寬調速可控磁通永磁同步電機是指一種內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機，能夠實現真正意義上的寬調速。其徑向永磁體採用剩磁密度和矯頑力都很高的鐵硼，而切向永磁體採用剩磁密度高但矯頑力卻很低的鋁鎳。通過定子直軸電流矢量脈衝控制鋁鎳鑽的磁化方向和強弱，使鐵硼產生的磁通部分穿過氣隙，部分被鋁鎳在轉子內部旁路，使永磁氣隙主磁通受控。
基本介紹
- 中文名：寬調速可控磁通永磁同步電機
- 外文名：Wide speed adjustable magnetic flux permanent magnet synchronous motor
- 類型：電力設備
- 特點： 寬調速
- 領域：能源
- 學科：電氣工程
簡介,內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機,電機磁場有限元分析,總結,
簡介
傳統的永磁同步電機在轉子磁路設計和永磁體尺寸確定時，都考慮防止永磁體退磁，永磁體厚度大得足以使極端情況下最強的電樞反應去磁動勢低於永磁體的矯頑磁動勢，否則，永磁體一旦退磁再重新磁化是做不到的。
傳統的永磁同步電機若想寬調速，大都採用矢量控制策略，通過控制直軸電流矢量ld產生的直軸去磁磁動勢削弱永磁磁場，維持高速運行時電機端電壓的平衡，實現弱磁調速，通常希望直軸電感大一些。但是，由於直軸上存在磁阻較大的永磁體，直軸電感較小，弱磁能力有限，調速範圍窄。定子總電流是受限的，弱磁調速時，隨著直軸電流ld的增大，交軸電流lq則相應減小，電磁轉矩下降幅度較大;同時，由於ld一直存在，定子銅耗較大，特別是對於變頻器，若弱磁時出現逆變失敗，系統失去弱磁控制能力，高速旋轉的永磁磁場會在電機繞組中感應出過高電壓，可能損壞變頻器功率器件。
Vlado Ostovic首先了可控磁通永磁同步電機--記憶電機的思想，其基本工作原理，可通過圖1、圖2加以說明。圖1給出了一台4極可控磁通記憶電機的橫向剖面圖，永磁體選用剩磁密度B:高但矯頑力H卻很低的鋁鎳鈷。轉子上被切向磁化過的永磁體產生的磁通、經過氣隙進入定子，永磁氣隙主磁通最強。由永磁體(兩相鄰深顏色部分)、軟鐵(永磁體兩側)和非磁性材料 (軟鐵之間三角部分)做成如同三明治夾層結構的永磁轉子，用機械的方法固定在一根非磁性的軸上，轉子外表面用非導磁圓筒固定。在定子上施加一個與原磁化方向相反的直軸電流矢量ld脈衝後，轉子永磁體被部分去磁，如圖2所示。在永磁體到軸表面之間有一段距離Y處產生一個分界面，使得每塊永磁體被分成磁化方向不同的兩個區域，穿過氣隙的永磁主磁通減小了。此種電機因其可以通過Z、脈衝改變永磁體的磁化強度，且對磁通密度的改變具有記憶性，因而稱為記憶電機。記憶電機最大的優點是:可以在很寬的調速範圍內運行，而沒有過多的電樞損耗，並且不會犧牲電機的其它特性。
切向式轉子磁路結構的優點在於一個極距下的永磁氣隙主磁通由相鄰兩個磁極永磁體並聯提供，每極都可以得到較大的磁通，尤其是當電機極對數較多、徑向式轉子磁路結構下不能提供足夠的每極磁通時，這種結構的優勢顯得更為突出。但上述轉子結構也有其不足之處。首先，雖然切向磁路結構適合於極數較多的電機，但永磁體選用的是鋁鎳鑽，要想獲得足夠的永磁氣隙主磁通，則鋁鎳鑽的厚度要求很高，不易實現;其次，為了防止轉子軸漏磁，還需採用相應的隔磁措施;再次，記憶電機最適合於需要寬調速的場合(如工具機主軸、電動汽車)，電機極對數最好為4，採用上述結構，電機永磁氣隙主磁通不高，電機力能指標也不好。
稀土永磁錢鐵硼不僅磁性能遠遠超過鋁鎳鑽，而且價格相對較低，我國又是稀土資源大國，因此在記憶電機中使用錢鐵硼永磁既提高電機性能，又降低成本。一般要保證電機工作在低速恆轉矩區時永磁氣隙主磁通足夠高，且有較高的力能指標，而電機工作在高速恆功率區時永磁氣隙主磁通足夠低，電機將有較寬的調速範圍。
內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機
