效 值 为 １ ７ ０ Ａ； 当加 入 磁 阻转 矩 分 量 ， 并取 内功 率 因 数角 ２ ５ 。时 ，若 要达 到额 定转矩 ，运用 有 限元法 仿 真 出的定 子 电流 有 效值 为 ｌ ４ ｌ Ａ，降 低 了 ｌ ７ ． ０ ６ 的定 子 电流 值 。 当把 定子 电
分 量 下 电机 整 体 性 能 的 变 化 。
【 关键词 】永磁 同步电机 ；磁 阻转矩；电机性能
流 设为 ｌ ４ ｌ Ａ， 内功 率 因数 角 为 ０ 。时 ，转矩 仅为 ８ ５ ７ Ｎ－ ｍ，降低 了
１ ． 引言
永 磁 同步 电机 的 显著特 点就 是高 效率 、 高功率 密 度 、高转 矩 密 度 以及一 定 的过载 能 力 。其冷 却结 构 是非 常重 要 的一 个部 分 。为 了 满 足上 述要 求 ，磁 阻转 矩 的利 用情 况就 成 了 一个非 常 关键 设计 点 ， 若 能 合 理 并 充 分 地利 用 好 磁 阻 转 矩 ，既 能提 高功 率 密 度 和 转 矩 密
电流， ｌ 超 前 于 空载 反 电动 势 时 ，即 ＞０ ，根据 向量 图可 知此 时 直
轴 电流 ， ｄ ＜０ ， 电机 运 行 在 去磁 状 态 下 。 根据 表 达 式 可 知此 时 的 磁 阻 转矩 为正 值 ，此 时 的磁阻 转矩 有助 于提 高 电机 的平均 转 矩 。 本 节针 对 １ ９ ０ ｋ Ｗ－ ８ 极 ，额 定 转速 １ ８ ０ ０ ￣ｍ，额 定转矩 ｌ ０ ０ ８ Ｎ・ ｍ的 永 磁 同步 电机 模 型进 行磁 阻转 矩 对 于平均 转 矩影 响 的分 析 。电机 模
型 图如 图２ ． １ 所示。
ｎ ２
Ｏ ０ １ ０ ２ ０ ３ ｏ ∞ ５ ｏ ∞ ７ ０ ８ ｏ ９ ｏ
内 功辜 因 救 角ｒ
图２ ． ２各转矩分量随 内功率 因数角 的变化趋势
根 据 仿 真结 果 可知 ，随着 内功 率 因数 角 的增 大 ，电磁 转 矩有