高 俊，韓雪巖，李宏浩，王世偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心, 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

永磁電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確與否關(guān)系到電機(jī)運(yùn)行性能和制作成本[1]。永磁電機(jī)輸出特性與電樞反應(yīng)電抗有著密切關(guān)系，當(dāng)用永磁電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，高凸極率可提高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和過(guò)載倍數(shù)，同時(shí)影響著恒功率調(diào)速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力[2-3]。而當(dāng)永磁電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，較高的凸極率可以降低電機(jī)的固有電壓調(diào)整率[4-5]。因此，電樞反應(yīng)電抗是永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

文獻(xiàn)[6-7]利用保存磁導(dǎo)率計(jì)算電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)，然后利用相量圖計(jì)算電抗值。文獻(xiàn)[8]根據(jù)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)在雙軸反應(yīng)理論下的直交軸磁鏈數(shù)學(xué)模型，通過(guò)有限元法分析直交軸磁路間的耦合電抗。

文獻(xiàn)[9-10]中考慮增去磁情況下交軸、直軸間的相互影響，用電壓積分法測(cè)試電機(jī)的同步電抗。文獻(xiàn)[11]則是通過(guò)三維有限元法計(jì)算了電機(jī)的電抗值。

本文分別用等效交直軸法和保存磁導(dǎo)率法對(duì)內(nèi)置U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)進(jìn)行了電抗參數(shù)的計(jì)算。分析了伏安法和電壓積分法的測(cè)試原理，并在不考慮交叉飽和及考慮交叉飽和的情況下，對(duì)內(nèi)置U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的電抗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將不同計(jì)算方法下的電抗計(jì)算值與測(cè)試值進(jìn)行了分析比較，得出計(jì)算值與測(cè)試值的差異。最后提出一種新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減小內(nèi)置U型永磁電機(jī)的電抗，提高電機(jī)的凸極率。

1 電機(jī)模型

為了便于研究，本文對(duì)2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并制作了樣機(jī)。2.5/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)平面圖，如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 2.5/3.5 kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)平面圖

表1 2.5/3.5 kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)基本參數(shù)

2 電抗參數(shù)的計(jì)算方法

2.1 等效交直軸電抗計(jì)算

在計(jì)算電機(jī)直軸電樞反應(yīng)電抗時(shí)，由于交軸電流為零，沒(méi)有交軸電樞反應(yīng)，所以電機(jī)得氣隙反電動(dòng)勢(shì)為直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)，對(duì)電機(jī)的空載氣隙磁密波形以及等效直軸狀態(tài)氣隙磁密波形進(jìn)行諧波分析，得到基波幅值，求出相應(yīng)的每極磁通φδ和φd，進(jìn)而計(jì)算得出電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗為

(1)

將等效交軸狀態(tài)下磁密波形與空載狀態(tài)下磁密波形相減，得到交軸電樞反應(yīng)磁密波形。然后，對(duì)交軸電樞反應(yīng)磁密波形進(jìn)行諧波分析，得到基波幅值，再求出每極磁通量Φaq，從而計(jì)算求出交軸電樞反應(yīng)電抗為

(2)

2.2 保存磁導(dǎo)率法電抗計(jì)算

保存磁導(dǎo)率法是根據(jù)電機(jī)鐵心磁導(dǎo)率的變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響問(wèn)題，提出了一種保存電機(jī)的軟磁材料磁導(dǎo)率進(jìn)行電抗計(jì)算的方法。計(jì)算直軸電樞反應(yīng)電抗時(shí)，對(duì)電機(jī)給定額定電流IN和內(nèi)功率因數(shù)角ψ，利用式(3)和式(4)計(jì)算出電機(jī)的三相電流值，給電機(jī)直軸模型加載三相電流，計(jì)算負(fù)載場(chǎng)，保存負(fù)載場(chǎng)每個(gè)單元的磁導(dǎo)率。

(3)

(4)

然后令I(lǐng)q=0并去除永磁體，利用負(fù)載場(chǎng)的單元磁導(dǎo)率計(jì)算直軸或交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。通過(guò)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的氣隙磁密基波幅值直接計(jì)算出直、交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ead，Eaq根據(jù)式計(jì)算直軸電樞反應(yīng)電抗為

(5)

(6)