4極內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機的橫向剖面圖如圖3、圖4所示。轉子由矽鋼片沖剪、疊壓而成，永磁體嵌入W形槽中，無特殊工藝要求，轉子鐵心為一個相互完全貫通的整體結構，機械強度相對較高，製做方便。徑向放置的永磁體採用剩磁密度和矯頑力都很高的錢鐵硼，磁化方向如圖中單箭頭所示。合理選擇錢鐵硼長度和寬度，使其儘可能多地貢獻磁通量，電機永磁氣隙主磁通主要由其產生。特別應該注意的是，調整兩塊錢鐵硼交接處與轉子外徑間矽鋼片磁路的寬窄，可以有效地改變交軸磁路的磁阻;變窄，交軸電感減小，降低交軸電抗壓降，變頻器輸入電壓的利用率提高，電機調速運行區寬;還會減少電樞反應對永磁磁場的影響。切向放置的永磁體採用剩磁密度較高但矯頑力很低的鋁鎳鑽，它可以正反兩個方向磁化，如圖中雙箭頭所示。合理選擇鋁鎳鑽長度和寬度，可有效地調整電機可控磁通量的大小，以調整電機的弱磁範圍。鋁鎳鑽寬度選擇的一般原則是:保證其與錢鐵硼被ld脈衝同向強磁化後，不被錢鐵硼再反向去磁而重新磁化，錢鐵硼與轉軸之間的最窄處尺寸的選取以保證那裡的磁場不太飽和為宜。對於小機座號電機，由於受轉子空間限制，為了提高錢鐵硼有效面積和磁化方向厚度，錢鐵硼採用圖3所示的平行四邊形，磁化方向平行於平行四邊形的短邊，缺點是錢鐵硼永磁體加工時的利用率較低;對於大機座號電機，轉子可利用空間大，為提高永磁體加工時的利用率，錢鐵硼採用圖4所示的矩形，錢鐵硼與鋁鎳鑽永磁體交接處及兩塊矩形錢鐵硼永磁體交接處所保留的空間可以是空氣，也可以是能增強電機機械強度的不導磁材料，起隔磁作用。
電機運行時，在短時間(如一個電流變化周波的時間)內向在三相定子繞組中施加一個幅值和方向可控的ld脈衝，在此電流脈衝所產生的直軸電樞反應磁動勢作用下，鋁鎳鑽的磁化強弱及磁化方向就會改變，同時鋁鎳鑽退磁回復直線的工作點也會發生變化。當鋁鎳鑽與錢鐵硼的磁化方向一致時，因鋁鎳鑽矯頑力太低而對氣隙主磁通貢獻不大，並且起到將錢鐵硼產生的磁通推向定子而使永磁氣隙主磁通增強的作用，因此鋁鎳鑽在此方向被強磁化後，電機永磁氣隙主磁通最強;當鋁鎳鑽與錢鐵硼的磁化方向相反時，隨著反方向磁化強度的不同，鋁鎳鑽將錢鐵硼產生的磁通在轉子內旁路的數量也隨之不同，從而將永磁氣隙主磁通小部分或者大部分減弱，鋁鎳鑽反方向被強磁化後，永磁氣隙主磁通最弱。記憶電機不像傳統永磁電機弱磁方式那樣需要持續加起去磁作用的ld矢量來實現弱磁調速，是真正寬速運行的永磁同步電機，而且電機轉子軸為普通中碳鋼軸，不需要隔磁處理。
在低速運行區，鋁鎳鑽應在與錢鐵硼磁化方向相同的方向上被強磁化，電機永磁氣隙主磁通最高，電機處於恆轉矩調速工作區，系統採用ld -Q矢量控制策略，電機定子電流小，電機處於比較理想的控制運行狀態，力能指標高。在高速運行區，需要施加幅值可控的Z、脈衝弱磁，進行必要的永磁氣隙主磁通弱磁調整，弱磁調整後，當在某一速度範圍內不需大幅調整而平穩運行時，磁通不需再反覆調整;當速度需要大幅調整時，只需在某些必要的特定速度下，通過施加所要求的幅值和方向均可控的ld脈衝，就可以輕易地改變鋁鎳鑽永磁體的磁化狀況及其退磁回復直線上的工作點，從而改變永磁氣隙主磁通強弱，且隨後保持調整後的磁化狀況不變。除調整磁通時有ld脈衝外，定子電流僅有負載電流一一交軸電流lq，銅耗低，電機經濟運行，同時，由於交軸電流產生的磁動勢不穿過切向放置的鋁鎳鑽永磁體，錢鐵硼永磁體的矯頑磁動勢很強，永磁體不會被負載電流退磁。
記憶電機運行時，可以利用數位訊號處理器DSP，採用模型參考自適應方法，或特定的基於觀測器的估算方法，如全階狀態觀測器、降階狀態觀測器、擴展卡爾曼濾波器、滑模觀測器等，實時地得到永磁氣隙主磁通的大小，以保證永磁主磁場的控制效果和運行控制特性
電機磁場有限元分析
