姜春輝, 田玉冬

(上海電機學院,上海 201306)

一種外轉子可變磁通永磁記憶電機設計與弱磁性能分析*

姜春輝, 田玉冬

(上海電機學院,上海 201306)

設計了一種外轉子可變磁通永磁記憶電機，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件建立了電機模型，給出了永磁材料磁化特性和電機工作模型。采用有限元分析方法，對電機的弱磁性能進行探究，給出了電機施加不同直軸去磁電流時的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動勢曲線和磁通密度分布曲線。仿真結果表明，該電機具有良好的弱磁性能，其調磁過程主要通過改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平實現(xiàn)。

可變磁通永磁記憶電機；弱磁；外轉子

0 引 言

永磁同步電機由于其結構簡單、功率因數(shù)和效率高、轉動慣量小、易于實現(xiàn)精密控制等優(yōu)點在電動汽車、航天航空、工業(yè)傳動、家用電器等諸多領域得到了快速發(fā)展。但是，由于其轉子永磁體材料屬性的限制，傳統(tǒng)永磁同步電機也存在一些缺點。通常，在傳統(tǒng)永磁同步電機進行弱磁操作時，需要施加一個持續(xù)的定子電流，這不僅會提高電機的損耗，也增加了永磁體不可逆退磁的風險，導致電機性能下降。為避免永磁體發(fā)生不可逆退磁，研究人員通常增大永磁體的尺寸，但這不僅增加了電機生產的成本，還會導致電機功率密度的下降。此外，傳統(tǒng)永磁電機氣隙磁密調節(jié)困難，限制了其調速范圍。

為了增強永磁電機弱磁擴速的能力，2001年,Vlado Ostovic教授設計了一種可變磁通永磁記憶電機(Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor，VFMM)。這種電機對永磁體的磁化強度具有記憶特性，通過直軸去磁電流改變其磁密水平。記憶電機具有較高的功率密度，同時其勵磁調節(jié)方便，具備良好的研發(fā)前景。

文獻[1]介紹了VFMM的基本結構，與傳統(tǒng)永磁同步電機相比，定子部分結構相似，轉子永磁體采用具有低矯頑力和高剩磁密度的鋁鎳鈷永磁材料，形狀為近似梯形。這種電機進行弱磁操作時，只需施加一個定子直軸電流脈沖，不會產生額外的損耗，并可以將弱磁時的工作點記憶下來。Vlado Ostovic通過樣機測試驗證了其在功率密度方面的優(yōu)勢。文獻[2]分析了記憶電機的一些設計要點，論證了記憶電機永磁體的有效徑向長度。文獻[3]通過有限元的方法搭建了記憶電機的基本模型，分析了不同形狀的永磁體對電機弱磁性能的影響，探討了梯形永磁體對電機弱磁能力的增強作用。文獻[4]分析了梯形永磁體在記憶電機弱磁操作中的工作特性。文獻[5-6]提出了一種混合勵磁永磁記憶電機，其永磁體由兩部分構成，分別為近似梯形的鋁鎳鈷永磁體和矩形的釹鐵硼永磁體，轉子結構由永磁體、非磁性夾層和鐵心交替排列而成。研究了電機工作在不同磁化水平下永磁體的靜態(tài)特性，計算了不同永磁磁化狀態(tài)下的氣隙磁密、永磁磁鏈、反電動勢及每極氣隙磁通等電機主要參數(shù)。文獻[7]設計了一種“Y”型結構永磁體的可變磁通記憶電機，將兩種永磁體嵌入“Y”型的轉子槽中，釹鐵硼永磁體產生大部分的氣隙磁密，鋁鎳鈷永磁體作為可變磁通永磁體用來調節(jié)磁通密度，通過控制直軸去磁電流可以改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平和磁化方向，而釹鐵硼永磁體的磁化反向始終保持不變。文獻[8]提出了使用附加定子繞組來改變軸向磁通的記憶電機，包括一個具有表貼式永磁體結構的二轉子部件，永磁體徑向充磁至飽和，定子結構部分為固體軛結構，用來減少層間氣隙，部分為疊片結構，附加定子繞組置于兩部分定子之間，提供可變的勵磁電流。

本文設計了一種新型外轉子VFMM[9-10]，在Ansoft Maxwell 2D仿真軟件中建立了仿真模型，分析了電機模型及弱磁原理，給出了施加不同直軸去磁電流后該電機的相磁鏈曲線、磁力線分布圖、氣隙磁密曲線及反電動勢曲線等電機特性圖，分析了外轉子記憶電機的性能特點，論證了該電機在永磁電機弱磁增速領域的優(yōu)點。

