初 秋， 車(chē) 爽， 李春艷

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(PMSM)具有功率密度高、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各行業(yè)[1-3]。稀土永磁材料作為一種不可再生的戰(zhàn)略資源，是我國(guó)高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵材料之一。傳統(tǒng)PMSM多采用稀土永磁材料。然而，隨著國(guó)家對(duì)稀土永磁材料監(jiān)管力度的加大，稀土永磁材料需求量的日益增長(zhǎng)等多方面原因的影響，近年來(lái)稀土永磁材料價(jià)格大幅上漲[4-6]。為了降低PMSM對(duì)稀土永磁材料的依賴(lài)性。近年來(lái)，少稀土PMSM引起國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者的興趣和關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究工作。少稀土PMSM采用稀土永磁材料和非稀土永磁材料共同勵(lì)磁。通過(guò)對(duì)兩種永磁材料合理設(shè)計(jì)，降低稀土永磁材料用量[7-8]，達(dá)到電機(jī)所需的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)[9]提出一種隔磁橋式雙層外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)。轉(zhuǎn)子外層采用弧形鐵氧體永磁材料，內(nèi)層置入釹鐵硼永磁材料。該電機(jī)采用串聯(lián)磁路，通過(guò)與基準(zhǔn)永磁電機(jī)對(duì)比，進(jìn)行有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電機(jī)有效減少稀土永磁材料的用量，增加了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]提出一種帶有容錯(cuò)齒的少稀土永磁電機(jī)，提出的兩種電機(jī)模型，在同時(shí)使用單層集中繞組和容錯(cuò)齒的條件下，通過(guò)分析該電機(jī)永磁體串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)得出結(jié)論，并聯(lián)結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)，可有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有較高的電磁轉(zhuǎn)矩，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)，具有相對(duì)較小的電磁轉(zhuǎn)矩。兩種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)均具有較高容錯(cuò)性能。通過(guò)對(duì)比可知該電機(jī)在并聯(lián)磁路具有更好的容錯(cuò)性。文獻(xiàn)[11]提出一種將Halbach陣列和組合型磁極相結(jié)合的具有容錯(cuò)性能的永磁電機(jī)。通過(guò)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中添加鐵氧體磁環(huán)以改善電機(jī)性能，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該電機(jī)可有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩和電機(jī)總諧波畸變率，但該電機(jī)整體電磁轉(zhuǎn)矩略有減小?？梢?jiàn)，研究少稀土PMSM結(jié)構(gòu)和控制方法對(duì)擺脫稀土永磁材料的依賴(lài)以及降低制造成本具有十分重要的意義和價(jià)值。

本文主要提出一種少稀土組合磁極Halbach PMSM，其中轉(zhuǎn)子磁鋼采用釹鐵硼永磁材料和鐵氧體永磁材料。Halbach陣列具有單邊聚磁特性，能夠提供較高的氣隙磁通密度，采用Halbach陣列的PMSM有利于實(shí)現(xiàn)PMSM高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，因此少稀土組合磁極Halbach PMSM轉(zhuǎn)子引入Halbach陣列。本文設(shè)計(jì)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，采用單參數(shù)掃描法以電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用定子斜槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步優(yōu)化，并利用有限元進(jìn)行分析，驗(yàn)證該電機(jī)理論分析設(shè)計(jì)的合理性。

1 Halbach陣列及電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 Halbach陣列

與傳統(tǒng)表貼式電機(jī)相比，采用Halbach陣列，可改善氣隙磁密波形的正弦度，提供相對(duì)較大的氣隙磁通密度基波幅值，降低齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。Halbach陣列還具有單邊聚磁特性，可使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)一側(cè)相對(duì)增強(qiáng)，提高電機(jī)效率[12]。可通過(guò)改變每極永磁體塊數(shù)、永磁體充磁方向以及永磁體厚度等，優(yōu)化電機(jī)電磁性能。圖1(a)為采用組合磁極Halbach PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及永磁體充磁方向示意圖。如圖1(b)所示，每個(gè)磁極由組合而成的主磁極和兩側(cè)輔磁極組成，充磁角度為θi，表達(dá)式如下：

