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电机参数对反凸极永磁同步电机性能影响的研究
Research on Influence of MotorParameters on the Negative-Salient Permanent Magnet Synchronous Motor
作者：郭飞、初秋、李春艳、孟涛
DOI：10.30941/CESTEMS.2022.00011
https://ieeexplore.ieee.org/document/9745878
本文提出了一种新型W型反凸极永磁同步电机转子结构，利用磁桥增大直轴电感以及W型永磁体减小交轴电感，实现直轴电感大于交轴电感。与传统正凸极永磁同步电机相比，该新型反凸极永磁同步电机具有恒功率调速范围宽、过载能力强和永磁体不易退磁等特点。首先，根据等效磁路阐述反凸极永磁同步电机的工作原理。其次，采用有限元分析方法，分析电机结构对反凸极永磁同步电机转矩和转速性能的影响，并对电机结构进行了优化。反凸极永磁同步电机在基速及基速以下运行时通入正向的直轴电流产生正磁阻转矩，提高电磁转矩；反凸极永磁电同步机和正凸极电机相比直轴电感大、永磁体磁链略小，可有效扩大电机的弱磁范围。再次，分析内功率因数角对电机性能的影响。最后，通过短路分析，验证反凸极电机具有更强的短路电流抑制能力。
首次提出新型W型永磁体反凸极永磁同步电机方案，利用磁桥增大直轴电感以及W型永磁体减小交轴电感，从而实现直轴电感大于交轴电感。与传统凸极永磁同步电机相比，反凸极永磁同步电机在基速及基速以下运行时采取正向直轴电流控制产生正磁阻转矩，有效提高永磁体的工作点；W型永磁体反凸极永磁同步电机直轴电感大、永磁体磁链略小，在额定转速以上运行时相同转速所需去磁电流比正凸极永磁同步电机小，可有效扩大弱磁调速范围。
1. 电机结构及特性
反凸极永磁同步电机结构如图1所示。
图1. W型反凸极永磁同步电机结构
在通入等值的直轴电流或交轴电流条件下，直轴和交轴的磁力线和磁通密度的分布如图2所示。直轴磁力线明显稠密于交轴磁力线，直轴磁通密度明显稠密于交轴磁通密度，验证反凸极永磁同步电机的直轴电感大于交轴电感。此外，反凸极永磁同步电机通过结构上的创新为直轴磁通提供了路径。从直轴电流磁密分布看出，该反凸极永磁同步电机直轴磁通并非像传统永磁同步电机主要流经永磁体，而是一部分流经转子和交轴极间槽之间的磁桥。因此反凸极永磁同步电机可改善通入负向弱磁电流引起的不可逆退磁问题。
图2. 反凸极永磁同步电机磁力线和磁通密度分布
(a)d-axis(b) q-axis
反凸极永磁同步电机和传统正凸极电机在外加额定负载时通过有限元分析得到的最大电磁转矩所对应的功角如图3所示。与正凸极永磁同步电机的矩角特性不同，反凸极永磁同步电机的最大电磁转矩对应的功角小于90度。从而可知反凸极永磁同步电机的磁阻转矩分量在小于90度时为正值，再次间接说明该电机的直轴电感大于交轴电感，即电机具有反凸极特性。
图3. 反凸极电机和正凸极电机矩角特性
2. 电机结构对反凸极永磁同步电机性能影响
(1) 永磁体
从图4和图5中可以看出，永磁体厚度的增加都会使得直轴电感和交轴电感都降低，但永磁体厚度2对直轴电感的影响相对较大，永磁体2的减小更加有利于直轴电感的提升。交轴电感不仅会受到直轴磁路结构改变的影响，同时也会受到直轴磁路饱和的略微影响。
图4. 永磁体厚度对直轴电感和交轴电感的影响
图5. 永磁体厚度对凸极比的影响
永磁体厚度对电机转矩和转速的影响如图6所示。提高永磁体的厚度将使永磁体提供更多的永磁磁通，有利于提高电磁转矩。但尺寸增加到一定数值会引起电机饱和。永磁体厚度增加的同时电机最高转速也随之降低，因此永磁体厚度可选择满足电磁转矩条件下的最薄尺寸。
图6. 永磁体厚度对反凸极永磁同步电机转矩和转速的影响
(2) 转子偏心