1 電機結構及原理分析

1. 1 電機結構

本文所設計的外轉子VFMM為48極36槽結構，圖1為電機截面結構圖。其定子部分采用雙層繞組線圈，每槽導體數(shù)為60，定轉子鐵心材料為DW465-50型號硅鋼片，轉子側永磁體采用鋁鎳鈷和釹鐵硼兩種材料，其中鋁鎳鈷具有低矯頑力、高剩磁密度的特性，方便進行弱磁。其排列方式可根據(jù)氣隙磁密和弱磁性能等參數(shù)的實際需要，采用6鋁鎳鈷永磁體/42釹鐵硼永磁體、8鋁鎳鈷永磁體/40釹鐵硼永磁體、16鋁鎳鈷永磁體/32釹鐵硼永磁體、24鋁鎳鈷永磁體/24釹鐵硼永磁體等多種方式。本文為得到較寬的調速范圍，采用24鋁鎳鈷永磁體/24釹鐵硼永磁體方式，即鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁體交替排列，充磁方向相反。定子外徑為259 mm，轉子外徑和內徑分別為280 mm和262 mm，永磁體厚度為4 mm，電機的軸向長度為20 mm。本文所采用的鋁鎳鈷永磁材料剩磁密度為1.05 T，矯頑力為110 kA/m，釹鐵硼永磁材料剩磁密度為1.2 T，矯頑力為988 kA/m。

圖1 電機截面結構圖

鋁鎳鈷永磁體由于具有較低的矯頑力，在飽和磁化后可通過施加一直軸去磁電流脈沖改變其磁化水平，使其工作點下降到磁滯回線下降分支的拐點以下，去除去磁電流，永磁體的工作點將沿回復線上升，如圖2所示，去磁后的磁通密度將被部分記憶。釹鐵硼永磁體由于其矯頑力較高，飽和磁化后，施加去磁電流脈沖，其工作點難以下降到磁滯回線下降分支的拐點以下，去磁電流去除后，永磁體工作點將返回飽和處，去磁后的磁通密度將不會被記憶。電機運行時，鋁鎳鈷永磁體根據(jù)其磁化水平調節(jié)轉子磁場，達到調速作用，而釹鐵硼永磁體則提供一個基礎的轉子磁場，保證電機運行時始終具有一定的氣隙磁密和功率密度。本文所設計的VFMM由于采用混合勵磁，與傳統(tǒng)永磁同步電機相比具有較大的調速范圍，與單勵磁記憶電機相比又提高了功率密度。

圖2 永磁體磁滯回線圖

1. 2 鋁鎳鈷材料磁化特性

傳統(tǒng)永磁同步電機轉子永磁體通常選取釹鐵硼、釤鈷等優(yōu)質永磁材料，其退磁曲線為近似線性，故其剩磁密度與矯頑力成正比關系。記憶電機中采用鋁鎳鈷永磁體調節(jié)轉子磁場，其退磁曲線為高度非線性，在建立磁化特性模型時，采用一個虛設的矯頑力代替其真實矯頑力，假定退磁特性為線性，其磁密可表示為

(1)

式中:Hm——定子電流激勵產生的磁場強度;μ0、μrm——磁體的空間磁導率和相對磁導率。

永磁體的工作狀態(tài)由電機的導磁系數(shù)決定，同時還需考慮電機工作在增磁還是退磁條件下，導磁系數(shù)可通過式(2)表示。

(2)

1. 3 電機工作模型分析

式(3)為dq坐標軸下電機三相動態(tài)電氣方程。

(3)

式中:Ud、Uq、id、iq——直軸和交軸的電壓和電流；

ω——角頻率；

Rs、Ls、φf——相電阻、同步電感和磁鏈。

電機電磁轉矩方程為

(4)

式中:Lds、Lqs——dq軸電感。

電壓和電流的大小受到驅動器容量的限制，不考慮定子向電阻壓降的影響，其等效公式為

(5)

(6)

(7)

為了使電機工作在基速以上，需要對電機進行弱磁控制，弱磁運行時參考電流的公式：

(8)

(9)

2 有限元分析

本文采用有限元的方法對電機性能進行分析，在Ansoft Maxwell 2D仿真軟件中建立有限元模型時，將整個永磁體進行剖分，分別確定每一小塊永磁體的工作點。在有限元剖分時，對永磁體按照與分割小塊相同的比例進行剖分，并且在分析不同轉子位置的磁場過程中，永磁體的剖分網(wǎng)格始終保持不變。圖3為所建立的電機仿真模型的剖分圖。

