五种拓扑结构的永磁同步电动机性能分析与比较_王艾萌

D 2010年第 4期
设计分析
esign and ana lysis
电感测试结果如图 12所示 。
( a) 效率比较
( b) 功率因数比较
图 8 额定电流下五种拓扑结构效率和功率因数比较
从图 8可看出 ,五种电机的效率均在 92. 5%以
Iq
( 10 )
φ =θ- ψ
( 11 )
输入功率 :
P1 = 3V s Is co sφ
( 12 )
输出功率 :
P2
= Tω = T 2πn 60
( 13 )
式中 : n为转速 。
效率 :
η = P2 ×100%
( 14 )
P1
图 8分别对比分析了在额定电流下五种拓扑结
构的电机效率和功率因数 。
的
永 磁
1 永磁同步电动机的拓扑结构和优化设计
同
步
永磁同步电动机转子磁路结构不同 ,电动机的
电 动
运行特性 、控制系统等也不同 。根据永磁体在转子
机 性
上的位置不同 ,永磁同步电动机主要分为表面式和
能 分
内置式 。在表面式永磁同步电动机中 ,永磁体通常
析 呈瓦片形 ,并位于转子铁心的外表面上 ,这种电机的
WAN G A i - m eng, LU W ei - fu (North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
Abstract: This paper firstly introduced the op timal design of five PM SM topologies and then compared and analyzed their parameters, the characteristics and their flux - weakening performance. A t last, the performance of one topology of the interior permanent magnetic ( IPM ) machines was tested.
0. 5
定子槽数
48 永磁体厚度 /mm
5. 5
定子铁心外径 /mm
175 隔磁磁桥宽度 /mm
1
定子铁心内径 /mm
120 R ib /mm
1
2 五种拓扑结构的性能比较
2. 1 转子永磁体参数比较 如图 1所示 ,根据永磁体的形状和位置 ,将五种
D 2010年第 4期
之间的夹角 , 称为内功率因
相量图
数角 ;φ为电压 V 超前定子相电流 I的角度 , 即功率
因数角 。
电压方程 :
Vd = - R s Id + Iq X s +ωλqs
(6)
Vq = R s Iq + Id X s +ωλds
式中 : Id 为负值去磁电流 。由有限元分析得到 Id 、
Iq、λd 、λq 代入上式 , 且 R s、X s 为已知 ,这样就求得
经过计算 ,五种结构的永磁体总重量比较如图 2所示 。
图 2 永磁体重量比较
可见 ,内置式需要的永磁体较表面式少 。因为 内置式由于磁路不对称 ,有磁阻转矩产生 ,所以相对 于表面式 ,在产生相同的输出转矩时 ,内置式用的永 磁体量要少 。 2. 2 空载反电动势和脉动转矩的比较
转矩波动主要由齿槽转矩和脉动转矩两部分组 成 。齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁 心之间相互作用产生的转矩 ,会导致电动机产生振 动和噪声 。而常用消除齿槽转矩的方法有定子斜 槽 、转子斜极 、减小定子槽口宽度 、改变极弧系数等 。 定子斜槽在理想情况下可以完全消除齿槽转矩并且 简单易行 ,因此得到广泛应用 。本文的模型都是基 于斜槽后的模型 ,因此齿槽转矩可以忽略不计 。
上 ,其中表面式比内置式效率高 ,功率因数大 。在速
度不太高时 ,表面式的电流控制角为 0,电压波形接
近正弦 ;而高速时 ,为限制电压 ,需要增大电流控制
角 ,功率因数下降 [ 9 ] 。五种拓扑结构中 , W 型永磁
转子功率因数最低 ,因为它的弱磁率最高 ,意味着加
同样的去磁电流 , d轴磁链减少最多 ,根据式 ( 6) 、式
