内嵌式永磁同步电机设计中改进型磁路分析

磁路分析

微电机

2010年第43卷第11期

内嵌式永磁同步电机设计中改进型磁路分析

兰志勇,杨向宇,郑超迪,王芳媛

(华南理工大学电力学院,广州 510640)

摘 要:考虑定转子开槽、定子轭及转子轭的影响,提出了一种内嵌式永磁同步电机的磁路模型;推导了等效磁路的简化模型;详细推导了主磁路各段磁路磁密及磁动势的计算,给出了电磁计算程序;详细分析了漏磁路磁密及磁通的计算;分析了漏磁及静态工作点的精确计算,并给出了漏磁及静态工作点电磁计算程序,进而得到电机设计的合理性;利用有限元分析方法验证了该磁路模型的精确性。关键词:内嵌式永磁同步电机;磁路;有限元分析;电磁计算

中图分类号:TM341;TM351 文献标志码:A 文章编号:1001 6848(2010)11 0014 04

AnalysisofanImprovedMagneticCircuitforDesigningInteriorPermanentMagnetMotor

LANZhi yong,YANGXiang yu,ZHENGChao d,iWANGFang yuan

(CollegeofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Thispaperpresentedamagneticcircuitmodelofinteriorpermanentmagnetsynchronousmotor(IPMSM).Consideringslottingofstator/rotorandeffectofstatoryokeandrotoryoke,theimprovedmagnet iccircuitmodelhasbeenestablished.Itdetailedthesimplemodelofthemagneticcircui,tthecalculationoffluxdensityandmagnetomotiveforceofthemainmagneticcircui,tandgavetheprocedureofthecalculation,thecalculationofthefluxdensityandfluxoftheleakagemagneticcircui,tthecalculationofthefluxleakageandthequiescentoperatingpointtoprovetherationalityofthemotordesign,andthefiniteelementanalysishasbeenusedtoprovetheaccuracyofthemethod.KeyWords:

Interiorpermanentmagnetmotors(IPMSM);Magneticcircui;tFiniteelementanalysis;Elec

tromagneticcomputing

精确计算公式

[5-6]

0 引 言

近年来,永磁同步电机因为其高效性、高功率密度而被广泛应用

[1,2]

。为了验证本磁路模型的正确性,

采用有限元的方法,建立了电机的二维等效模型。有限元分析结果显示该等效磁路模型有助于电机的设计。

。内嵌式永磁同步电机是其中

的一种类型。同时,随着永磁材料性能的不断提高和价格的不断下降,在工业、日常生活和伺服系统中的应用也越来越广泛。因此,内嵌式永磁同步电机的设计显得越来越重要。

众所周知,在电机过程中,对于气隙磁密和永磁体工作点磁密的精确计算是非常重要的,因此,在计算过程当中,漏磁通及定转子开槽对计算的影响必须考虑。同时,很多文献在分析时忽略了永磁体和槽之间的磁动势

[1-4]

1 内嵌式永磁同步电机的改进型磁路

模型

图1给出了线性自起动内嵌式永磁同步电机的剖面图。该电机采用内置径向充磁方式,从图1可看出主磁路可分为五个部分:气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭

[5-7]

。漏磁通磁路主要有两个

部分:永磁体端部漏磁及永磁体与永磁体间的漏磁。同时考虑永磁体与永磁体槽之间的空隙里的磁动势,内嵌式永磁同步电机的等效磁路可以用图2来近似替代。其中Rg、Rt1、Rt2、Rs、Ry2、Rr、R 、Rm0、Rm、Rmm分别指的是气隙磁阻、定子齿磁阻、转子l

。

本文详细推导了一种内嵌式永磁同步电机改进型的磁路模型,同时考虑了以上提到的各种情况,给出了气隙磁密、永磁体静态工作点和漏磁系数的

收稿日期:2010 01 21修回日期:2010 02 04

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内嵌式永磁同步电机设计中改进型磁路分析 兰志勇,

等

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合理性,分析程序如下所示:

2010年第43卷第11

期

1)计算永磁体的空载漏磁系数,并将之与假定值比较,如果误差值小于1%,就认为假定值是精确的,否则,重新设定假定值,重新计算,直到计算值与假定值的误差在容许值范围内。空载漏磁系数可用下式表示:

0=

!+

!