為了驗證上述構想，使用ANSYS軟體對一台圖3所示的4極W形內置混合式轉子磁路結構可控磁通永磁同步電機模型進行了磁場有限元分析和計算。電機機座、定子和軸與Y 100L 1-4三相感應電機的完全相同。電機額定數據如下:額定功率為2.2kW ,額定電壓為380V,額定電流為SA;定子三相雙層短距分布繞組為Y形連線，每個線圈20匝，轉子內徑38mm，轉子外徑97.2mm，氣隙長0.4mm，定子內徑98mm，定子外徑155mm，鐵心長105mm。要產生必要的氣隙磁場，一對極下轉子矽鋼片直軸磁路部分、空氣隙、定子齒和驪大約需要600-700A的磁動勢。取平行四邊形錢鐵硼長20mm，高Smm(磁化方向計算長度7.07mm，永磁體長邊與電機交軸間的夾角取500，牌號為NTP264H，預計工作溫度75 0C，其計算剩磁密度BY =1.074T，計算矯頑力H=817kA/m;取鋁鎳鑽永磁體長15mm，高8mm，牌號為LNG52，剩磁密度BY=1.3T，矯頑力H}=56kA/m，考慮到在電機內部，鋁鎳鑽可能是不飽和磁化，取其在兩個磁化方向上受到最強磁化後，其最高等效退磁直線的計算剩磁密度BY；BY=0.8T和計算矯頑力H，H =160kA/m。一對極下，鋁鎳鑽完全去磁所需磁動勢為F -56x103x0.008x2=896A，而一般情況下變頻驅動器都允許最大輸出兩倍的電機額定電流，當電機直軸電流矢量為兩倍的電機額定電流時，三相定子繞組在一對極下產生的合成磁動勢約為3000A，考慮充磁時在磁路其它部分的磁動勢損失，最後施加在鋁鎳鑽上的最大充磁磁動勢是其完全去磁所需磁動勢的2倍以上，因此有能力將鋁鎳鑽在正反方向上重新磁化，使鋁鎳鑽具有較高的剩磁密度。
對模型電機進行磁場有限元分析，得出的轉子磁場分布圖和氣隙磁密曲線如圖5所示。由圖5 (a) ,圖5(b)可見，空載時，在兩種極端磁化情況下，氣隙磁密大幅削弱;由圖5c、圖5(d)可見，電機滿載，即電樞電流Z=Zg有效值為額定電流IN時，，在兩種極端磁化情況下弱磁後，功角明顯增大了，此時的氣隙磁場是轉子永磁磁場與交軸電樞反應磁動勢共同作用的結果。
在上述兩種極端磁化情況下，分別對Z=Zg從空載到滿載以1%步長遞增時的磁場進行有限元分析和傅立葉分解計算，分析出兩種極端磁化情況下直、交軸氣隙磁密基波隨負載變化的曲線如圖6所示。原則上，其中的直軸永磁主氣隙磁密由永磁體產生，交軸氣隙磁密由負載電樞反應磁動勢產生，雖然採用了最大交軸磁阻這樣的特殊磁路結構，但是直、交軸磁路還會相互影響。強磁狀況下交軸電樞反應對直軸磁路影響很小，負載變化時直軸氣隙磁密基波幾乎不變;弱磁狀況下交軸電樞反應對直軸磁路有一定的影響，負載增大時直軸氣隙磁密基波有所增大，受直軸磁路部分飽和的影響，強磁狀況下的交軸電樞反應產生的氣隙基波磁密比弱磁狀況下要低，即強磁狀況下電機的交軸電感小一些。
總結
在內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機中，切向放置的鋁鎳鑽永磁體的磁化過程是完全可控的。鋁鎳鑽可以被定子直軸電流矢量ld脈衝改變磁化的方向和強弱。調整通過鋁鎳鑽永磁體的磁通量來控制氣隙永磁磁場的強弱。鋁鎳鑽永磁體可以將磁性能很高的錢鐵硼永磁體產生的磁通推向定子，使永磁氣隙主磁通最強;也可以將錢鐵硼永磁體產生的磁通在轉子內部部分短路，從而調控永磁氣隙主磁通。定子電流僅是交軸電流分量，不會對直軸上切向放置的鋁鎳鑽永磁體的磁化帶來影響。增大交軸磁阻，可減小交軸電感，降低交軸電
抗壓降，提高變頻器輸入電壓的利用率，增大電機調速運行區，同時減少電樞反應對永磁氣隙主磁通的影響。此結論同樣適用於傳統弱磁調速永磁同步電動機。
內置混合式轉子可控磁通永磁同步電機轉子鐵芯為一個相互完全貫通的整體結構，機械強度相對較高，製做方便，無需隔磁處理。它套用範圍寬，陛能和經濟性都較好。可廣泛套用於工具機主軸、電動汽車要求電機轉速高且寬調速的場合。
根據電機可逆運行原理，同樣也可以讓其工作於發電機狀態，通過類似的直軸電流矢量ld脈衝控制發電機直軸永磁氣隙主磁場的強弱，在很寬的轉速範圍內，使發電機的輸出電壓維持在一定數值內，將其套用於汽車發電機、永磁風力發電機等要求輸入交流電壓變化範圍不大，且要將交流電整流成直流為蓄電池充電的場所。