圖1 Halbach永磁體結(jié)構(gòu)及充磁方向

θi=(1±p)×θ

(1)

式中：θi為第i塊永磁體的充磁角度；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；θ為第i塊永磁體幾何中線與橫坐標(biāo)的夾角；“+”和“-”分別對(duì)應(yīng)外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文提出少稀土組合磁極Halbach PMSM，以設(shè)計(jì)達(dá)到與稀土PMSM相同的轉(zhuǎn)矩輸出能力為目標(biāo)的前提下降低電機(jī)的制造成本，擺脫對(duì)稀土永磁材料的依賴(lài)，在電機(jī)應(yīng)用上具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。少稀土組合磁極Halbach PMSM的結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該電機(jī)采用4極36槽雙層繞組結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)子磁鋼采用稀土釹鐵硼和非稀土鐵氧體兩種永磁材料共同勵(lì)磁。采用Halbach陣列，主磁極為雙層磁鋼，上層磁鋼采用高磁能積的釹鐵硼永磁材料，下層磁鋼采用價(jià)格低廉的鐵氧體永磁材料。利用Maxwell建立電機(jī)模型，少稀土組合磁極Halbach PMSM的額定參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)額定參數(shù)

該電機(jī)在空載條件下磁場(chǎng)分布如圖3所示，其中圖3(a)為該電機(jī)在空載條件下的磁密云圖，圖3(b)為該電機(jī)在空載條件下的磁力線分布圖?？梢钥闯鲈撾姍C(jī)磁通密度在合理范圍內(nèi)，定子和轉(zhuǎn)子處磁密基本不超過(guò)1.5 T，最大磁密為1.61 T左右，初步驗(yàn)證了該電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的合理性。

2 電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法

電磁轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)作為表示電機(jī)性能的重要指標(biāo)，為該電機(jī)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。選擇合適的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)是優(yōu)化電機(jī)的關(guān)鍵，將每極永磁體塊數(shù)、永磁體充磁角度、永磁體材料和永磁體厚度這4個(gè)參數(shù)作為該電機(jī)的優(yōu)化對(duì)象。采用單參數(shù)掃描法分析優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

2.2 每極永磁塊數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

在兩種永磁體用量分別相同的前提下，分析每極永磁體塊數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響。將主磁極雙層磁鋼結(jié)構(gòu)原則上作為一塊永磁體分析，根據(jù)式(1)求出每一磁極下不同塊數(shù)永磁體對(duì)應(yīng)的充磁角度。在額定負(fù)載條件下對(duì)取每極永磁體塊數(shù)2～5塊進(jìn)行分析，不同永磁體塊數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響，如圖4所示。

圖4 每極永磁體塊數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

由圖4可以看出，隨著每極永磁體塊數(shù)的增加，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩先減小后增大。由圖5可知，在永磁體體積相同的條件下，每極永磁體分塊可降低其渦流損耗。但每極永磁體塊數(shù)的增加，會(huì)導(dǎo)致永磁體生產(chǎn)、電機(jī)加工和安裝難度增加等問(wèn)題?？梢钥闯霎?dāng)每極永磁體塊數(shù)為3塊時(shí)，此時(shí)充磁角度為30°，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最低點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩滿足少稀土組合磁極Halbach PMSM額定轉(zhuǎn)矩需求。

圖5 每極永磁體塊數(shù)對(duì)渦流損耗的影響

2.3 永磁材料充磁角度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證充磁角度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響，保持每極永磁體塊數(shù)為3塊不變，改變輔磁極充磁角度，在0°～90°之間，每隔10°取一個(gè)值。得到永磁體充磁角度對(duì)少稀土組合磁極Halbach PMSM轉(zhuǎn)矩性能的影響，如圖6所示。

