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轴向磁通高速磁阻电机

发表日期:2020-01-31 23:02:57   编辑:赵苑

  开关磁阻电机具有结构简单坚固,系统稳定,调速范围广等优点,适用于低速高转矩和轴向空间小的应用场合。随着工业4.0时代的开启,结合了盘式电机和开关磁阻电机的优点的新兴的轴向磁通磁阻电机显然在电机领域具有明显优势。论文在总结国内外现有轴向磁通磁阻电机设计发展的基础上,对一台6/4极轴向磁通高速磁阻电机(Axial Flux High Speed Reluctance Motor,AFHSRM)进行了电磁解析法和有限元法的分析设计研究。

  首先,论文介绍了开关磁阻电机的主要结构及各结构的优点,对开关磁阻电机的主要研究方法进行了详细阐述,并依据开关磁阻电机的电磁设计及性能参数设计的原则,对轴向磁通高速磁阻电机进行预设计。

  其次,采用解析法对轴向磁通高速磁阻电机分别在转子极中心线与励磁极中心线对齐位置(对齐位置)、齿槽中心线对齐位置(不对齐位置)及定子齿后沿和转子齿前沿重叠位置(临界重叠位置)下的磁化曲线进行计算。计算对齐位置的磁化曲线,先根据等效模型计算各磁导分量,分析电流与磁密的关系并将结果与有限元结果进行曲线对比验证解析法的正确性;关于不齐位置的磁化曲线的计算,要根据场计算结果和磁阻最小原理分析对电机的磁链分布特点,且给出每部分磁链计算方法并将其解析计算结果与有限元结果进行比较验证解析法的正确性;对于临界位置的磁化曲线,同样根据场计算结果和磁阻最小原理分析临界重叠位置磁链分布特点可知此位置磁链分七部分计算,然后将其解析计算结果与有限元结果进行比较验证解析法的正确性。

  最后,利用有限元软件Ansoft Maxwell,建立轴向磁通高速磁阻电机三维模型,在空载情况下对电机性能特性进行仿真分析。基于以上三个关键位置磁化曲线分析轴向磁通高速磁阻电机的磁路设计过程,对三个关键位置磁化曲线及某一给定电流下的曲线利用不同函数进行模化,然后根据开关磁阻电机的基本平衡方程计算电流和转矩的稳态性能曲线,并将最后计算结果与有限元结果进行比较分析其合理性。结合上述电磁分析和解析方法,形成一套完整的轴向磁通高速磁阻电机的电磁解析方法。

  由于近二十年来现代微电子技术、现代电力电子技术和控制技术等学科不断进步,开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,或 SRM)得以逐步发展起来 。开关磁阻电机由美国学者S.A.Nasar最先提出,它描述了这种电机的两个基本特征:①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式,如今伴随着各种新型功率半导体器件的涌现,这种电机也迅速发展;②磁阻性——定转子具有可变磁阻回路[1] 。它是一种结构简单的新型调速电机,其运行原理不同于感应电机和直流电机,而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。开关磁阻电机的定、转子均为双凸极结构,可由硅钢片叠压而成,其中定子有集中绕组,转子上既无永磁体也没有绕组,因此电机的结构极其简单。电机一般采用不对称半桥主控制电路即每相采用两只开关器件和两只续流二极管,这种电路相与相之间相互独立,互不影响,由于每相采用了两个开关,有四种控制状态,能对绕组电流实现灵活控制。简单的电机结构及运行机制带来了系统稳定、调速范围广和运行效率高等一系列优点,并且该电机在缺相时也能保持平稳运行,尤其适合于高速及恶劣环境下运行,因此广泛应用于牵引运输、家用电器及航空航天等领域,且已逐步显示出其它调速系统无法比拟的性能优势及发展潜力,成为各国的研究热点[2] 。