圖3 電機仿真模型剖分圖

2. 1 空載磁場有限元分析及弱磁特性

施加不同定子直軸去磁電流后電機的空載磁場分布如圖4所示。圖4中左側為本文所設計的外轉子VFMM的磁力線分布圖，右側為傳統(tǒng)外轉子永磁同步電機的磁力線分布圖，其所有永磁體均采用釹鐵硼材料。為使圖中磁力線表示更為清晰，圖4中所有圖形都取經(jīng)放大后的電機1/4截面圖。

圖4 不同去磁電流時的電機磁力線分布圖

由圖4可知，對于本文所設計的外轉子VFMM，在施加定子直軸去磁電流后，磁力線的數(shù)量顯著減少，隨著去磁電流的增大，電機的弱磁效應越加明顯，且施加去磁電流后，鋁鎳鈷永磁體上的磁力線變化更為明顯，釹鐵硼永磁體上的磁力線變化較小。對于傳統(tǒng)外轉子永磁同步電機，在施加定子直軸去磁電流后，磁力線的變化并不顯著。通過比較可知，與傳統(tǒng)外轉子永磁同步電機相比，本文所設計的外轉子VFMM更易進行弱磁控制，在基速以上運行時，具有較好的調速范圍。

2. 2 相磁鏈和反電動勢特性分析

電機空載時永磁體飽和磁化的三相磁鏈曲線和電機轉速為1 500 r/min的三相反電動勢曲線如圖5所示。

由圖5可知，本文所設計的外轉子VFMM反電動勢和相磁鏈的諧波分量較少，具有較好的正弦性。

施加不同直軸去磁電流后的單相磁鏈和反電動勢曲線圖如圖6所示。

由圖6可知，電機施加定子直軸去磁電流后，其單相磁鏈和反電動勢的幅值減小，施加去磁電流越大，磁鏈和反電動勢幅值越小。且施加直軸去磁電流后，反電動勢中的諧波分量增加，但仍能保持較好的正弦性。

圖5 電機三相磁鏈及反電動勢曲線圖

圖6 施加不同直軸去磁電流后的單相磁鏈和反電動勢曲線圖

2. 3 氣隙磁密分布分析

施加不同去磁電流后的電機氣隙磁通密度分布曲線和定子軛處磁通密度分布曲線如圖7所示。

由圖7可看出，隨著永磁體磁化強度的降低，電機的氣隙磁通密度幅值和定子軛磁通密度幅值逐漸減小，且相較而言，氣隙磁通密度幅值變化較小，定子軛處磁通密度幅值變化較顯著，說明對于本文所設計的外轉子VFMM，在施加定子直軸去磁電流后，顯著削弱了定子軛磁場，而對氣隙磁場的削弱相對較小。這是本文所設計的電機不同于一般內轉子記憶電機之處。

圖7 施加不同去磁電流后電機磁通密度分布曲線

3 結 語

本文設計了一種外轉子VFMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件對該電機進行建模仿真，采用有限元的分析方法對該電機的弱磁性能進行分析，給出了施加不同定子直軸去磁電流后的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動勢曲線和磁通密度分布曲線。仿真結果表明，本文所設計的外轉子VFMM具有良好的弱磁性能，可通過施加定子直軸電流脈沖改變永磁體的磁化水平，調節(jié)電機轉速。在調磁過程中，鋁鎳鈷永磁體發(fā)揮重要的作用，而釹鐵硼永磁體的磁化水平始終保持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，提供了一個基礎的轉子磁場，保證電機在弱磁運行時始終具有必要的氣隙磁密和功率密度。本文所設計的電機外轉子永磁體采用表貼式結構，其制作工藝簡單，工業(yè)生產成本低，具有良好的實用性。

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Design and Flux-Weakening Performance Analysis of Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor with External Rotor*

JIANGChunhui,TIANYudong

(Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A external rotor variable flux permanent magnet memory motor was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The magnetic properties of permanent magnetic materials and the working model of the motor were given. The flux weakening of the motor was researched by using the finite element analysis method. The motor′s flux-lines, fluxlinkage of winding A, reverse electromotive force curves and magnetic flux density curves under different magnetizing current were given. The simulation results showed that the motor has good flux weakening ability and its flux weakening was realized by changing the magnetic field of the AlNiCo permanent magnets.

variable flux permanent magnet memory motor; flux weakening; external rotor

上海市產學研合作基金項目(2015CXY44)

姜春輝(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機設計。 田玉冬(1968—)，男，教授，碩士生導師，研究方向為復雜工業(yè)系統(tǒng)控制和優(yōu)化、新型能源混合動力工程和分布式發(fā)電技術、電機設計等。

TM 343

A

1673-6540(2017)04- 0028- 06

2016 -09 -20