異步起動(dòng)永磁電機(jī)最大去磁工作點(diǎn)計(jì)算新方法及抗退磁新結(jié)構(gòu)

盧偉甫 ，趙海森 ，樸潤(rùn)浩 ，2，劉明基

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.金策工業(yè)綜合大學(xué) 電氣工程系，朝鮮 平壤 999093）

0 引言

異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)LSPMSM（Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor）能夠?qū)崿F(xiàn)異步起動(dòng)，并且具有高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，然而在實(shí)際推廣應(yīng)用中，退磁問(wèn)題成為制約其發(fā)展的瓶頸。永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，考核抗退磁能力的主要指標(biāo)是最大去磁工作點(diǎn)，即最大退磁磁場(chǎng)作用下的永磁體工作點(diǎn)磁密，該指標(biāo)通常與磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)［3］。其影響因素主要是工作溫度與退磁磁場(chǎng)大?。?-5］。通常情況下，較高工作溫度會(huì)導(dǎo)致永磁體（釹鐵硼）退磁曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，而電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生較大退磁磁場(chǎng)［6］，使得永磁體工作點(diǎn)低于退磁曲線拐點(diǎn)，導(dǎo)致永磁體矯頑力降低，產(chǎn)生不可逆退磁。因此，在電磁設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確計(jì)算并合理設(shè)計(jì)永磁體最大去磁工作點(diǎn)，進(jìn)而提出有效可行的提高永磁電機(jī)抗退磁能力的技術(shù)措施，成為目前LSPMSM設(shè)計(jì)中急需解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

在最大去磁工作點(diǎn)計(jì)算方法方面，傳統(tǒng)磁路法無(wú)法計(jì)及永磁體的局部退磁，難以準(zhǔn)確反映永磁體的實(shí)際工作狀態(tài)，需采用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算最嚴(yán)重去磁情況下電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，使永磁體內(nèi)最低局部工作點(diǎn)高于最高工作溫度下退磁曲線的拐點(diǎn)，以保證電機(jī)不發(fā)生局部退磁［7-9］。文獻(xiàn)［10］利用有限元數(shù)值法分析了LSPMSM起動(dòng)過(guò)程中最大去磁電流下永磁體的局部退磁分布情況，但最大去磁電流仍是通過(guò)等效電路方程計(jì)算得到，未計(jì)及場(chǎng)與路之間的耦合作用。

在提高電機(jī)抗退磁能力方面，通常采用優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)以減小退磁磁場(chǎng)或改進(jìn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)以抑制永磁體溫升等方法實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［11］分析對(duì)比了電機(jī)分別采用單、雙層及V型永磁體3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的退磁特性。文獻(xiàn)［12］表明轉(zhuǎn)子側(cè)加隔磁橋并采用雙鼠籠結(jié)構(gòu)，可抑制永磁體退磁。文獻(xiàn)［13］研究了永磁體高度及等效氣隙長(zhǎng)度對(duì)退磁風(fēng)險(xiǎn)的影響。文獻(xiàn)［14］通過(guò)改善冷卻措施可顯著降低永磁體表面溫度，從而有效防止不可逆退磁。

為了準(zhǔn)確計(jì)算起動(dòng)過(guò)程中最大退磁磁場(chǎng)，得出LSPMSM考慮局部退磁的最大去磁工作點(diǎn)，本文提出一種抗退磁能力校核新方法。該方法一方面利用計(jì)及飽和非線性、諧波磁場(chǎng)等多種因素影響的場(chǎng)-路-運(yùn)動(dòng)耦合時(shí)步有限元法，分析起動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)刻的磁場(chǎng)分布，確定了永磁體最容易退磁的位置并揭示了退磁磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；另一方面通過(guò)給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的時(shí)步有限元模型，計(jì)算電機(jī)在堵轉(zhuǎn)到同步速一系列給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的退磁磁場(chǎng)，最終得到最大去磁工作點(diǎn)。進(jìn)一步以一臺(tái)22 kW樣機(jī)為例，對(duì)其抗退磁能力進(jìn)行分析，提出一種基于復(fù)合材料的用于提高最大去磁工作點(diǎn)的LSPMSM的轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)退磁磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 起動(dòng)過(guò)程中退磁磁場(chǎng)時(shí)步有限元研究

1.1 永磁體最容易去磁局部位置的確定

為預(yù)防起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生局部退磁，首先確定最容易退磁位置，將其作為考核單元分析起動(dòng)過(guò)程中退磁磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。以一臺(tái)22 kW 8極鑄鋁沖片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)LSPMSM為分析模型，電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 22 kW LSPMSM樣機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of 22 kW LSPMSM prototype