机二维有限元瞬态模型 ,其基本参数如表 1所示 ,空 载磁力线分布图如图 1所示 。
表 1 7. 5 kW 内置式永磁同步电动机基本参数
额定输出功率 / kW
7. 5 定子铁心长度 /mm
75
额定电压 /V (AC)
115 每相串联总匝数
ห้องสมุดไป่ตู้
72
极对数
4 转子内径 /mm
38
额定转速 / ( r·m in - 1 ) 3 200 气隙长度 /mm
对空载反电动势进行谐波分析 ,比较结果如表 3所示 。结果表明 ,表面式谐波含量最低 ,分段内置 式和 W 型内置式的电压谐波畸变率都比传统内置 式的低 ,即谐波含量少 ,而 V 型内置式的谐波含量 相对较大 。
相应的额定电流下脉动转矩比较如图 3所示 。
图 3 额定电流下脉动转矩的比较
可见 ,表面式脉动转矩最小 ,分段内置式和 W 五
大 ,特别是永磁转子结构的不同对电机特性的影响
已有研究 [ 4 - 6 ] ,文献 [ 4 ]总结了各种不同永磁转子
五 拓扑结构的性能比较 ,包括表面式 、内置式单层 、双
种 拓
层及多层永磁转子的特点 。本文对五种永磁转子结
扑 构的永磁同步电动机进行了优化设计和有限元分
结 构
析 ,结果对比说明了五种不同结构的特点及性能 。
V 型内置式 、分段内置式 、传统内置式和表面式 。
能
永磁同步电动机的转矩公式 :
分
析 与
T
=
3 2
p (λd
Iq
-
λ q
Id
)
(5)
比
较 下面对比额定电流情况下五种拓扑结构的转矩
- 速度曲线和恒功率运行范围曲线 ,如图 6所示 。
可见 ,随弱磁率的提高 ,弱磁调速能力不断提 22 高 ,恒功率运行范围也不断扩大 。
求 。汽车电机要求高起动转矩 ,能够在一个很宽的
速度范围内保证恒功率输出 ,此外还要考虑到空间
狭小等的限制 。永磁电机以其效率高 、功率密度高 、
体积小 、重量轻 ,具有弱磁扩速潜力等诸多优点 ,成
为电动汽车驱动电机的理想选择 [ 1 - 3 ] 。通过对永磁
电机优化设计 ,可以使电动机的恒功率运行范围扩
型内置式的脉动转矩比传统内置式的小 ,而 V 型内
种 拓
置式的脉动转矩相对较大 。这一结果表明谐波含量 扑
结
越大 ,脉动转矩越大 。
构
2. 3 电感比较
的 永
由于磁饱和的影响 ,电感值不再是一常数 ,而是
磁 同
随电流变化的曲线 ,计算公式如下 [ 8 ] :
Ld
λ
=d
-
λ PM
Id
iq = 0
步
电
(1)
D
设计分析
esign and ana lysis
于磁路饱和的原因 ,随着电流的变化 , q轴电感随电 流的变化比较明显 。
2010年第 4期
( a) d轴电感比较
( b) q轴电感比较
图 4 五种拓扑结构电感的比较
定义 q轴电感与 d轴电感的比值 :
Vd 、Vq。根据下式 :
V s = V2d + V2q
(7)
求得电压幅值 Vs。
转矩角、内功率因数角及功率因数角由图 7可知 :
Vd = V s sinθ
Vq = V s co sθ Id = Is sinψ
(8)
于是可得到 :
Iq = Is co sψ
θ = a tan Vd
(9)
Vq
ψ = a tan Id
关键词 :永磁同步电动机 ;拓扑结构 ;弱磁调速 ;有限元分析 中图分类号 : TM 341 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2010) 04 - 0020 - 04
Perfor mance Ana lysis and Com par ison of F ive PM SM Topolog ies
设计分析
esign and ana lysis
拓扑结构分别命名为表面式 、传统内置式 、分段内置
式 、V 型内置式和 W 型内置式五种拓扑结构的基本
参数都相同 ,不同的是每极转子永磁体的参数 ,如表 2所示 。
表 2 转子永磁体 /每极参数
永磁体 拓扑结构
表面式 传统内置式 分段内置式 V 型内置式 W 型内置式
ε = Lq
(3)
Ld
ε为凸极率 ,在额定电流 46 A 下 ,各个模型的凸极
