基于多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通電機(jī)有限元分析①

黃 佳， 江才林

(1．同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海201804;2．同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804)

0 引言

在電機(jī)領(lǐng)域中，受普通永磁材料固有特性的限制，傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)很難調(diào)節(jié)，這使得電動(dòng)運(yùn)行時(shí)調(diào)速范圍十分有限，極大地限制了永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等寬調(diào)速直驅(qū)領(lǐng)域的應(yīng)用．為此，如何實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)成為近年來(lái)電機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)．一種通過(guò)改變永磁體磁化水平來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，被稱(chēng)為混合永磁型可控磁通電機(jī)，正在受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1]．一些諸如“U”型[2]、“V”型[3]、“W”型[4]的混合永磁型可控磁通電機(jī)相繼被許多專(zhuān)家學(xué)者提出．然而，這些不同結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁電機(jī)均采用單層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在電機(jī)通過(guò)三相定子電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁通控制時(shí)，往往需要較大的電流值．

為了解決較大的定子控制電流，本文提出一種三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁同步電機(jī)，利用有限元軟件對(duì)該電機(jī)的空載特性、工作狀態(tài)特性、電機(jī)狀態(tài)改變的磁通控制特性進(jìn)行仿真分析．

1 三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可控磁通電機(jī)模型

1．1 電機(jī)模型及功能介紹

三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可控磁通永磁電機(jī)的剖面圖如圖1所示:

該可控磁通電機(jī)的定子與傳統(tǒng)永磁電機(jī)的定子相同，繞組為雙層整數(shù)槽繞組，能夠在一定程度上減少電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)諧波、電流諧波以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[5]．轉(zhuǎn)子為內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)，包含釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體，分三層放置．釹鐵硼位于第一、二層的兩側(cè)和第三層，其充磁方向固定不變，為電機(jī)提供主要的氣隙磁通;鋁鎳鈷位于第一、二層的中間位置，其充磁方向受大小和方向均可變的d軸電流控制，作為磁通可控部分．

該電機(jī)有兩種工作狀態(tài):助磁狀態(tài)和去磁狀態(tài)，電機(jī)在這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由d軸電流控制．當(dāng)鋁鎳鈷的充磁方向和釹鐵硼充磁方向相同時(shí)，電機(jī)工作在助磁狀態(tài)，處于第一、二層的鋁鎳鈷矯頑力較低，對(duì)氣隙磁通貢獻(xiàn)不大，但能將處于第三層的釹鐵硼產(chǎn)生的磁通導(dǎo)向定子側(cè)，增強(qiáng)電機(jī)的氣隙磁密，保證電機(jī)具有較好的驅(qū)動(dòng)性能．當(dāng)鋁鎳鈷的充磁方向和釹鐵硼充磁方向相反時(shí)，電機(jī)工作在去磁狀態(tài)，處于第一、二層的鋁鎳鈷將兩側(cè)和第三層的釹鐵硼產(chǎn)生的磁通短路在轉(zhuǎn)子側(cè)，此時(shí)電機(jī)的氣隙磁密最弱，達(dá)到了弱磁擴(kuò)速的目的，增大了電機(jī)調(diào)速范圍．

1．2 電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁電機(jī)采用Id=0控制策略，負(fù)載電流即為q軸電流Iq，對(duì)處于第一、二層中間位置的鋁鎳鈷永磁體幾乎無(wú)影響，保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)定．三層永磁體兩側(cè)均采用空氣作為隔磁結(jié)構(gòu)，增大了q軸的電感，充分利用了電機(jī)凸極效應(yīng)，增大轉(zhuǎn)矩．位于第二層兩側(cè)的空氣隔磁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度大于第一層的釹鐵硼長(zhǎng)度，減弱了去磁狀態(tài)時(shí)釹鐵硼對(duì)鋁鎳鈷的反向磁化，保證了電機(jī)弱磁的能力;同時(shí)，在鋁鎳鈷由去磁狀態(tài)變?yōu)橹胖艩顟B(tài)時(shí)，阻礙了d軸電流產(chǎn)生的磁通通向兩側(cè)的釹鐵硼，保證了鋁鎳鈷能迅速被反向磁化．

2 三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可控磁通電機(jī)電磁分析

該電機(jī)模型采用8極48槽結(jié)構(gòu)，采用Y型連接雙層疊繞組，具體技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示．在有限元軟件中，可采用一對(duì)極下的區(qū)域進(jìn)行求解．

表1 8極48槽可控磁通永磁電機(jī)技術(shù)參數(shù)

針對(duì)新能源的車(chē)用電機(jī)的要求，主要對(duì)電機(jī)空載特性、電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性、電機(jī)磁通控制過(guò)程進(jìn)行電磁分析與仿真．

2．1 電機(jī)空載分析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，鋁鎳鈷永磁體正向充磁工作于助磁狀態(tài)時(shí)，在有限元軟件中進(jìn)行仿真．

空載時(shí)，電機(jī)工作在助磁狀態(tài)，電機(jī)氣隙磁密、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別如圖2、圖3所示:

