漏磁式机械调磁外转子永磁同步电机损耗分析

罗振华,凌 涛,张志轩,刘章麒,梁建伟

(江西理工大学，赣州 341000)

0 引 言

近年来，节约能源一直是国家关注的重点为走可持续发展路线，国家推出一系列节能减排的政策。随着能源领域的改革深入，对能源效率的要求越来越高，而与其密切相关的电机同样需要提高质量，确保电机的发展和应用更加可靠[1,2]。根据市场调查，业内使用最多的是永磁电机，永磁电机因体积小、损耗低、功率密度高以及效率高等优点被广泛应用[3]。遗憾的是，普通永磁电机无法准确调节气隙磁场，难免出现工作不稳定，容易出故障的现象；而在普通永磁电动机工作时，永磁体易出现不可逆退磁、调速范围不够大以及高速运行范围效率较低、恒功率区较窄等缺点[4,5]，极大地限制了永磁电机在稳压发电及恒功率调速驱动等场合的进一步推广应用。

永磁电机作为重要的工业应用，如何实现其气隙磁场的准确调节，探求新颖有效的电机磁场调节方式，为永磁电机恒功率调速驱动和稳压发电的应用场合提供可信的技术方案，是业内一直致力解决的难题之一[6]。

现有的电机调节气隙磁场的方式大致可分为三种。第一种是直接调磁[7]，该调节方式是借助直轴的负向电流形成磁场削弱电机的永磁磁场，从而形成弱磁，使电机的运行速度大幅提高，此方式常见于记忆合金电机或是变速驱动永磁电动机。第二种调节方式称作混合励磁[8,9]，其实现调节的功能依赖于相互作用的两种励磁源所形成的磁场，对气隙磁场造成影响，使其发生变化，拥有此类调节方式的电机称作混合励磁电机，其应用也十分广泛。第三种调节方式为机械调磁[10,11]，该方式是借助外部调磁装置，形成有规律的运动，使电机内部的相关参数发生变化，从而改变内部气隙磁场的分布情况，我们将这种电机称作机械调磁型电机。

除了解决气隙磁场问题，如何提高电机的平均效率也十分重要，需要深入分析电机的各类损耗[12]，以便在弱磁的同时， 降低电机的损耗，提高电机的效率。

本文深入分析机械装置的弱磁效果与电机损耗，以验证漏磁式机械调磁外转子永磁同步电机设计的可行性和适应性。

1 工作原理

漏磁式机械调磁式永磁电机以普通永磁电机为基础，在电机外部加设机械调磁装置，通过调磁装置与电机同步运行，可以使电机磁场分布得到调节，电机本身的结构并没有改变，依然具有效率高和效率密度高等优点[12,14]。

机械调磁的原理是根据电机不同的转速，使调磁装置产生大小不同的离心力，通过连杆改变调磁块与转子的相对位置，永磁体与调磁块之间的气隙大小将发生变化，形成程度不相同的漏磁，达到调节电机内部气隙磁场的效果，调磁装置结构如图1所示。转速越大，调磁块转过的角度也越大；当转速逐渐减小时，弹簧拉动滑块使调磁块逐渐回到初始位置。整体的装机爆炸示意图如图2所示。

图1 调磁装置示意图

图2 装机爆炸图

2 电机二维有限元模型

通过ANASYS Maxwell有限元软件，建立漏磁式机械调磁外转子永磁同步电机有限元结构模型。图3给出了调磁块相对于转子转过0，6°和12°时的电机模型。

(a) 初始位置

(b) 转过6°

(c) 转过12°图3 电机有限元模型

3 电机参数仿真计算

3.1 磁链与反电动势波形

磁链是导电线圈或电流回路所链环的磁通量，计算方法为用线圈匝数N与穿过各匝的磁通量φ相乘。电机的磁通Φ和磁链Ψ分别如下：

(1)

(2)