首先分析轉(zhuǎn)子表面退磁磁場(chǎng)透入轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部的情況，沿單個(gè)轉(zhuǎn)子磁極極間徑向，取處于不同位置的單元，如處于氣隙位置的a單元、鑄鋁導(dǎo)條位置的b單元、轉(zhuǎn)子鐵芯位置的c單元，及分別位于永磁體中心及邊角位置的d和e單元，如圖1所示。以電機(jī)重載起動(dòng)為例，采用場(chǎng)-路-運(yùn)動(dòng)耦合時(shí)步有限元法［6］，計(jì)算得到起動(dòng)過(guò)程中a—e單元磁密B隨時(shí)間變化的曲線，如圖2所示。

圖1 單個(gè)轉(zhuǎn)子磁極不同位置單元Fig.1 Elements at different positions in single-pole rotor

圖2 重載起動(dòng)過(guò)程中不同位置磁密隨時(shí)間變化的曲線Fig.2 Flux density variation during heavy-load startup for different positions

圖2中，氣隙諧波磁場(chǎng)的存在導(dǎo)致氣隙單元磁密隨時(shí)間變化的波形較為雜亂；由于鐵磁材料以及鑄鋁導(dǎo)條的集膚效應(yīng)，越深入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，諧波磁場(chǎng)越弱。較氣隙和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條位置，處于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的永磁體受諧波磁場(chǎng)影響小，磁密波形光滑。d單元與c單元大致處于同一個(gè)徑向位置上，這2個(gè)位置的磁密變化波形相似。e單元與其他永磁體單元相比漏磁較大，在任意時(shí)刻磁密都較低，更容易受退磁磁場(chǎng)影響，該位置即為最容易退磁位置。故選擇e單元作為考核單元，研究起動(dòng)過(guò)程中退磁磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

1.2 起動(dòng)過(guò)程中退磁磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

起動(dòng)過(guò)程中，由定子繞組電流和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流共同產(chǎn)生的同步速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，超前以轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)的永磁磁場(chǎng)δ空間電角度。cosδ可表征同步磁場(chǎng)作用在永磁磁場(chǎng)方向上的分量的正負(fù)和大小，當(dāng)cosδ＞0時(shí)，同步磁場(chǎng)對(duì)永磁體起增磁作用，永磁體內(nèi)磁密增大；當(dāng)cosδ＜0時(shí)，同步磁場(chǎng)相對(duì)永磁體即為退磁磁場(chǎng)，永磁體內(nèi)磁密減小，當(dāng) cosδ=－1（即 δ=π）時(shí)，去磁作用較強(qiáng)，永磁體磁密較低［15］。

圖3為利用時(shí)步有限元法分析得到的重載起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr、cosδ和永磁體考核單元磁密Bte。由圖3所示結(jié)果可以看出，LSPMSM重載起動(dòng)過(guò)程中多次出現(xiàn)同步磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)反相時(shí)刻（即cosδ=-1的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)圖 3 中標(biāo)記點(diǎn)“×”），因此 Bte多次出現(xiàn)較低點(diǎn)。為觀察反相時(shí)刻退磁磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖4給出了Bte隨轉(zhuǎn)速nr變化的曲線。同時(shí)，表2列出了每個(gè)反相時(shí)刻（圖4中標(biāo)記點(diǎn)“×”）下的轉(zhuǎn)速nrl和永磁體考核單元工作點(diǎn)磁密Btel。

圖3 重載起動(dòng)過(guò)程中nr、cosδ、Bte隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curves of nr，cosδ and Bte during heavy-load startup

圖4 重載起動(dòng)過(guò)程中，永磁體最容易去磁位置單元磁密Bte隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Curve of Btevs.rotor speed during heavy-load startup

表2 重載起動(dòng)過(guò)程中反相時(shí)刻對(duì)應(yīng)的nrl和BtelTable 2 nrland Btelat reverse instants during heavy-load startup