转子偏心能够改善气隙磁密的正弦性。不同的偏心距离反映了电机不等气隙程度。利用有限元软件分析不同的偏心距离对气隙的影响如图7和8所示。适度的转子偏心能够改善气隙磁通密度波形的正弦度。但如果偏心距离过大，气隙磁通密度波形高次谐波含量会增加，对电机损耗和振动产生一定的影响。
图7. 偏心距对电机气隙磁密的影响
图8. 偏心距对电机气隙磁密谐波的影响
转子偏心改善空载气隙磁密正弦性的同时也影响着电磁转矩和电机转速，偏心距离对转矩和转速的影响如图9所示。随着偏心距离的增加，等效气隙长度增加导致主磁路磁阻增加，降低气隙磁通密度从而导致电磁转矩减小。气隙磁通密度下降的同时，有利于扩大电机的转速范围。
图9. 偏心距对电机转矩和转速的影响
3. 内功率因数角对电机性能影响
图10显示了内功率因数角ψ随电机转速的变化情况。当正凸极电机全速运行时，ψ总是负的。当反凸极电机运行在额定速度或以下时，ψ为正。随着速度的增加，ψ逐渐为负。图11给出了电机电流随转速的变化关系。由于反凸极电机凸极比大于1，在低速运行区域仅需要较小的正值直轴电流来产生磁阻转矩，在MTPA控制下需要较大的交轴电流来产生永磁转矩。反凸极电机在低速区域运行在较小的直轴电流下，使得磁阻转矩的占比小于正凸极电机，但正凸极电机中较大磁阻转矩获得的同时也会带来较高的永磁体不可逆去磁风险。
图10. ψ随电机变化情况
图11. 电机电流与转速关系
从图12所示的转矩-转速曲线可以看出，在低速运行区域，传统正凸极电机的输出转矩略大于反凸极电机。然而，在高速运行区，正凸极电机最大速度只能达到3300rpm。由于反凸极电机较大的直轴电感，转速可以达到6000rpm。从图13所示的功率-速度曲线可以看出，在低速运行区域，反凸极电机的功率略低于正凸极电机。在高速运行区域，反凸极电机工作在弱磁状态时运行在更小的弱磁电流下，从而使得反凸极电机在弱磁状态下不仅使得永磁体的不可逆去磁风险降低，还使得电机的恒功率调速范围得以拓宽。
图12. 反凸极电机和正凸极电机转矩-转速曲线
图13. 反凸极电机和正凸极电机功率-转速曲线
4. 电机容错特性
反凸极永磁同步电机和传统凸极永磁同步电机绕组短路时，短路电流和电磁转矩变化情况如图14和15所示。稳态短路电流分别为额定电流的1.1和1.35倍。反凸极电机电磁转矩波动更小。当两电机阻抗相同时，反凸极永磁同步电机具有较强的短路电流抑制能力。
图14. 永磁同步电机绕组短路时电磁转矩
图15. 永磁同步电机绕组短路时短路电流
本文提出一种新型W型反凸极永磁同步电机。通过定性分析和定量计算表明，在基速及基速以下运行时，电磁转矩能满足额定输出转矩要求，同时正向的直轴电流是增磁性质，可降低永磁体不可逆退磁的风险。在电机全速运行范围内，直轴电流由增磁电流过渡到去磁电流，电流角度调节范围宽。W型反凸极永磁同步电机直轴电感大、永磁体磁链略小、相同转速所需弱磁电流比正凸极永磁同步电机小，因此W型反凸极永磁同步电机弱磁调速性能好，恒功率运行最高转速为额定转速的3倍。反凸极永磁同步电机绕组短路时，可在不牺牲过载容量能力的条件下抑制短路电流，具有较好的容错能力。
引用本文
F. Guo, Q. Chu, C. Li and T. Meng, "Research on Influence of MotorParameters on the Negative-Salient Permanent Magnet Synchronous Motor," inCES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 6, no. 1, pp. 77-86,March 2022, doi: 10.30941/CESTEMS.2022.00011.
本文作者
郭飞，硕士研究生，黑龙江大学机电工程学院。主要从事反凸极永磁同步电机分析设计及其控制技术。
初秋，硕士研究生，黑龙江大学机电工程学院。主要从事永磁同步电机弱磁控制技术。
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