  随着对开关磁阻电机研究的深入,一些特种开关磁阻电机相继出现,盘式电机结构的应用就是其中一种。盘式电机又称轴向磁场电机,是一种定、转子铁芯呈圆盘形,气隙和穿过气隙的磁通方向是轴向的电机。在1921年,由法拉第发明的盘式电机是世界上第一台电机,由于盘式电机定转子平行结构,所以它们之间的存在轴向磁吸力,制造也比较复杂,所以在后来的发展中,它被常规电机也称径向磁场电机所渐渐取代[3] 。随着制造工艺的发展,以及人们对伺服驱动电机低噪声、薄型化、小型化的要求越来越高,同时对电机的结构和体积也有了较高的要求。盘式电机具有轴向尺寸短、转动惯量小、工艺简单、硅钢片利用率高、结构紧凑,并且外形相对较扁平等优点,特别适用于安装空间有严格限制的场合,所以盘式电机在国内外迅速地得到了广泛应用[4] 。

  近年来电网瓦解和大面积停电事故在世界各国时有发生,大规模电力系统的安全高效运行已成为各国电力系统发展的主要问题之一。同时,由于集中发电所主要依赖的煤等不可再生资源的日渐衰竭及它们所引发的环境污染问题使得人们迫切地需要寻求新的电能生产方式以缓解当前所面临的困境。在此背景下,分布式发电技术成为了解决上述问题的有效方法。在分布式发电技术中,如何有效地将获得的能量储存并进行再分配成为至关重要的问题。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源,主动参与系统的动态行为,并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程,使系统迅速恢复稳定状态[5] 。电机作为飞轮储能系统中实现电能与机械能之间相互转换的核心部件,其性能直接影响着整个飞轮储能系统的性能。随着飞轮储能密度的不断增大,研制转速高、效率高、体积小的高速飞轮储能电机对于飞轮储能的发展至关重要。轴向磁通高速磁阻电机(Axial Flux High Speed Reluctance Motor,AFHSRM)具有优异的运行性能,十分适用于电力系统中的高速飞轮储能。结合轴向磁场电机与一般磁阻电机的优点的轴向磁通高速磁阻电机具有以下优势:

  1) AFHSRM轴向尺寸较短,电机呈扁平状,结构紧凑,因此在空调外机、汽车散热器等空间尺寸受限场合得以有效的利用;

  2) AFHSRM定子上嵌放绕组,转子上无绕组,因而电机端部牢固,整个电机结构坚固,可高速旋转而不变形,可正常工作于极高的转速,能适用于各种强振动的恶劣环境中;

  3) AFHSRM只有定子上有绕组,嵌放绕组线圈容易,制造工艺简单,成本低;转子上无永磁体,全部由硅钢片叠压而成,因而能适用于各种高温的恶劣环境中;调速范围宽,控制方式灵活,适用于多种应用场合。

  综上所述,AFHSRM因其优良的特性,在越来越多的场合得以应用,也引起了更多学者的关注。我国对该类电机的研究起步较晚,其在中国的发展前景应有更广阔的空间,因此AFHSRM是学者们今后研究的重要课题之一。

  1.2 轴向磁通高速磁阻电机的研究现状

  1.2.1 开关磁阻电机的研究现状

  开关磁阻电机是随着电力电子技术发展而迅速发展起来的一种新型调速电机,如图1.1所示,由于自身固有特点,使其在高速/超高速应用场合具有以下独特的优势:转子为简单坚固的实心叠片结构,无永磁材料或绕组,具有很高的机械强度,可承受很大的离心力;高速性能优异,对高温等恶劣运行环境适应性好;系统可靠性高、容错能力强;电机起动电流小,起动转矩大,加速性能好。虽然和其他电机相比,开关磁阻电机存在转矩脉动和振动噪音大的缺点,但在高速应用场合转矩脉动的影响将被减弱,同时,高速使得同等功率条件下,电机定转子受到的电磁力也大为降低,该电磁力正是开关磁阻电机振动和噪音的主要根源,因此开关磁阻电机的振动和噪音问题将不再突出。