圖6 永磁體充磁角度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

從圖6可知，隨著充磁角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩隨充磁角度的變化先減小在增大?？梢钥闯鲈撾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩性能在20°～40°呈現(xiàn)相對(duì)理想狀態(tài)。

2.4 永磁材料對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

當(dāng)鐵氧體材料固定時(shí)，選取N30、N35、N40、N45、N50這5種不同的稀土釹鐵硼材料，分析不同釹鐵硼材料對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響情況，如圖7所示?？梢钥闯霎?dāng)釹鐵硼材料變化時(shí)，隨著釹鐵硼材料性能的加強(qiáng)，電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩均隨之增加。這是因?yàn)橛来挪牧闲阅茉胶?，剩磁和矯頑力越大，永磁體每極提供的磁鏈越多。由PMSM的轉(zhuǎn)矩方程可知，永磁體提供的每極磁鏈越多，永磁轉(zhuǎn)矩越大，越有利于提高電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。釹鐵硼材料的主要性能如表2所示。

表2 釹鐵硼材料主要性能

圖7 釹鐵硼材料對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

保持釹鐵硼材料不變，鐵氧體材料分別選取Y20、Y25、Y30、Y35、Y40、Y43這6種材料，分析不同鐵氧體材料對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響情況，如圖8所示。隨著鐵氧體材料的性能變化，電磁轉(zhuǎn)矩增大，而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩隨之減小。鐵氧體材料的主要性能如表3所示。

表3 鐵氧體材料主要性能

圖8 鐵氧體材料對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

2.5 永磁材料厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

保持永磁體材料、永磁體外徑不變的條件下，分析在相同充磁角度下永磁體厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的影響。

保持鐵氧體厚度不變，釹鐵硼厚度變化范圍在2～6 mm，每隔1 mm取一個(gè)值進(jìn)行分析。釹鐵硼厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的影響如圖9所示?？梢缘弥?，隨著釹鐵硼厚度的增加，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增加，在釹鐵硼厚度到達(dá)4 mm后達(dá)到微飽和狀態(tài)，之后釹鐵硼厚度增加，電磁轉(zhuǎn)矩緩慢增大。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩均隨著釹鐵硼厚度的增加而隨之增大。

圖9 釹鐵硼厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

保持釹鐵硼材料厚度的固定，鐵氧體厚度變化范圍在5～13 mm，每隔2 mm取一個(gè)值進(jìn)行分析。鐵氧體厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的影響，如圖10所示?？梢钥闯?，隨著鐵氧體厚度的增加，電磁轉(zhuǎn)矩先增加，鐵氧體厚度在9 mm附近處達(dá)到峰值，之后鐵氧體厚度增加電磁轉(zhuǎn)矩緩慢減小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨著鐵氧體厚度的增加而變大，鐵氧體厚度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響不大，可以看出隨著鐵氧體厚度增加齒槽轉(zhuǎn)矩整體上略有下降。

圖10 鐵氧體厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響

3 斜槽優(yōu)化設(shè)計(jì)

以上分析可知電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為200 mN·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為4.77 N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩約占額定轉(zhuǎn)矩的4.1%。為進(jìn)一步降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，采用電機(jī)定子斜槽結(jié)構(gòu)。直槽時(shí)定子槽傾斜0°，選取定子斜槽角度在2°～8°范圍變化時(shí)分析直槽和不同斜槽角度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響如圖11所示，直槽和斜槽時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖12所示。

圖11 斜槽角度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

圖12 斜槽0°、6°、8°時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

定子斜槽角度在2°～8°范圍內(nèi)，斜槽角度越大，齒槽轉(zhuǎn)矩越小。選取斜槽角度為6°時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩為60.8 mN·m，約占額定轉(zhuǎn)矩的1.27%。與直槽時(shí)200 mN·m相比，數(shù)值上齒槽轉(zhuǎn)矩下降了70%，達(dá)到了較好的優(yōu)化結(jié)果，更有利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

