姜春輝, 田玉冬,2

(1. 上海電機學(xué)院,上海 201306； 2. 上海交通大學(xué),上海 200240)

一種混合勵磁開關(guān)磁通永磁記憶電機設(shè)計與調(diào)磁性能分析

姜春輝1, 田玉冬1,2

(1. 上海電機學(xué)院,上海 201306； 2. 上海交通大學(xué),上海 200240)

設(shè)計了一種混合勵磁開關(guān)磁通永磁記憶電機，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件建立了其電機模型，分析了其電機運行原理。采用有限元分析方法，對電機的調(diào)磁特性進行了探究，給出了鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動勢曲線、磁通密度分布曲線和轉(zhuǎn)矩波形曲線。仿真結(jié)果表明，該電機相較于常規(guī)永磁同步電機具有良好的調(diào)磁性能。

混合勵磁；開關(guān)磁通；永磁記憶電機；調(diào)磁

0 引 言

近年來，由于世界范圍內(nèi)對環(huán)境保護、節(jié)能減排的需求，電動汽車受到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。在電動汽車中，其電動機要求具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和效率，較好的過載能力及較寬的調(diào)速范圍。在現(xiàn)有電動機中，永磁同步電機幾乎可以滿足以上所有要求。但是，由于電動汽車電動機嚴格的運行溫度要求，傳統(tǒng)永磁同步電機永磁體的不可逆退磁成為一個急需解決的問題。在傳統(tǒng)永磁同步電機中，永磁體通常被安裝在轉(zhuǎn)子上，為了防止高速運行時離心力對磁鋼的影響，通常在永磁體上裝有不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置，就會造成散熱困難，同時，電機氣隙對轉(zhuǎn)子部分直接散發(fā)的熱量具有熱隔離作用，導(dǎo)致永磁體的熱條件惡化，而溫升最終會導(dǎo)致永磁體的不可逆退磁。

與傳統(tǒng)永磁電機相比，開關(guān)磁通永磁電機(Switched Flux Permanent Magnet Motor,SFPMM)可以有效解決上述問題。這種電機將永磁體安裝在定子上，其永磁體上產(chǎn)生的熱可以通過安裝在定子上的冷卻管道散發(fā)，保證永磁體具有較好的散熱條件。同時，該電機還具有正弦對稱的反電動勢，較高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度等特點，適用于電動汽車用電動機。文獻[1]以一臺應(yīng)用于電動汽車的12/10極SFPMM為例，研究了該電機電磁轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動的特點，利用有限元的方法，分析了采用不同定轉(zhuǎn)子極性配合時電機轉(zhuǎn)矩性能的差異，并將該電機與傳統(tǒng)永磁同步電機進行比較，論證了SFPMM在輸出轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢。文獻[2]設(shè)計了一種E型鐵心SFPMM，通過建立該電機的解析模型，計算了其繞組磁鏈、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，分析了不同定轉(zhuǎn)子極數(shù)組合對繞組電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得到了合適的極數(shù)組合。文獻[3]設(shè)計了一種外轉(zhuǎn)子SFPMM,并分析了其相比于內(nèi)轉(zhuǎn)子SFPMM的顯著優(yōu)勢，以一臺6/22極電機為例，給出了該類型電機的工作原理，并計算了該電機的相關(guān)性能參數(shù)。

但是，盡管SFPMM具有諸多優(yōu)點，在其進行弱磁操作時，仍需要施加持續(xù)的直軸去磁電流，這會產(chǎn)生額外的銅耗，降低電機運行的效率。另一方面，可變磁通永磁記憶電機(Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor，VFMM)由于采用直軸電流脈沖改變永磁體的磁化水平，在弱磁時不會產(chǎn)生持續(xù)的銅耗，受到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。文獻[4]介紹了記憶電機的結(jié)構(gòu)特征，其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)永磁同步電機相同，轉(zhuǎn)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，其形狀為近似梯形。這種電機在弱磁運行時，在定子繞組施加一個直軸電流脈沖，改變永磁體的磁化水平，并將這個時刻的工作點記憶下來。相比傳統(tǒng)永磁電機，該電機能在有效調(diào)節(jié)勵磁的同時保持較高的功率密度。文獻[5] 給出了設(shè)計記憶電機需注意的一些要點，計算了該電機永磁體所允許的有效徑向長度。文獻[6] 提出了一種混合勵磁永磁記憶電機，其永磁體由近似梯形的鋁鎳鈷永磁體和矩形的釹鐵硼永磁體兩部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由永磁體、非磁性夾層和鐵心交替排列而成。文獻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)。