  图1.1 开关磁阻电机基本构造

  综上所述,开关磁阻电机高速性能优异,可靠性高,因此在航空航天驱动等超高速领域,具有显著的技术优势和应用潜力。

  但是,开关磁阻电机实现高速/超高速运行,仅以常规的设计手段和研究方法来研究是不够的,还需要以下关键技术的支持:

  1.开关磁阻电机工作在自同步状态,无论采用何种控制方式都要对转子位置信号进行实时处理和计算,获得实时的转子角度信号,才能保证电机正常、平稳的运行。目前多采用微处理器(单片机、DSP),来实现位置解算和实时角度控制。而高速开关磁阻电机的工作频率高,实时角度控制所需处理的数据量大,通常软件实现角度控制会造成过多占用微处理器的资源,且系统易受干扰而降低了可靠性。因此,控制技术的研究是高速开关磁阻电机设计的关键技术之一。

  2.电机在高速旋转时转子的离心力很大,常规的叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力,需采用高强度叠片或实心转子,开关磁阻电机电机转子相对坚固可靠,但电机的气隙很小,单边磁拉力、转子偏心等问题对电机有非常大的影响,因此,转子强度和动力学分析是高速开关磁阻电机设计的关键技术。

  3.由于绕组电流和铁心中磁通交变频率增加,导致基本电气损耗的增加,而且高频附加损耗也有所增加,特别是转子表面由于高速旋转产生的风阻损耗和轴承损耗,它们与电机运行速度和散热条件密切相关,从而难以准确计算。同时,由于单位体积功率密度与损耗的增加和总体散热面积的减小,在高速运行时,电机转子上的热量很难传导出去,转子发热将极大影响电机性能。因此,有效的散热和冷却方法,也是高速开关磁阻电机设计中的一个重要问题[6] [7] 。

  4.高速开关磁阻电机的磁悬浮技术。轴承问题一直也是制约所有高速电机快速发展的“瓶颈”,传统机械轴承不仅带来较大的摩擦损耗,同时也限制了电机转速的进一步提高,因此非接触式轴承成为高速电机发展的一个趋势,如气浮、油浮、磁浮轴承等。其中,磁悬浮是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术,具有允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点,磁悬浮技术已成为高速电机的重要研究内容。

  1.2.2 高速磁阻电机的研究现状

  随着航空航天、精密加工、分布式电源等军事和民用领域对高速开关磁阻电机需求的不断增多,欧美等国对高速开关磁阻电机进行了大量的理论研究和工程实践。意大利的Alberto Tenconi等学者基于电磁、机械和温度这三个方面研究了现今高速和超高速电机,着重介绍了这三个设计部分与电机大小设计之间的联系,在考虑了材料特性和加工工艺的情况下,比较了高速电机和开关磁阻电机技术工艺的优缺点[8] ;荷兰的代尔夫特理工大学Borisavljevic学者提出要得到高速电机最大功率的主要途径,电磁方面需要进行电磁损耗分析,温度方面需要考虑传热流体力学,机械方面需要考虑转子离心力[9] ;布里斯托尔大学提出了利用半透性材料制造保护套,与碳纤维、铬镍铁合金等惰性材料相比,可以减小保护层产生的涡流损耗,增加磁负荷,为高速永磁电机保护套的设计提供了新材料[10] ;美国乔治亚理工学院的Jie Dang提出了一种新型的的开关磁阻电机的转子结构,解决了电机在超高速运行时的风阻损耗太大的问题,并且因为产生了不对称的气隙提高了转矩[11] ;德国学者Jeongki An等人对承表贴式永磁同步电机进行了损耗分析和研究,发现当电机在高速运行时,空气摩擦损耗和铁损是损耗的主要部分,同时详细分析了空载时电磁轴承转子损耗[12] ;美国的Delvis A. Gonzalez和Daniel M. Saban博士针对一个5MW带有成型线圈的高速永磁电机,研究了带成型线圈绕组的高速永磁电机的铜损,并比较全开和半闭槽的情况,同时还提出了一种有效地计算高频下每相电阻和估算直流电阻增量的方法[13] 。美国GE、Sundstrand等公司在美国国家航空航天局(NASA)和美国空军(USAF)的支持下对开关磁阻电机在高速航空起动/发电机等方面的应用进行了系统的研究,研制出了多种规格的实验样机。GE公司研制的6/4结构30kW航空开关磁阻电机起动/发电机,最高转速达52000r/min,功率密度达到3.89kW/kg[14] ,12/8结构250kW的航空开关磁阻电机起动/发电机转速达22000r/min,功率密度高达5.3kW/kg[15] ;法国也研制出一台1kW,采用陶瓷复合轴承的超高速运行的开关磁阻电机,其设计最高转速可达200000r/min[16] 。日本东京大学也研制出一台2kW的高速开关磁阻电机,额定转速100000r/min,最高转速150000r/min[17] 。