分析直槽和不同斜槽角度對(duì)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩以及額定負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，分別如圖13和圖14所示。直槽和斜槽對(duì)應(yīng)的負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩圖如圖15所示。

圖13 斜槽角度對(duì)額定負(fù)載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

圖14 斜槽角度對(duì)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響

圖15 斜槽0°、6°、8°時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比

定子斜槽角度在2°～8°范圍內(nèi)，隨著斜槽角度的增加，電磁轉(zhuǎn)矩微降，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也更小。選取斜槽角度為6°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為4.92 N·m，與直槽4.97 N·m相比，電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值上下降了0.8%，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩仍能夠達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩的要求。負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從直槽時(shí)的6.4%下降到了斜槽角度6°時(shí)的3.5%，脈動(dòng)數(shù)值上下降了45%。結(jié)合齒槽轉(zhuǎn)矩和負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩及波動(dòng)綜合考慮，優(yōu)化后的斜槽角度選取為6°。

4 有限元磁場(chǎng)分析

通過(guò)對(duì)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用有限元軟件對(duì)該電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真分析結(jié)果如表4所示。

表4 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.1 過(guò)載和退磁分析

利用有限元對(duì)電流進(jìn)行參數(shù)化掃描，從1.0 p.u.額定電流開(kāi)始每增加0.5 p.u.為一步，得到電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)輸入電流的變化曲線，如圖16所示。電流從1.0 p.u.額定電流上升到3.0 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩與電流呈線性增長(zhǎng)，可以看出電機(jī)具有較高過(guò)載能力，滿足電機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

圖16 電磁轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線

電機(jī)在過(guò)載電流時(shí)的鐵氧體磁密分布圖如圖17所示。已知Y40鐵氧體的退磁曲線拐點(diǎn)磁密約為0.11 T，磁密低于此拐點(diǎn)則認(rèn)為該永磁體出現(xiàn)不可逆退磁。由圖17(a)可知，在過(guò)載電流達(dá)到額定電流的1.5 p.u.時(shí)，鐵氧體邊緣處磁密為0.12 T不存在退磁，從圖17(b)中看出當(dāng)過(guò)載電流達(dá)到額定電流的3.0 p.u.時(shí)，鐵氧體在邊緣處磁密為0.08 T，有小范圍退磁。電機(jī)整體退磁情況符合設(shè)計(jì)的需求。在實(shí)際生產(chǎn)中，該電機(jī)一般工作在額定電流，最大電流應(yīng)限制小于3.0 p.u.的額定電流。

圖17 過(guò)載下永磁體磁密分布圖

4.2 電磁性能分析

圖18為優(yōu)化后該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖。電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)幅值為294 V，有效值為186 V。圖19為優(yōu)化后該電機(jī)空載情況下氣隙磁密變化波形圖。

圖18 空載反電動(dòng)勢(shì)波形

圖19 氣隙磁密波形

少稀土組合磁極Halbach PMSM在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖20所示。該電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行能夠輸出的額定負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩平均值為4.92 N·m，電機(jī)空載摩擦轉(zhuǎn)矩按電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的3%估算，空載摩擦轉(zhuǎn)矩約為0.14 N·m，得出輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為4.78 N·m。換算為機(jī)械功率750.5 W，滿足額定輸出功率的要求。該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.5%，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖20 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種新型少稀土組合磁極Halbach PMSM。該電機(jī)主磁極采用釹鐵硼和鐵氧體共同勵(lì)磁，輔助磁極采用鐵氧體勵(lì)磁。少稀土組合磁極Halbach PMSM在達(dá)到普通稀土PMSM相同功率的條件下能夠降低稀土永磁材料的用量。減少了傳統(tǒng)PMSM對(duì)稀土永磁材料的依賴(lài)，同時(shí)通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、有限元仿真驗(yàn)證了該電機(jī)的電磁性能及該電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性。