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双定子锥形永磁同步电机的磁场分析与实验研究
1 弱磁电机结构
由于高功率密度和高效率的优点,永电装置得到了广泛应用。但永磁电机的励磁不易调节,因而国内外的学者针对永磁电机的弱磁扩速进行了大量的研究工作。从控制策略上而言,主要是向定子绕组施加直轴去磁电流,依赖电枢反应磁场来削弱主磁场。由此而带来几个方面的不利影响:(1)永磁体面临不可逆退磁的威胁;(2)电机铜耗增大,温度上升,效率降低;(3)电枢电流的限制使得电机的输出功率下降。鉴于此,学者们试图从电机结构着手,并提出了多种不同的弱磁电机结构,归结起来主要有如下方案:(1)改变励磁回路的磁阻;(2)励磁磁通旁路结构;(3)励磁磁场互相抵消,如转子分为多段,通过调节各段转子直轴夹角来改变磁场,还有将永磁体分为多段,通过调节每极下部分永磁体段的方向来实现;(4)为去磁磁场提供通路,如复合转子结构,永磁体表面增加软磁材料结构;(5)增大直轴电感,如将内置式永磁体分为多段结构等。
近年来,国外学者提出新的弱磁方案,其原理是通过将定子或转子沿轴向移动,减小定转子耦合面积,如文献。该方案为了实现磁场的调节而加入调节装置,使得电机的结构变得复杂,还会增大电机的体积,降低电机的功率密度等。
本文提出一种新型双定子锥形结构永磁同步电机,旨在获得更好的弱磁扩速性能,同时具备宽恒功率区的优点。
2 结构方案与磁带分析
2.1 电机方案设计
双定子锥形永磁同步电机可以有多种实现方案,如内外电机均为锥形结构、仅内电机或外电机为锥形结构、另一电机为圆柱形结构,分别如图1所示。
根据内外电机磁路结构的不同,还可以分为串联式磁路结构、并联式磁路和分离式磁路结构三种,如图2所示。
其中串联式和并联式结构的转子可以采用单层永磁体,也可以采用双层永磁体,但电机的极对数须相同;而分离式则必须采用双层永磁体,内外电机之间需要进行磁路隔离,值得一提的是其内外电机的极对数却可以不同,通过合理的配置,可以减小定位转矩及输出转矩的波动。
对于串联式和并联式结构,可以将内外电机的定子绕组进行串联或并联运行,以共用一套驱动器。
对于分离式磁路结构,外电机为传统永磁同步电机,内电机可采用多种结构和类型,除常规的旋转电机方案,还可采用直线电机方案,以实现不同的功能。
本文提出分离式双定子旋转直线锥形永磁同步电机结构,其外电机采用锥形永磁同步电机结构,内电机采用直线电机结构,如图3所示。
由于锥角的存在,外电机转子将受到向左的轴向磁拉力。为了减小内电机的损耗,在内电机转子上设计了永磁体,因而内电机将受到向右的轴向磁拉力。当电机转子处于图3a所示位置时,外电机的轴向力大于内电机,此时转子依靠双向推力球轴承限位。若向内电机绕组通以正向电流,内电机气隙磁场增大,内电机转子所受到轴向磁拉力大于外电机时,则转子将向右移动,如图3b所示,从而实现弱磁。转子轴向移动之后,外电机的轴向磁拉力将减小,内电机绕组不再需要通电流,转子将处于内外电机轴向力相等的位置。若此时内电机再通以反向电流,内电机的轴向力减小,则转子在外电机轴向力的作用下将向左运动,回到初始位置。
由于本电机存在锥角,使得定转子铁心的轭部厚度沿轴向变化,锥角越大,则轭部厚度的变化越大,很容易造成轭部饱和,因而电机锥角的选择要合适。为了解决这一问题,可以采用气隙长度沿轴向不相等的方式,使得定子铁心的锥角大于转子铁心的锥角,也可以采用永磁体厚度沿轴向不相等的方式,还可以采用与Halbach结构相结合的方式,在解决轭部饱和的同时提高电机的功率密度。定子绕组宜采用分数槽集中绕组结构,有利于缩短绕组端部。
2.2 转子轴向移动
本文的双定子锥形永磁同步电机分为主电机与辅助电机两个部分,主电机(锥形永磁同步电机)用于输出功率,辅助电机(直线电机)主要用于控制电机转子的轴向移动。通过控制转子的轴向移动,减小定转子之间的耦合面积,以实现主电机的弱磁扩速功能。若主电机的锥角不为0,则在转子轴向移动的过程当中,还可以增大主电机的气隙长度,提高电机的弱磁扩速能力,在相同的扩速比下,转子需要轴向移动的距离更小。永磁同步电机处于高速运转时,其定转子耦合面积较小,还可以有效减小电机的铁心损耗。
由于本文主要研究双定子锥形永磁同步电机的弱磁性能,因而后续部分将着重针对外电机的性能展开研究。
2.3 等效磁网络的构建
若永磁体的厚度沿轴向变化,则永磁体各部分的磁动势并不相同。即使永磁体的厚度不变,随着转子的轴向移动,沿轴向各部分永磁体的工作点也会随之变化。不失一般性,在此采用将定转子分成n段的方式来分析锥形电机的磁网络,如图4所示。
由于每一段转子均与n段定子之间存在磁场耦合,忽略铁心饱和的影响,并认为转子永磁体仅与距离该段转子最近的定子段之间存在磁场耦合,则可得到如图5所示的等效磁网络。
图5中Fmagk表示第k段永
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