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永磁电机设计中特殊问题的分析与研究廖勇重庆大学电气工程学院2009年11月永磁电机设计中特殊问题的分析与研究运用Ansoft完成的部分相关项目Ansoft设计车用永磁电机的流程永磁电机永磁体局部失磁问题永磁电机运行点对电机参数的影响永运用Ansoft完成的部分相关项目轴向往复式电机（太阳能）永运用Ansoft完成的部分相关项目灯丝电机（核磁成像）永运用Ansoft完成的部分相关项目无轴承电机（4极磁场和2极磁场引起局部失磁）指标要求分析Rmxprt多工作点初步设计输出方案Maxwell空载磁路校验Maxwell各工作点瞬态校验返Rmxprt修正返Rmxprt修正磁密电流？失磁？力能？全运行范围Ansoft设计车用永磁电机的流程宽运行范围永磁电机转折速度的确定宽运行范围的永磁电机往往对低速转矩和最高转速均有要求Tn转折速度低速大转矩最高转速矛盾电流限制电压限制转折速度折中绕组匝数磁路设计电势确定路和场下的转折速度并不一致Ansoft设计车用永磁电机的流程弱磁电流限制例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟2倍过载。电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案：以指标要求其自然转折速度约为2000rpm0100200300400500600700010002000300040005000600070008000nT120kW60kWAnsoft设计车用永磁电机的流程转折速度约为3200rpm2倍过载功率模块过流风险例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟2倍过载。电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案：Ansoft设计车用永磁电机的流程方案一（每槽4匝）转速rpm电压V(rms)电流A(rms)转矩Nm功率kW电密A/mm^203.7(峰)247.82(峰)277.3650050.3189.7275.2214.416.292000200195.67286.50606.496000320138.3396.0260.334.598000320171.172.3360.65.6708.25(峰)552.6(峰)573.2750061.6416570.0029.84513.792000208419.3572.40119.913.906000320227.85194.15121.997.558000320234.45142.66119.527.77转折速度约为2250rpm弱磁电流无过流风险，方案二（每槽6匝）转速rpm电压V(rms)电流A(rms)转矩Nm功率kW电密A/mm^205.65(峰)165(峰)276.550077.51125.35275.114.46.232000285130.25286.5606.486000320139.894.2159.26.958000320154.872.4360.687.70011.75(峰)346(峰)55250092.81280.5572.93013.952000320277.15571.9119.7813.786000320225.55195.12122.611.228000320222.4143.45120.1811.06例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟2倍过载。电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案：Ansoft设计车用永磁电机的流程2000rpm例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟2倍过载。电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案：0100200300400500600700020004000600080002250rpm3200rpm提高转折速度，减小扩速倍数是一般的方法，但过高的转折速度会导致低速大转矩下电流过大。降低转折速度，扩速倍数增加，弱磁电流受模块电流限制。增加匝数来降低转折速度，提高扩速倍数，由于直轴电抗增加弱磁电流不一定增加Ansoft设计车用永磁电机的流程车用电机性能校核应关注的问题电池电压逆变器调制方式以及控制策略电机磁路对电机参数的影响驱动器功率器件的最大电流的限制Ansoft设计车用永磁电机的流程目前主要是基于整体失磁校验实际上失磁是一个从局部到整体的过程由于电枢反应、典型工况、故障状态、永磁体表面涡流导致失磁首先发生在某个局部区域永磁电机永磁体局部失磁问题由于齿槽效应和边缘效应，导致永磁电机空载时永磁体内工作点并不相同永磁电机永磁体局部失磁问题永磁电机负载时，交轴电枢反应去磁强弱之永磁体内部也不一致永磁电机永磁体局部失磁问题由于齿槽效应在永磁体表面形成涡流，发热，进而引起永磁体局部温升增加，增大失磁风险永磁电机永磁体局部失磁问题永磁同步电机电抗参数与运行点的关系永磁同步电机参数对该电机的运行和控制影响较大；磁路饱和的变化对参数影响较大；永磁电机的磁路较为复杂，常规方法分析磁路饱和较为困难；磁路饱和对参数的影响对趋势与传统电激磁同步电机有较大差异。内置式永磁电机的等效磁路利用Ansoft软件求解永磁同步电机电抗参数气隙磁链ψf永磁体和电枢电流分别单独激励产生的磁链之和与双激励时的计算结果非常接近。永磁体产生的磁链会随着电枢电流的变化而变化。这是因为磁路的磁导随着电枢电流的变化发生非线性的变化所导致的。当电枢电流为去磁性质时，主磁路饱和程度降低，主磁路磁阻下降，永磁体激磁磁动势不变，由永磁体单独产生的磁链增大。反之相反。电感特性d、q轴磁路之间存在交叉耦合，而且这种现象是不能忽视的；d、q轴间的相互影响非常明显，尤其是d轴电枢反应电感；当q轴有电流时，整个电枢铁芯的饱和度增加，d轴电枢反应磁路的磁阻增加，电感明显比q轴没有电流时小。与传统电励磁同步电机的电感特性不同：d轴为去磁电流时，d轴电枢反应电感随电流变大而变小；当电流为助磁电流时，d轴电枢反应电感反而先变大再变小。这是由于d轴电枢反应磁动势的磁路在转子部分主要是磁桥部分，如右图所示。空载时id=-50A（去磁）时电机中磁密分布云图图中红色部分代表磁路中发生饱和的部分，面积越大代表发生饱和的部分越多，颜色越深表示饱和程度越大。当d轴为去磁电流时，电枢反应磁动势产生的磁通在转子磁桥部分与永磁体磁动势产生的磁通方向相同，磁桥部分的饱和程度比空载时大，d轴电枢反应磁路的磁阻变大，电枢反应电感减小。空载时电机中磁密分布云图id=50A（助磁）时当d轴为助磁电流时，d轴电枢反应磁动势的磁路中磁桥部分的变化情况则更加复杂。电流较小时，转子磁桥部分，电枢反应磁动势产生的磁通与永磁体磁动势产生的磁通方向相反，磁桥部分的饱和程度降低，整个d轴电枢反应磁路磁阻变小，电枢反应电感变大。当电流增加到一定程度时，磁桥部分又开始随着电流增加而越来越饱和，电枢反应电感下降。d、q轴电枢反应电感特性与传统电励磁同步电机不同。永磁体的放置方式对磁路结构影响很大，从而会对电感特性产生较大的影响，应该根据永磁体的具体放置情况进行分析。磁桥部分对于电机d轴电枢反应电感的影响非常大。虽然磁桥部分在整个d轴磁路中所占的长度不大，但是其对d轴磁路磁阻的影响是非常大，在设计的时候必须给予重视。永磁同步电机电抗参数与运行点的关系谢谢！