本文將記憶電機的概念融入到SEPMM中，設(shè)計了一臺混合勵磁開關(guān)磁通永磁記憶電機(Switched Flux Hybrid Magnet Memory Motor,SFHMMM)，分析了其工作原理[7-9]。在Ansoft Maxwell 2D仿真軟件下建立了仿真模型，給出了永磁體在不同磁化狀態(tài)下的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動勢曲線、氣隙磁密曲線，分析了所設(shè)計電機的性能特點，論證了該電機在永磁電機弱磁增速領(lǐng)域的優(yōu)點。

1 電機拓撲及工作原理分析

1. 1 電機基本結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的SFHMMM采用6/5極結(jié)構(gòu)，圖1為電機截面結(jié)構(gòu)圖，其定轉(zhuǎn)子均采用凸極齒槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子部分與開關(guān)磁阻電機較為相似，上面并未安裝永磁體和線圈繞組。定子部分采用U型硅鋼片疊壓而成，相鄰兩個U型硅鋼片之間鑲嵌有切向充磁的釹鐵硼永磁體，在U型硅鋼片末端裝設(shè)徑向充磁的鋁鎳鈷永磁體，鋁鎳鈷永磁體外側(cè)裝有定子軛環(huán)。定子電樞繞組纏繞在相鄰兩個U型硅鋼片的齒上。由于本文所設(shè)計的電機永磁磁路和電樞反應(yīng)磁路不同，不能通過直軸電樞電流調(diào)節(jié)鋁鎳鈷永磁體的磁化水平，因此在鋁鎳鈷永磁體上裝設(shè)專門的調(diào)磁線圈，通過調(diào)磁線圈施加電流可改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平和極性。表1列出了仿真電機的相關(guān)結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)。

圖1 電機截面結(jié)構(gòu)圖

1. 2 電機運行原理

本文所設(shè)計的SFHMMM轉(zhuǎn)子部分與開關(guān)磁阻電機非常相似，其轉(zhuǎn)矩與開關(guān)磁阻電機一樣具有磁阻性質(zhì)。電機運行時，產(chǎn)生的磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，磁路中磁場發(fā)生扭曲的部分將會產(chǎn)生切向磁場力，形成電磁轉(zhuǎn)矩。

表1 仿真電機的相關(guān)結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)表

本文所設(shè)計電機的一個定轉(zhuǎn)子齒單元如圖2所示。假設(shè)相鄰兩個轉(zhuǎn)子極的中性線分別與一個定子硅鋼片的左右兩個鐵心的中性線重合。當(dāng)轉(zhuǎn)子從一個位置移動到另一個位置時， 電樞繞組里匝鏈的磁通在數(shù)量上保持不變，但方向反向，這就是開關(guān)磁通電機的一個磁通切換過程。本文所設(shè)計的SFHMMM每相永磁磁鏈為雙極性，其每相永磁磁鏈及相應(yīng)的反電勢波形在一個轉(zhuǎn)子極距內(nèi)接近正弦分布，可采用正弦波電流供電運行。

圖2 定轉(zhuǎn)子齒單元結(jié)構(gòu)示意圖

本文所設(shè)計電機的簡化永磁磁路模型如圖3所示。圖3中，F(xiàn)nfb和Flcf分別為釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體產(chǎn)生的磁動勢，Λnfb和Λlcf分別為釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體所在定子磁通回路的磁導(dǎo)，Λg和Λr分別為氣隙磁通回路和轉(zhuǎn)子磁通回路的磁導(dǎo)。由圖3可知，釹鐵硼和鋁鎳鈷兩種永磁體磁路并聯(lián)連接，因此研究兩者之間的耦合效應(yīng)是一個非常重要的問題。為了減少漏磁通，使兩種永磁體都運行在較高的工作點，需要謹慎選擇永磁體的厚度和長度。

圖3 電機簡化永磁磁路模型

1. 3 電機數(shù)學(xué)模型

電機電周期頻率和電角速度滿足式(1)。

(1)

式中:ω——電角速度;f——電周期頻率;pr——轉(zhuǎn)子極數(shù)，本文中取5;Ω——機械角速度。

忽略永磁體損耗、磁滯損耗和渦流損耗，忽略飽和。電機的電壓方程為

(2)

