王曉光，胡 雄，李新華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢430068)

0 引言

近年來，一種低成本的異步起動(dòng)鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī))受到人們的關(guān)注［1－3］。然而，異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)電流大，起動(dòng)過程鐵氧體永磁材料存在較大的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)［4－5］。因此，如何避免鐵氧鐵永磁材料出現(xiàn)不可逆退磁是異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)［6］研究了一種電動(dòng)汽車用鐵氧體永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它采用四層一形磁鋼布置，U形槽兩側(cè)沒有布置磁鋼，有效降低了磁鋼的退磁風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［7］中研究了鐵氧體永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)多種磁障結(jié)構(gòu)下鐵氧體的抗退磁能力，結(jié)論是磁障銳角倒角可改變磁力線分布，提高鐵氧體的抗退磁能力。文獻(xiàn)［8－9］采用場(chǎng)－路－運(yùn)動(dòng)耦合的時(shí)步有限元法，分析了轉(zhuǎn)子V形永磁體異步起動(dòng)釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī))起動(dòng)過程中不同負(fù)載條件下電樞反應(yīng)的退磁特點(diǎn)，但未結(jié)合電樞反應(yīng)強(qiáng)弱對(duì)所得數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)［10］采用二維有限元法研究了W形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)起動(dòng)過程中永磁體的退磁問題，但未討論導(dǎo)條布置方式對(duì)永磁體的退磁影響。相關(guān)文獻(xiàn)以同步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)和異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)居多，研究異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)退磁問題的較少。

本文以一臺(tái)7．5 kW異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)為例展開研究。首先介紹了分析異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)退磁問題的有限元瞬態(tài)場(chǎng)方法;其次，研究了不同導(dǎo)條以及磁鋼布置對(duì)電機(jī)不可逆退磁的影響，找到了一種降低鐵氧體退磁風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);最后對(duì)異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)和異步起動(dòng)釹鐵硼電動(dòng)進(jìn)行了比較。

1 導(dǎo)條均勻布置

1．1 分析模型

表1為異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，所選用鐵氧體磁鋼牌號(hào)為JPM－6B，其退磁曲線如圖1所示，圖2為異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)的仿真模型。

表1 異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)主要參數(shù)

圖1 JPM－6B退磁曲線

圖2 導(dǎo)條均勻布置電機(jī)仿真模型

圖1 的退磁曲線剩磁密度為0．43 T，矯頑力為310 kA/m，退磁曲線在 a點(diǎn)處尚未出現(xiàn)拐點(diǎn)(膝點(diǎn))，表明其不可逆退磁點(diǎn)在第三象限。本文默認(rèn)當(dāng)某一點(diǎn)磁密小于0時(shí)該點(diǎn)將發(fā)生不可逆退磁［11－12］。圖2的異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條為均勻布置。

1．2 分析方法

分析起動(dòng)過程中鐵氧體退磁情況，需要找到在哪個(gè)時(shí)刻電樞合成磁動(dòng)勢(shì)最大。圖3、圖4分別是起動(dòng)過程三相電樞電流波形和合成磁動(dòng)勢(shì)波形。可見，電樞合成磁動(dòng)勢(shì)在0～20 ms時(shí)間段內(nèi)幅值較大，此時(shí)段電樞反應(yīng)對(duì)永磁體存在退磁風(fēng)險(xiǎn)，需要給予特別關(guān)注。

圖3 起動(dòng)過程定子三相電流

圖4 起動(dòng)過程電樞合成磁動(dòng)勢(shì)

利用有限元方法進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到如圖5所示的A相電流幅值最大時(shí)刻磁鋼觀測(cè)線AB上的磁密分布。

圖5 6．75 ms時(shí)刻觀測(cè)線AB上的磁密分布

圖5 中所示，0～l1，l2～20 mm 兩條線段磁密均低于0，表明這兩段線上所有點(diǎn)均發(fā)生不可逆退磁。按上述方法對(duì)鐵氧體取多條觀測(cè)線，逐一找出每條觀測(cè)線上的所有不可逆退磁點(diǎn)，便可確定鐵氧體某一時(shí)刻的不可逆退磁區(qū)域。

1．3 分析結(jié)果

在0～20 ms時(shí)間段內(nèi)選擇多個(gè)時(shí)刻進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)仿真，得到如圖6所示的永磁體最大不可逆退磁區(qū)域(圖中磁鋼的黑色區(qū)域)。圖7為0～20 ms區(qū)間永磁體的退磁率。

圖6 導(dǎo)條均勻布置，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

圖7 電樞合成磁動(dòng)勢(shì)與鐵氧體不可逆退磁率曲線

從圖7可知，13 ms時(shí)磁鋼不可逆退磁率為最大，為72．1%。鐵氧體出現(xiàn)大面積退磁，會(huì)影響電機(jī)的起動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)性能，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩下降16.72%。另外，電樞合成磁動(dòng)勢(shì)和退磁率出現(xiàn)最大值的時(shí)刻并不相同，最大退磁率出現(xiàn)的時(shí)刻滯后于電樞合成磁動(dòng)勢(shì)的最大時(shí)刻。這是因?yàn)?，相同電樞繞組合成磁動(dòng)勢(shì)條件下，轉(zhuǎn)子所處位置對(duì)鐵氧體不可逆退磁有較大影響，即異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)起動(dòng)過程的退磁狀態(tài)不僅僅與電樞反應(yīng)強(qiáng)弱有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場(chǎng)相關(guān)。