由圖4和表2可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率較大，永磁體磁密波動(dòng)較快，且定子起動(dòng)電流幅值較大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值較小，定、轉(zhuǎn)子電流合成的同步磁場(chǎng)相對(duì)較弱，對(duì)永磁磁場(chǎng)影響較小，因此永磁體磁密波動(dòng)幅值較小。隨著轉(zhuǎn)速升高，同步磁場(chǎng)增大，波動(dòng)幅值增大，反相時(shí)刻下的Btel減小。在該重載起動(dòng)過(guò)程中最后一個(gè)cosδ=-1時(shí)刻（如圖3和圖4中的圓圈標(biāo)記），轉(zhuǎn)速nrl達(dá)到85%同步速。此時(shí)，同步磁場(chǎng)對(duì)永磁磁場(chǎng)的去磁作用最強(qiáng)，從而使得永磁體考核單元工作點(diǎn)達(dá)到該重載起動(dòng)過(guò)程中的最低點(diǎn)。

雖然該重載起動(dòng)過(guò)程中的最后一個(gè)cosδ=-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到85%的同步速，但是該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最低工作點(diǎn)還不是真正意義上的設(shè)計(jì)校核用的最大去磁工作點(diǎn)。因?yàn)槿绻鸏SPMSM在更惡劣的情 況 下 起 動(dòng) ，LSPMSM 長(zhǎng) 時(shí) 間 爬 行［16］， 最 后 一 個(gè)cosδ=-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速更大，即更接近同步速時(shí)，退磁磁場(chǎng)更大。因此，為了找出真正意義上的最大去磁工作點(diǎn)，需要建立計(jì)算模擬各個(gè)特定轉(zhuǎn)速下退磁磁場(chǎng)的有限元模型。

2 最大退磁磁場(chǎng)的有限元計(jì)算

2.1 分析計(jì)算方法

計(jì)算某一特定轉(zhuǎn)速下退磁磁場(chǎng)的方法是：假設(shè)永磁電機(jī)在轉(zhuǎn)差率s下異步穩(wěn)定運(yùn)行，在δ=π時(shí)刻的同步速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即為該轉(zhuǎn)速下的退磁磁場(chǎng)。由于要模擬LSPMSM在某一特定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，所以需將時(shí)步有限元運(yùn)動(dòng)方程中的轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度設(shè)定為某一給定轉(zhuǎn)速 sΩn［17］，其中 Ωn為同步速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。當(dāng)s=0時(shí)，表明給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。某一給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下退磁磁場(chǎng)有限元計(jì)算模型如下式所示：

式（1）中，第1行為磁場(chǎng)方程，其中A為矢量磁位，F(xiàn)A為永磁體等效面電流形成的列向量，K為節(jié)點(diǎn)向量磁位系數(shù)矩陣，S、E分別為定、轉(zhuǎn)子電流對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣，P為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條渦流項(xiàng)對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣；第2行為定子電路方程，其中Us為定子三相電壓列向量，Is為定子三相電流組成的列向量，Rs、Lσs分別為定子繞組電阻、電感系數(shù)矩陣，M為定子電路方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣；第3行為轉(zhuǎn)子電路方程，其中Ir為轉(zhuǎn)子端環(huán)電流向量，Rr、Lσr分別為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻、電感系數(shù)矩陣，N為轉(zhuǎn)子電路方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣；第4行和第5行為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，其中Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，θ為轉(zhuǎn)子位置角，Δt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

2.2 異步轉(zhuǎn)速下退磁磁場(chǎng)計(jì)算

采用2.1節(jié)給定轉(zhuǎn)速有限元分析方法計(jì)算各個(gè)異步轉(zhuǎn)速下的退磁磁場(chǎng)如圖5所示，圖中給出了s=0.65和s=0.15時(shí)各個(gè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)情況下，一個(gè)基頻脈動(dòng)周期T0／s（T0表示電源的工頻周期）內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem、定子三相電流IABC、cosδ和Bte隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 異步轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的Tem、IABC、cosδ、BteFig.5 Curves of Tem，IABC，cosδ and Btein steady-state operation at asynchronous speed

由圖5可見(jiàn)，異步轉(zhuǎn)速下同步磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相對(duì)旋轉(zhuǎn)0～2π電角度，Bte作相應(yīng)的波動(dòng)變化，當(dāng)同步磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)方向相反（即cosδ=-1時(shí)刻）時(shí)，Bte出現(xiàn)較低點(diǎn)，此刻的同步磁場(chǎng)即為該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的退磁磁場(chǎng)。隨著轉(zhuǎn)差率s減小，電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅值明顯減小，定、轉(zhuǎn)子電流幅值減小，相應(yīng)的同步磁場(chǎng)增大，因此在反相時(shí)刻退磁磁場(chǎng)增大。s=0.65和s=0.15異步轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的永磁體考核單元最低工作點(diǎn)磁密分別為-0.21 T、-0.3269 T。

