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1、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 n运用Ansoft完成的部分相关项目 nAnsoft设计车用永磁电机的流程 n永磁电机永磁体局部失磁问题 n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 n轴向往复式电机 （太阳能） 永运用Ansoft完成的部分相关项目 n灯丝电机 （核磁成像） 永运用Ansoft完成的部分相关项目 n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
2、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 n宽运行范围永磁电机转折速度的确定 n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 T n 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 n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。 n电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案：
3、以指标要求 其自然转折 速度约为 2000rpm 120k W 60kW Ansoft设计车用永磁电机的流程 转折速度 约为 3200rpm 2倍过载 功率模块 过流风险 n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。 n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） 转转速rpm电压电压V(rms) 电电流A(rms)转转矩Nm功率kW电电密A/mm2 03.7(峰)247.82(峰)277.36 50050.3189.7275.22 14.416.29 2000200195.672
4、86.50 606.49 6000320138.3396.02 60.334.59 8000320171.172.33 60.65.67 08.25(峰)552.6(峰)573.27 50061.6416570.00 29.84513.79 2000208419.3572.40 119.913.90 6000320227.85194.15 121.997.55 8000320234.45142.66 119.527.77 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/mm2 05.65(峰)
5、165(峰)276.5 50077.51125.35275.1 14.46.23 2000285130.25286.5606.48 6000320139.894.21 59.26.95 8000320154.872.43 60.687.70 011.75(峰)346(峰)552 50092.81280.5572.9 3013.95 2000320277.15571.9 119.7813.78 6000320225.55195.12 122.611.22 8000320222.4143.45120.1811.06 n例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟
6、2倍过载。 n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 200 0 rpm n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。 n电压320V，主要尺寸和磁路确定后有两套绕组设计方案： 225 0 rpm 320 0 rpm n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。 n降低转折速度，扩速倍数 增加，弱磁电流受模块电 流限制。 n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 n车用电机
7、性能校核应关注的问题 n电池电压 n逆变器调制方式以及控制策略 n电机磁路对电机参数的影响 n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 n目前主要是基于整体失磁校验 n实际上失磁是一个从局部到整体的过程 n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
8、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 n永磁同步电机参数对该电机的运行和控 制影响较大； n磁路饱和的变化对参数影响较大； n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； n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f 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
9、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 l 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； ld、q轴间的相互影响非常 明显，尤其是d轴电枢反应 电感； l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
10、 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。 n d、q轴电枢反应电感特性与传统电励磁同步电机不同。 n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。 n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！