率大小如图 5所示 。
图 5 额定工作点时凸极率的比较
可见 ,分段内置式的凸极率最高 ,传统内置式 、 V型内置式、W 型内置式和表面式的凸极率依次减小。 2. 4 弱磁调速能力的比较
凸极率和弱磁率影响着弱磁调速能力 。弱磁率
与 比
重要特点是直 、交轴的主电感相等 ;而内置式永磁同
较 步电动机的永磁体位于转子内部 ,永磁体外表面与
收稿日期 : 2009 - 11 - 13
20
改稿日期 : 2010 - 01 - 04
定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴 ,可以保
护永磁体 。
使用 Ansoft有限元分析软件创建永磁同步电动
扑 结
表 4 五种拓扑结构的弱磁率
构 的
拓 扑
弱磁率
拓 扑
弱磁率
永
表面式
0. 102 205 V 型内置式 0. 210 179
磁
传统内置式 0. 135 646 W 型内置式 0. 628 795
同 步
分段内置式 0. 170 014
电 动
数据表明 , W 型内置式的弱磁率最高 ,依次是
机 性
定义为 :
ρ
=
Ld
λ
Ir
(4)
PM
式中 : Ir 为额定电流 ,当弱磁率 ρ趋于 1 时 ,其速度
可达无限大 ,通过对电机的优化设计 ,可使其凸极率
和弱磁率尽可能提高 ,采用单位电流输出最大转矩
及弱磁控制相结合的电流控制策略的永磁同步电动
五 种
机 ,使其有良好的恒功率运行范围 [ 8 ] 。
拓
五种拓扑结构弱磁率比较如表 4所示 。
厚度
/mm 5. 5 5. 5 5. 5 3. 5 3. 3
每极总长度 每极永磁体重量
/mm 33. 379 4
30 29. 253 1
32. 6 42. 6
g 103. 267 5 92. 812 5 90. 501 8 64. 181 3 79. 076 3
注 :永磁体材料 NdFe35, 剩磁密度 B r = 1. 23 T, 矫顽力 Hc = 978. 803 kA /m ,密度 = 7. 5 g/ cm3
脉动转矩定义为在一个周期内最大转矩与最小 转矩之差与平均转矩之比 。脉动转矩主要是由于感 应电动势谐波和定子电流的谐波相互作用产生的谐 波转矩 ,因此在电机设计过程中 ,应当尽量消除谐 波 。感应电动势的谐波主要与永磁体产生的励磁磁 场在空间中的分布和绕组设计有关 。为了减小脉动 转矩 ,永磁体产生的励磁磁场在空间中的分布应尽 可能按照正弦规律分布 [ 7 ] 。
Key words: permanent magnetic synchronous motor( PM SM ) ; structure topology; flux - weakening; FEA
0 引 言
随着汽车工业的发展 ,能源和环境问题的日益
突出 ,低耗 、高效已经成为现代汽车发展的根本要
D
设计分析
esign and ana lysis
2010年第 4期
五种拓扑结构的永磁同步电动机性能分析与比较
王艾萌 ,卢伟甫
(华北电力大学 ,河北保定 071003)
摘 要 :优化设计了五种不同转子拓扑结构的永磁同步电动机 ,对这五种永磁同步电动机的参数 、电机特性以 及弱磁性能进行了分析比较研究 ,并且对其中一种结构的内置式永磁同步电动机进行了测试验证 。
( a) 转矩 - 速度曲线
( b) 功率 - 速度曲线
图 6 五种拓扑结构弱磁调速能力比较
2. 5 效率和功率因数比较
永磁同步电动机的显著
特点是效率高 、功率因数高 。
参考相量如图 7所示 。
图中 :θ为 V 超前 E0 ( q
轴 )的角度即功率角, 也称
转矩角 ;ψ为 I与 E0 ( q轴 ) 图 7 永磁同步电动机
动 机
性
λ
Lq = q Iq id =0
式中 : λPM为永磁体产生的磁链 。
能 (2) 分
析 与 比
有限元计算得到的电感曲线如图 4所示 。
较
可见 ,由于磁路结构不同 , W 型内置式永磁同
步电机的 d、q轴电感最大 ,其值依次减小为 V 字型 内置式 、分段内置式 、传统内置式和表面式 ,而且由 21