圖2 鋁鎳鈷助磁時(shí)氣隙磁密沿氣隙中心線分布

圖3 鋁鎳鈷助磁時(shí)空載的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

由圖2可知，電機(jī)定子側(cè)最高氣隙磁密為761．088mT，表明電機(jī)有較好的驅(qū)動(dòng)能力．由圖3可知，其空載反電動(dòng)勢(shì)波形具有較高的正弦度．

在電機(jī)弱磁狀態(tài)下，鋁鎳鈷永磁體反向充磁工作于去磁狀態(tài)時(shí)，在有限元軟件中進(jìn)行仿真．

空載時(shí)，電機(jī)工作在去磁狀態(tài)，電機(jī)氣隙磁密分布、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別如圖4－圖5所示:

圖4 鋁鎳鈷去磁時(shí)氣隙磁密沿氣隙中心線分布

圖5 鋁鎳鈷去磁空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

由圖4可知，電機(jī)定子側(cè)最高氣隙磁密從助磁狀態(tài)下的761．088mT降到391．385mT，弱磁比約為2．圖5顯示去磁狀態(tài)下電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較低，表明電機(jī)在能夠弱磁的條件下具有較好的安全性能．

2．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性分析

根據(jù)電機(jī)特性及逆變器特性選擇電機(jī)最高工作電流密度為13A/mm2，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，采用Id=0控制滿載工況進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)矩如圖6所示:

圖6 電機(jī)助磁狀態(tài)加載電流時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖6可知，三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁同步電機(jī)在助磁狀態(tài)下加載電流，其轉(zhuǎn)矩最大值為75．7898Nm，雖然有一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但其幅值相對(duì)較小，能夠滿足實(shí)際使用要求．

2．3 電機(jī)狀態(tài)改變的磁通特性分析

對(duì)該三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁同步電機(jī)的兩種狀態(tài)(助磁狀態(tài)與去磁狀態(tài))下的鋁鎳鈷永磁體的充磁過(guò)程進(jìn)行有限元仿真．采用d軸負(fù)向電流，對(duì)第一層、第二層鋁鎳鈷去 磁狀態(tài)進(jìn)行充磁仿真，其內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖7所示:

圖7 鋁鎳鈷去磁狀態(tài)下內(nèi)部充磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小

由圖7可知，第一層、第二層鋁鎳鈷內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性較好，磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值為分別為91．788kA/m，93．356kA/m，根據(jù)鋁鎳鈷的退磁曲線可知，此時(shí)第一層和第二層的鋁鎳鈷永磁體充磁已經(jīng)接近飽和狀態(tài)．

采用d軸正向電流，對(duì)第一層、第二層鋁鎳鈷助磁狀態(tài)下進(jìn)行充磁仿真，鋁鎳鈷內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖8所示:

圖8 鋁鎳鈷助磁狀態(tài)下內(nèi)部充磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小

由圖8可知，第一層、第二層永磁體內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性較好，磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值分別為75．387kA/m，62．335kA/m，此時(shí)鋁鎳鈷的充磁尚未達(dá)到飽和狀態(tài)，然而，三相短路電流將會(huì)有一個(gè)很高的脈沖幅值，能夠?qū)⒃撚来朋w反向充磁達(dá)到飽和狀態(tài)．

由此可知，三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁同步電機(jī)在較小的控制電流下(13A/mm2)就能完成電機(jī)兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，大大減小了磁通控制電流，并且助磁工況下充磁到反向飽和相對(duì)于去磁工況下充磁到正向飽和程度難，這使得電機(jī)在正常工作狀況下能夠不受高次電流諧波的干擾，從而保證了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性．

3 結(jié)論

本文針對(duì)單層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可控磁通電機(jī)磁通控制電流過(guò)大的問(wèn)題，提出一種三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁電機(jī)，對(duì)該電機(jī)的特性及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)電機(jī)空載特性、工作狀態(tài)特性、電機(jī)磁通改變特性進(jìn)行了有限元仿真．仿真結(jié)果表明，該可控磁通永磁電機(jī)大大減小了磁通控制電流，并且能夠滿足實(shí)際使用要求．然而，本文中采用Id=0控制，沒(méi)有考慮效率最優(yōu)問(wèn)題，值得進(jìn)一步深入研究．

[1] 林鶴云，陽(yáng)輝，黃允凱，等．記憶電機(jī)的研究綜述及最新進(jìn)展[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(33):57 －67．

[2] Sakai K，Yuki K，Hashiba Y，et al．Principle of the Variable －magnetic－ force Memory Motor[C]//The 12th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS 2009)．Tokyo，Japan:IEEJ Industry Applications Society，2009:1 －6．

[3] 陳益廣，仲維剛，沈勇環(huán)．內(nèi)置混合式可控磁通永磁同步電機(jī)有限元分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(6):61 －66．

[4] 陳益廣，王穎，沈勇環(huán)，等．寬調(diào)速可控磁通永磁同步電機(jī)磁路設(shè)計(jì)和有限元分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(20):157－161．

[5] 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)(第2版)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．