式中:nz为单相绕组线圈数;Nk为绕组线圈匝数;Azk为第k个线圈所在区域的平均矢量磁位;dk为第k个线圈的电流方向。

图4给出了在不同角度下的A相磁链波形。由图4可知，不同角度下绕组磁链波形对称，波形的正弦性较好；在电机调磁块相对于转子转过6°和12°时，可以清晰地看出绕组磁链之间存在相位差，磁链波形也发生了变化，其中单相绕组的波动大幅减小，这一结果与之前分析的结论是一样的。接下来，我们用过转角的方式在机械调磁装置中对磁链的大小进行有效的调节。经过实验发现，调磁块转过的角度发生变化时，A相绕组匝链会出现磁通的变化，两者之间呈反相关。

图4 磁链波形对比图

当空载运行时，磁场会在永磁体的同步转动下形成，磁力线会被线圈导体切割而产生感应电动势，此处出现的电动势就是空载反电动势。其有效值可表示：

E0=4.44fNKdpΦ0

(3)

式中：f为电机频率，f=np/60，N为绕组线圈单相串联匝数；Kdp为基波绕组系数；Φ0为永磁体产生的每极基波磁通。

图5给出了不同角度下的A相空载反电动势波形。当机械装置作用于调磁块使之错开6°和12°时，电机内磁场发生改变，反电势波形的形状发生改变；在转速不变的情况下，A相的空载反电动势会相应减小。结果表明，通过调节调磁块错开角度能有效调节电机空载反电动势大小。

图5 空载反电动势波形对比图

3.2 铁心损耗

根据电机的损耗，我们不仅可以知道其工作效率，还能知道其温度分布情况。电机性能与两大因素密切相关，一个是铁耗，另一个是铜耗，其中铁耗是指涡流与磁阻的损耗，而铜耗是指在电机运行时，线圈中的铜线产生的损耗。损耗公式如下[8]：

pCu=I2Ra

(4)

(5)

(6)

式中：I为电枢绕组电流；Ra为电枢绕组的阻抗；pCu为铜耗；ph为磁滞损耗；pe为涡流损耗；Ch为铁心的磁滞损耗系数；V为铁心体积；Ce为铁心的涡流损耗系数；CFe为铁心的损耗系数。

不同旋转角度下,磁滞损耗波形如图6所示，涡流损耗如图7所示。

图6 磁滞损耗波形对比图

铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和，称为铁心损耗，如图8所示。

图8 铁心损耗波形对比图

由以上波形可知，当电机中的调磁块旋转角度越大，永磁体与调磁块所产生的漏磁则越多，从而使定转子铁心中磁通密度减小，并降低材料的磁滞损耗和涡流损耗。

3.3 铜耗

在三相定子绕组接上电阻负载时，可得到三相绕组电流，同时产生铜耗，图9给出了在转过不同角度下的铜耗仿真结果。

图9 电机铜耗波形对比图

由图9可知，电机的铜耗随调磁块转过的角度改变而变化，当转过的角度越大，弱磁效果越明显，同时定子电流和电机的铜耗也会相应地减小。

3.4 电机直轴电感与电流

计算永磁同步电机的电感时，一般认为直交轴电感为完全解耦，直轴电感取决于直轴电流：

ψd=Ldid+ψm

(8)

ψq=Lqiq

(9)

式中：ψm代表永磁磁链。

图10是直轴电感波形。通过添加负载，可得到直轴电感与电流关系，如图11所示。

图10 直轴电感波形图

如图10所示，调磁块转过一定的角度时，直轴磁路产生一定的漏磁，且漏磁磁路比原交链的磁路更短，磁阻将变小，以致直轴电感减小。电感随电流变化波形如图11所示，当直轴电流变大时，直轴电感也相应增大。

图11 直轴电感随电流变化波形

4 结 语

本文通过对漏磁式机械调磁外转子永磁同步电机的有限元分析与仿真，可得到以下结论：

1) 利用调磁块可调节电机的气隙磁场，调磁块转过的角度越大，电机弱磁效果越明显。

2) 通过调磁块的弱磁作用，可明显减小电机的磁滞损耗、涡流损耗以及铜耗。在相同的转速下，电机的效率有所提高。

3) 通过电机的弱磁与电机的损耗分析，验证了漏磁式机械调磁外转子永磁同步电机设计的合理性。