3 內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗參數(shù)計(jì)算

本文分別用等效交直軸法和保存磁導(dǎo)率法對(duì)2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)進(jìn)行了電抗參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。并用伏安法及電壓積分法對(duì)其進(jìn)行了電抗參數(shù)的測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 2.5/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗計(jì)算

由表2可知，用磁導(dǎo)率法計(jì)算得到的交直軸同步電抗值較大，相比于等效交直軸法計(jì)算得到的值大2倍左右。

圖2、圖3為2.5kW和3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)交直軸同步電抗計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。圖中A等效交直軸法電抗計(jì)算值，B保存磁導(dǎo)率法電抗計(jì)算值，C伏安法電抗測(cè)試值，D電壓積分法電抗測(cè)試值(不考慮飽和)，E電壓積分法電抗測(cè)試值(考慮飽和)。

圖2 2.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗計(jì)算測(cè)試值對(duì)比

圖3 3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗計(jì)算測(cè)試值對(duì)比

由圖2和圖3可知，利用保存磁導(dǎo)率法計(jì)算的電交直軸同步電抗值較大，與三種不同測(cè)試方法的實(shí)測(cè)值均存在著較大的誤差，保存磁導(dǎo)率法計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的2倍左右。而采用等效交直軸法計(jì)算得到的交直軸同步電抗值與三種不同測(cè)試方法的實(shí)測(cè)值接近，與伏安法測(cè)得的交直軸同步電抗值相比，誤差僅為4.6%；與電壓積分法測(cè)得的電抗值相比，誤差則達(dá)到了10%。

表3中所列為2.5kW/3.5kW內(nèi)置式永磁電機(jī)電抗參數(shù)隨著內(nèi)功率角變化情況。

由表3可知，內(nèi)置U型永磁電機(jī)的交軸同步電抗隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化較大，而直軸同步電抗隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化較小。在功率因數(shù)角為0°～90°范圍內(nèi)，每增加10°，交軸同步電抗變化率為1.14%～1.5%，直軸同步電抗變化率僅為0.7%。

表3 2.5/3.5kW電機(jī)電抗參數(shù)隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化

4 斷橋新結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗參數(shù)的影響

為了進(jìn)一步減小電機(jī)的電抗，增加永磁電機(jī)的凸極率，提升電機(jī)的綜合性能。本文在原內(nèi)置U型永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 原內(nèi)置U型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 改進(jìn)后內(nèi)置U型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

由圖5可知，與原結(jié)構(gòu)相比改進(jìn)后的內(nèi)置U型永磁電機(jī)在直軸磁路上設(shè)置有斷橋結(jié)構(gòu)。采用斷橋結(jié)構(gòu)后，由于電機(jī)直軸磁路飽和程度增加、磁阻增大，導(dǎo)致電機(jī)的直軸電抗降低，從而提高了電機(jī)的凸極率。

表4中所列為2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)采用新結(jié)構(gòu)前后，電機(jī)交、直軸電抗變化情況。

表4 2.5/3.5kW新結(jié)構(gòu)內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗變化情況

由表4中數(shù)據(jù)可知，采用新結(jié)構(gòu)后，2.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)直軸電抗降低6%左右，交軸電抗基本不變；3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)直軸電抗降低4%左右，交軸電抗基本不變。電機(jī)的凸極率增加了5%左右。

5 結(jié) 論

本文對(duì)內(nèi)置U型永磁電機(jī)進(jìn)行了電抗參數(shù)的研究。通過(guò)對(duì)一臺(tái)2.5kW/3.5kW內(nèi)置U型永磁電機(jī)電抗的計(jì)算、測(cè)試、分析，得到以下結(jié)論:

(1)采用保存磁導(dǎo)率法計(jì)算得到的電抗值偏大是等效交直軸法計(jì)算得到電抗值的2倍左右。

(2)等效交直軸法測(cè)得的電抗值與實(shí)測(cè)值更接近，與伏安法測(cè)得的交直軸同步電抗值相比，誤差僅為4.6%；與電壓積分法測(cè)得的電抗值相比，誤差則達(dá)到了10%。

(3)本文對(duì)內(nèi)置U型永磁電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后的新結(jié)構(gòu)能減小直軸電抗，能夠使電機(jī)的凸極率增加5%左右。