  在国内,许多研究院所对高速/超高速电机进行了研究。沈阳工业大学的张凤阁教授及其团体研究了转子的不同保护措施,发现合金保护套设计应考虑电机冷态运行时的护套受力和热态运行时的永磁体受力都应满足强度要求,而碳纤维保护套设计时可以忽略工作温度对机械强度的影响,并且在相同情况下,碳纤维保护套厚度比合金保护套薄,在降低弯曲应力的同时,可以获得更大的气隙和散热面积[18] [19] [20] ,论文[21] 在考虑三维磁场和谐波影响的基础上,建立了能较为准确反映高速爪极电机铁芯损耗计算的模型,为解决了高速永磁爪极电机损耗较大且发热严重的问题提供了理论参考依据;沈阳工业大学邢军强教授、王凤翔教授和孔晓光博士等人验证了基于流体场分析的转子空气摩擦损耗计算方法的有效性,以及基于流固耦合分析的温升计算方法的可靠性,并对转子保护方面进行了深入地研究,设计了合金保护套,并对静止和旋转等不同工况下的转子机械强度进行了理论分析和二维有限元计算[22] [23] [24] [25] [26] ;浙江大学沈建新教授的团队对高速永磁无刷电机的电磁损耗和抑制措施进行了探讨,指出采取减小定子槽开口、加大气隙长度、对永磁体进行轴向分块、用转子导电屏蔽层等措施可以抑制转子涡流损耗,利用有限元方法分析研究得出,转子护套开周向浅槽后,可以有效地减小转子损耗,改善转子散热条件以及降低转子温升,研究提出的技术手段不仅适用于方波驱动的无刷直流电动机模式,也适用于正弦波驱动的无刷直流交流电动机(即永磁同步电动机)模式和发电机模式,对无刷电机的研究具有重要的参考价值[27] [28] ;论文[29] 中提出护套开槽可以减少高速永磁无刷电机的转子涡流损耗,分别比较了周向、轴向和综合开槽的情况,结果证明周向开槽在整体性能提升上是最有效的,在制造工艺上是最简单的,没有额外的成本,因此为实际生产提供了可靠的依据;南京航空航天大学的邓智泉教授及其团队在磁阻电机转子位置检测的方面做了许多研究。在起动/低速运行阶段,针对传统脉冲注入方法对三相绕组的非导通区间均注入电压脉冲的特点提出了仅对电机一相绕组的非导通区间注入电压脉冲的改进脉冲注入方法。同时,邓教授也提出了一种基于全周期电感分区策略与角度-电感模型相结合的无位置传感器方法,该方法通过设置电感底部阈值和顶部阈值对三相电感的分区,以实现估计相选择,利用简化的角度-电感模型可以较为精确地估计出任意时刻的转子位置信号,可以实现电机静止和带初始转速时的精确初始定位和无反转起动。在电机中/高速运行区域,邓教授提出了一种具有容错功能的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。此时,电机采用单脉冲控制模式,当开通角提前时,采用相电流斜率检测与相电感斜率过零检测相结合的方法实现定、转子对齐位置的估计;当开通角大于或等于零度时,采用相电感斜率过零检测法实现定、转子对齐位置的估计。在每个电周期内均可估计出对齐位置,并得到相应的位置检索脉冲。利用位置检索脉冲可以估计出转速和转子位置信息。避免了开通角的影响,而且保持了位置检测各相独立的特点。该算法方便实现,具有较强的通用性和可移植性。同样在一台12/8 结构样机中进行了实验,验证了算法的可行性[30] [31] [32] 。