式中:U——相電壓列向量;R——繞組電阻矩陣;i——相電流列向量;θ——轉(zhuǎn)子位置角;ψPM、ψL——永磁體磁鏈列向量和電樞磁鏈列向量。

(3)

其中,永磁體磁鏈ψPM為轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)，即

(4)

電樞磁鏈ψL為相電流i和轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)，即

(5)

因此，電樞磁鏈ψLk可表示為

(6)

式中:L——繞組電感矩陣。

(7)

將式(7)代入式(2)，可得到以相電流i為狀態(tài)變量的電壓方程:

(8)

1. 4 電機調(diào)磁特性

本文所設(shè)計的SFHMMM調(diào)磁繞組產(chǎn)生的磁通主要沿兩條路徑閉合，如圖4所示。其中較長的一條穿過氣隙兩次(回路1)，較短的一條通過在釹鐵硼永磁體后側(cè)專門設(shè)計的磁橋閉合(回路2)。假如沒有設(shè)計磁橋，磁化電流產(chǎn)生的磁通只能通過回路1閉合，由于氣隙和處于較為飽和狀態(tài)的定子齒磁導(dǎo)率較小，回路1的總磁導(dǎo)較小，進行調(diào)磁操作時就需要施加較大的調(diào)磁電流。為了減小調(diào)磁時必須的調(diào)磁電流，需要通過設(shè)置專門的磁橋來建立如回路2所示的短磁通回路，以增大調(diào)磁磁通回路的總磁導(dǎo)。但是回路2同時也會增加漏磁通，減小相磁鏈，因此，在磁路設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計磁橋的寬度極為重要。

圖4 電機調(diào)磁磁通回路模型

為了減小調(diào)磁電流，調(diào)磁電流脈沖必須在定子極和轉(zhuǎn)子極對齊時施加,如圖4所示。對于定子極數(shù)為6的電機，每隔60°電角度就會有一個轉(zhuǎn)子極與一個定子極對齊，因此,在一個完整的調(diào)磁過程中需要施加6個去磁電流脈沖。

2 有限元分析

本文采用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件對電機進行有限元分析。在有限元剖分時，對于不同轉(zhuǎn)子位置，模型的剖分網(wǎng)格保持不變。電機仿真模型的剖分圖如圖5所示。

圖5 電機有限元剖分圖

2. 1 電機調(diào)磁特性有限元分析

圖6為鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)下SFHMMM的空載磁力線分布圖，圖6中箭頭表示各永磁體的充磁方向。

圖6 鋁鎳鈷永磁體不同磁化狀態(tài)下電機磁力線分布圖

由圖6可知，通過施加不同的調(diào)磁電流來改變鋁鎳鈷永磁體的磁化狀態(tài)，可以增強或減弱釹鐵硼永磁體永磁體產(chǎn)生的磁場，有效地進行調(diào)磁。當(dāng)電機處于增磁狀態(tài)時[如圖6(a)所示]，鋁鎳鈷永磁體產(chǎn)生正的磁鏈以增強永磁體產(chǎn)生的磁場，此時電機磁通主要集中在主極部分，定子外部軛環(huán)上磁通較小，電機定轉(zhuǎn)子極及氣隙部分磁密較大。當(dāng)鋁鎳鈷永磁體處于非磁化狀態(tài)時[對應(yīng)圖6(b)所示的正常運行狀態(tài)]，會有少部分的漏磁通穿過鋁鎳鈷永磁體并通過定子軛環(huán)形成回路，此時主極磁通較增磁時較小。當(dāng)電機處于弱磁狀態(tài)時[如圖6(c)所示]，釹鐵硼永磁體永磁體產(chǎn)生的大部分磁通經(jīng)過鋁鎳鈷永磁體與定子軛環(huán)短路，此時主極磁通較小。需要指出，當(dāng)電機增磁運行時，電機增磁過程趨于非線性，使得增磁操作相較于弱磁操作要困難得多。

調(diào)查結(jié)果顯示，醫(yī)護工作者剛?cè)肼殨r職業(yè)認同水平較高，隨著時間的推移其認同水平逐漸下降。因此，需積極關(guān)注醫(yī)護工作者的身心健康，定期開展相關(guān)活動，如心理疏導(dǎo)活動、文娛健身活動、聯(lián)誼活動等為醫(yī)護工作者減壓。管理者要主動關(guān)心醫(yī)護工作者，對產(chǎn)生職業(yè)倦怠的醫(yī)護工作者予以理解。同時，緊張的醫(yī)患關(guān)系已經(jīng)影響到醫(yī)護工作者的職業(yè)認同水平，積極改善醫(yī)患關(guān)系是提高其職業(yè)認同水平的有效措施?？梢远ㄆ谂e辦相關(guān)活動，邀請病人及其家屬參加，改變其對醫(yī)護工作的觀念，建立和諧醫(yī)患關(guān)系。