根據(jù)上述分析，導(dǎo)條均勻布置方式會(huì)導(dǎo)致鐵氧體出現(xiàn)大面積不可逆退磁。因此，這種結(jié)構(gòu)并不適合異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)。

2 導(dǎo)條非均勻布置

2．1 導(dǎo)條直軸布置

對(duì)起動(dòng)籠導(dǎo)條直軸布置進(jìn)行分析。采用同樣方法對(duì)0～20 ms區(qū)間進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)仿真，不同時(shí)刻的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 導(dǎo)條直軸布置，不同時(shí)刻兩層鐵氧體的最大不可逆退磁區(qū)域

圖8 表明，與導(dǎo)條均勻分布不同，導(dǎo)條直軸分布二層鐵氧體的最大退磁區(qū)域并沒有出現(xiàn)在同一時(shí)刻，并且合成磁動(dòng)勢(shì)最大時(shí)刻(7．5 ms)也不是退磁最嚴(yán)重時(shí)刻(9 ms)。鐵氧體退磁率變化波形與圖7類似，鐵氧體最大退磁率達(dá)91．7%，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降22．3%?？梢妼?dǎo)條直軸布置永磁體不可逆退磁更加嚴(yán)重。

2．2 導(dǎo)條交軸布置

下面討論起動(dòng)籠導(dǎo)條交軸布置，對(duì)0～20 ms區(qū)間進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)仿真，鐵氧體最大不可逆退磁仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 導(dǎo)條交軸布置，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

由圖9可知，鐵氧體最大退磁率為68．4%，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降15．5%。特別地，電樞合成磁動(dòng)勢(shì)幅值最大時(shí)鐵氧體尚未出現(xiàn)不可逆退磁，再一次說明異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)起動(dòng)過程的退磁狀況不僅與電樞反應(yīng)強(qiáng)弱有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場(chǎng)位置有關(guān)。

與起動(dòng)籠導(dǎo)條直軸布置相比，導(dǎo)條交軸布置時(shí)磁鋼最大退磁率下降，說明導(dǎo)條交軸布置能提高電機(jī)鐵氧體磁鋼的抗去磁能力。

3 磁鋼布置方式

盡管導(dǎo)條交軸布置磁鋼退磁率有所降低，但仍出現(xiàn)了較大面積的不可逆退磁，為此，需要對(duì)永磁體布置方式進(jìn)行研究。

3．1 雙V形磁鋼布置

起動(dòng)籠導(dǎo)條交軸布置，導(dǎo)條尺寸與前面模型稍有不同;雙V形鐵氧體用量與雙U形相同。圖10為鐵氧體最大不可逆退區(qū)域的仿真結(jié)果。

由圖10可知，第二層鐵氧體退磁仍比較嚴(yán)重，最大退磁率為59．5%，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降14．1%。

圖10 磁鋼雙V形，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

3．2 雙一形磁鋼布置

現(xiàn)對(duì)磁鋼呈雙一形電機(jī)進(jìn)行分析。起動(dòng)籠導(dǎo)條和鐵氧體用量與圖10相同，圖11為鐵氧體最大不可逆退區(qū)域的仿真結(jié)果。

圖11 磁鋼雙一形，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

由圖11可知，雙一形磁鋼電機(jī)起動(dòng)過程中鐵氧體最大退磁率為3．4%，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降0．8%。可見，磁鋼布置方式對(duì)提升鐵氧體抗退磁能力效果明顯。

另外，對(duì)雙一形磁鋼布置配合導(dǎo)條均勻布置進(jìn)行退磁仿真。仿真結(jié)果表明，12 ms時(shí)該電機(jī)最大退磁率為21．5%，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降5．4%。

綜上，導(dǎo)條交軸布置與雙一形磁鋼布置相結(jié)合能較好地解決異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)的不可逆退磁問題。

4 兩種電機(jī)比較

下面對(duì)異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)和異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)進(jìn)行比較。除轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同外，電機(jī)其它參數(shù)均保持一致。電機(jī)的仿真模型如圖12所示，仿真和計(jì)算結(jié)果見圖13和表2。

圖12 兩種電機(jī)的仿真模型

圖13 兩種電機(jī)起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的仿真波形

由圖13可知，與異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)相比，異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)起動(dòng)階段轉(zhuǎn)速波形較為平滑，沒有大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，同步時(shí)間也有所提前。由表2可知，異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力比異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)稍低，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率要小;其次，異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)的效率和功率因數(shù)比異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)低1%，但起動(dòng)電流倍數(shù)有明顯下降。異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)過載電流小且過載能力與異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)相當(dāng);另外，異步起動(dòng)鐵氧鐵電機(jī)的永磁體成本比釹鐵硼低258元/臺(tái)，電機(jī)性價(jià)比提高。

表2 兩種電機(jī)部分仿真和計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

1)起動(dòng)籠導(dǎo)條交軸以及磁鋼雙一形布置方式能明顯提升異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)抗退磁能力，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力基本不變。

2)異步起動(dòng)鐵氧體電機(jī)起動(dòng)性能較好，穩(wěn)態(tài)性能略低于異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)，但性價(jià)比高。