  虽然对于开关磁阻电机的研究已有二十多年,对高速、高功率密度的开关磁阻电机系统进行了大量的研究,积累了一定的技术和经验,但是在高速、超高速开关磁阻电机理论的研究和工程实践方面还处于起步阶段,与国外先进水平有着相当的差距,而且国内在材料,加工工艺等基础技术水平上和先进国家也有着较大的差距,这在一定程度上也制约了对超高速开关磁阻电机的研究。反观国内应用市场,在军工领域,对高速和超高速电机的需求日益迫切。微型发动机是未来微型高速无人机、导弹、单兵飞行器的高效动力装置,与高速发电机结合可以构成机载电源系统,还可以独立与燃料电池结合,发展成为高能量密度的军用电源系统;在民用领域,我国对高精度数控机床需求量不断增长,其重要组成部件——高速电主轴的核心技术正是高速电机。

  1.3 本文主要研究内容

  1.3.1 主要工作

  本文以开关磁阻电机为代表,结合它的工作原理和结构组成,介绍了轴向磁通磁阻电机设计的方案选择和基本步骤,设计了一款6/4极1000W的小型轴向磁通磁阻电机。用有限元软件Ansoft对设计案例进行建模仿真,结合仿真结果分析电机性能。但是对于轴向磁场盘式开关磁阻电机运用有限元法既耗时而且计算机要求配置高,为了设计电机方便,本文编写了磁路设计方法,主要研究内容有:

  论文基于一台AFHSRM,首先从基本结构和原理上介绍了它的电磁特性和主要尺寸关系,由解析法对磁密与电流的关系进行了具体的阐述分析,通过对其磁路的分析建立了该电机的电磁解析方法。建立该电机的三维有限元模型,分析电机的性能,同时与电磁解析方法结果作对比,验证解析法的有效性。

  1.3.2 章节安排

  第三章运用有限元软件按照前文的设计方案建立模型,对磁路法设计的参数进行校核,分析永磁无刷直流电机空载和负载工况下的磁力线、磁通密度、工作特性、起动特性、气隙磁场和端部磁场分布,由仿真得出电机的负载特性曲线,并与实际样机的试验数据进行比对。本文针对电机换向转矩,仿真分析影响转矩波动的相关因素。

  第四章从结构出发,分析定转子变化对电机性能的影响,改变定子齿宽观察磁钢饱和程度变化,并对四种转子结构的无刷直流电机进行对比研究。

  论文共分5个章节,具体章节安排如下:

  第一章为绪论,阐述了论文的研究背景和意义,从基本概念和发展概况介绍了AFHSRM的研究现状。

  第二章对传统开关磁阻电机的结构组成和工作原理进行研究,根据开关磁阻电机设计的基本要求,确立初步的设计方案,并参考定转子和气隙的设计基本要求,确定电机的基本参数,对预设参数进行研究,分析电机的电磁特性。

  第三章用解析法分别计算AFHSRM在转子极中心线与励磁极中心线重合位置、齿槽中心对齐位置及转子极前沿与定子极后沿重合位置(临界重叠位置)处的磁化曲线的计算。

  第四章首先通过有限元软件Ansoft建立AFHSRM的三维有限元模型,仿真电机在空载和额定负载工况下的输出性能,并分析比较其输出结果。最后将有限元仿真和电磁解析方法结果进行对比研究,检验电磁解析方法的正确性和高精度性。

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