2. 2 相磁鏈和反電動勢曲線分析

圖7為電機正常運行時(鋁鎳鈷永磁體處于非磁化狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min)的三相磁鏈曲線和三相反電動勢曲線。

圖7 電機三相磁鏈及反電動勢曲線

由圖7可知，本文所設(shè)計的SFHMMM正常運行時相磁鏈和反電動勢的諧波分量較少，具有較好的正弦性。

圖8為鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的單相磁鏈和反電動勢曲線。

由圖8可知，通過在調(diào)磁線圈施加不同的調(diào)磁電流，改變鋁鎳鈷永磁體的極性，可以有效地調(diào)節(jié)電機的單相磁鏈和反電動勢的幅值，且在調(diào)磁過程中，單相磁鏈與反電動勢曲線始終保持較好的正弦性。

2. 3 氣隙磁密分布分析

圖9為鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的氣隙磁通密度分布曲線。表2記錄了鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的平均氣隙磁密。

表2 鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的平均氣隙磁密

由圖9中波形曲線和表2中數(shù)據(jù)可知，通過施加調(diào)磁電流改變鋁鎳鈷永磁體的極性，電機氣隙磁密會發(fā)生顯著變化，進一步說明本文所設(shè)計的電機具有良好的調(diào)磁性能。

2. 4 電機轉(zhuǎn)矩分析

圖10為鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的轉(zhuǎn)矩波形。

由圖10可知，當(dāng)鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時，電機的轉(zhuǎn)矩也發(fā)生顯著變化。但觀察其數(shù)值可知，與常規(guī)永磁同步電機相比，本文所設(shè)計的SFHMMM轉(zhuǎn)矩明顯偏小。

圖8 鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的單相磁鏈和反電動勢曲線

圖9 鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的氣隙磁通密度分布曲線

圖10 鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時電機的轉(zhuǎn)矩波形

根據(jù)電機設(shè)計的基本理論，任意電機的平均轉(zhuǎn)矩均可用式(9)表示。

(9)

式中：CAB——與電磁負荷有關(guān)的常數(shù);lef——電機軸長;D0——電機外徑;λ——電機裂比，表征定子內(nèi)外徑之比。

由式(9)可知，如果2臺電機的幾何尺寸相似，即有相似的軸長和外徑，同時電磁負荷相近，則其轉(zhuǎn)矩主要取決于裂比λ。對于本文所設(shè)計的SFHMMM，由于其兩種永磁體都設(shè)置在定子上，并且外部還裝設(shè)了用以固定鋁鎳鈷永磁體的軛環(huán)，使得電機裂比λ大大減小，從而限制了電機的轉(zhuǎn)矩。這是本文所設(shè)計電機存在的不足之處。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種SFHMMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件對該電機進行建模仿真，利用有限元的方法分析了該電機的性能，給出了鋁鎳鈷永磁體處于不同磁化狀態(tài)時的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動勢曲線、磁通密度分布曲線和轉(zhuǎn)矩波形曲線。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的SFHMMM具有良好的調(diào)磁性能，通過在調(diào)磁線圈施加不同的調(diào)磁電流脈沖，可以改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平和極性，進而增強或減弱釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的主磁場。但是相較于常規(guī)永磁同步電機，本文所設(shè)計的電機由于將永磁體設(shè)置在定子上，減小了電機的裂比，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。這是本文所設(shè)計的SFHMMM有待改進的地方。

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Design and Flux-Adjusting Performance Analysis of Switched Flux Hybrid Magnet Memory Motor

JIANGChunhui1,TIANYudong1,2

(1. Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200340, China)

A switched flux hybrid magnet memory motor was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The operation principle of the motor was analyzed. The flux adjusting 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, magnetic flux density curves and torque waveform curves under different magnetizing state of AlNiCo PMs were given. The simulation results showed that compared with the traditional permanent magnet synchronous moto, the motor had good flux adjusting ability.

hybrid magnet; switched flux machine; memory motor; flux adjusting

上海市產(chǎn)學(xué)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(shè)計。 田玉冬(1968—)男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制、電機設(shè)計和控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)05- 0070- 07

2016 -09 -19