(18)

2)计算永磁体的静态工作点,将之与假定值比

图4 永磁体端部漏磁和极间漏磁

较,如果误差值小于1%,就认为假定值是精确的,否则,重新设定假定值,重新计算,直到误差在容许值范围内。永磁体静态工作点bm0可表示为:

1)永磁体端部漏磁计算

永磁体端部间宽度h1(如图4所示)对于限制端部漏磁是个很重要的参数

[8]

,因此首先假设磁力线

bm0=

nn+1

(19)(20)

在此处很饱和,并认为此处的磁密值Bh1为1 8T,这样,穿过此处的端部漏磁可用下式计算:

ml=Bh1h1Lef

2)永磁体极间漏磁计算

永磁体极间漏磁可分为两部分,一部分漏磁为穿过隔磁桥t3的漏磁 mm1,一部分为穿过转子槽的漏磁 mm2。

根据永磁体端部漏磁的计算过程,对于穿过隔磁桥t3的漏磁 mm1,可以采用同样的方法进行计算。假定此处Bt3为2T。漏磁 mm1可用下式表示:

mm1=Bt3t3Lef

(13)

穿过转子槽的漏磁 mm2可依据磁路的欧姆定律来计算。从图3(b)中可以看出,支路Rmm与支路4Rz并联,因此磁动势相等,这样,

mm2=

其中:

Rmm2=

2bt2

u0Lefht2

(15)

Rmm2

(14)(12)

n为外磁路总磁导的表幺值,可表示为:

n= 0 !

根据经验值,经过上述计算程序,当永磁体空载漏磁系数及静态工作点的值都在容许误差范围之内时,就可以判定电机设计的合理性并进行调整。

整个计算过程可用如下流程图来表示。

bt2为转子槽的平均宽度,ht2为转子槽的深度。根据上面的分析,永磁体极间总的漏磁通为:

mm= mm1+ mm2

电机总的漏磁为:

= ml+ mm

漏磁计算程序可总结如下:

1)假定磁密Bh1=1 8T,计算穿过h1的漏磁 ml;

2)假定磁密Bt3=2T,计算 mm1、 mm2及永磁体极间总漏磁 mm;

3)计算总的漏磁 。

综合上述两个计算程序,就可分析电机设计的图5 计算流程图

(16)(17)

该计算流程图能够非常精确的拟合 0、bm0,而这两个参数对电机性能有着非常重要的影响。

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内嵌式永磁同步电机设计中改进型磁路分析 兰志勇,等

4 计算结果和有限元分析验证

通过Mathcad软件实现该计算程序,为了验证该等效磁路模型和计算程序的正确性,此处利用二维有限元分析方法来验证。所设计电机的主要参数如表1所示。稀土永磁材料的牌号为N35SH,剩磁密度为Br=1 23T,剩磁矫顽力Hr=939 2kA/m,尺寸为5 9mm!59 3mm!190mm。

电机额定功率为20kw,磁极对数为p=3,假定参数的初始值为 01=1 2和bm01=0 85。

表1 电机主要参数表

参数

定子内径/mm定子冲片外径/mm定子槽数气隙长度/mm转子槽数转子轴直径/mm

数值170260360 83060

表2比较了在改变隔磁桥t1的宽度时计算结果与有限元分析结果。隔磁桥宽度越大,漏磁系数也越大,气隙磁密的值越小,因此合理选择隔磁桥宽度的值,对电机设计结果又很大的影响。此外,气隙磁密的计算结果比有限元分析的结果要大,这主要是因为在计算过程当中,对于定转子的齿轭部有效长度的计算都是按照近似值来分析的结果。

5 结 语

通过等效磁路法建立了内嵌式永磁同步电机的等效磁路模型,并给出了分析计算的具体程序;有限元法验证了等效磁路模型及计算程序的正确性,为电机的制作打下基础;永磁体空载漏磁系数及静态工作点是电机设计中两个非常重要的参数,通过经验值验证电机设计的合理性。

参考文献

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图6给出了有限元分析的气隙磁密分布结果,其平均值为B!=0 6495T,气隙磁密设计值为B!=0 65T

。

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2004,

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121

图6 气隙磁密分布图

表2 计算结果与有限元分析结果比较

有限元分析结果t3B!B!

0bm0 0

mmmmTTTT222 41 80 69081 15640 87190 64951 14922 12 22 3

222

2 41 80 6841 16220 87350 64111 15832 41 80 6761 16860 87590 63041 16832 41 80 66891 17490 87720 6221 1779给定值

h1Bt3Bh1

计算值

作者简介:兰志勇,博士研究生,主要研究永磁电机设计及控制策略。

杨向宇,教授、博士生导师,主要研究各类电机及其智能控制。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3woj.html