2.3 同步速下退磁磁場(chǎng)計(jì)算

采用2.1節(jié)給定轉(zhuǎn)速有限元分析方法，計(jì)算轉(zhuǎn)差率s=0即同步速情況下的退磁磁場(chǎng)。同步速下同步磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相對(duì)位置，與轉(zhuǎn)子初始位置角和電壓源初始相位值有關(guān)。為了得到不同相對(duì)位置下的永磁體工作點(diǎn)，本文保持轉(zhuǎn)子初始位置角不變，通過(guò)改變電壓源初始相位角，計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)δ在-90°～270°范圍內(nèi)永磁體考核單元的工作點(diǎn)變化情況。

以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)δ=180°為例，計(jì)算得到一個(gè)工頻周期內(nèi)定子三相電流IABC和永磁體考核單元工作點(diǎn)磁密Bte如圖6所示。由圖6結(jié)果可知，相比于異步速，同步速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)定子電流幅值恒定，永磁體工作點(diǎn)Bte保持不變。計(jì)算得到不同δ下的Bte，如圖7所示。

圖6 s=1、δ=180°穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下 IABC和 BteFig.6 IABCand Btein steady-state operation when s=1 and δ=180°

圖7 不同δ同步速下的BteFig.7 Curve of Btevs.δ at synchronous speed

由圖 7 可見(jiàn)，當(dāng)-90°<δ<90°時(shí)，同步磁場(chǎng)對(duì)永磁體起增磁作用；當(dāng)90°<δ<270°時(shí)，同步磁場(chǎng)對(duì)永磁體起去磁作用；當(dāng)δ=180°時(shí)，永磁體工作點(diǎn)Bte較低，此刻的同步磁場(chǎng)即為同步速下對(duì)應(yīng)的最大退磁磁場(chǎng)。

2.4 最大去磁工作點(diǎn)確定

表3列出了利用2.1節(jié)給定轉(zhuǎn)速時(shí)步有限元模型計(jì)算得到的各個(gè)轉(zhuǎn)速nrl對(duì)應(yīng)的退磁磁場(chǎng)作用下的永磁體考核單元磁密Btel。由表3中的結(jié)果可知，各轉(zhuǎn)速下的退磁磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。同步速下的退磁磁場(chǎng)達(dá)到最大退磁磁場(chǎng)，同時(shí)該退磁磁場(chǎng)作用下的考核單元磁密即為L(zhǎng)SPMSM的最大去磁工作點(diǎn)磁密。

表3 各轉(zhuǎn)速退磁磁場(chǎng)作用下BtelTable 3 Btelin demagnetization field for different rotor speeds

將表3中永磁體考核單元磁密與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線，與表2利用時(shí)步有限元計(jì)算的實(shí)際起動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)出現(xiàn)的永磁磁場(chǎng)與同步磁場(chǎng)反相時(shí)考核單元磁密與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線進(jìn)行了比較，如圖8所示。

圖8 給定轉(zhuǎn)速有限元模型和時(shí)步有限元模型的退磁磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較Fig.8 Comparison of calculated demagnetization field between constant-speed finite element model and time-stepping finite element model

通過(guò)圖8中的對(duì)比曲線可知，兩者計(jì)算結(jié)果基本一致。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于約5%同步速時(shí)，兩者之間存在一定誤差。主要原因是LSPMSM起動(dòng)初期，定子電流中存在非周期分量，三相電流除產(chǎn)生一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空間靜止不動(dòng)的衰減磁場(chǎng)［18］。該磁場(chǎng)會(huì)影響起動(dòng)初始階段的磁路飽和程度以及氣隙磁密波動(dòng)幅值，而給定轉(zhuǎn)速有限元模型并沒(méi)有計(jì)及這一衰減磁場(chǎng)，所以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較小時(shí)兩者計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定的誤差?？紤]到給定轉(zhuǎn)速有限元模型的主要目的是計(jì)算同步速時(shí)的最大退磁磁場(chǎng)。所以上述計(jì)算誤差不會(huì)影響最大去磁工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此，文中給定轉(zhuǎn)速有限元模型計(jì)算最大退磁磁場(chǎng)并得到校核所用的最大去磁工作點(diǎn)是可行的。

3 提高抗退磁能力的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)

3.1 理論角度定性分析

如何減小作用到永磁體的退磁磁場(chǎng)，從而提高電機(jī)抗退磁能力是進(jìn)一步考慮的問(wèn)題［19］。本文提出一種復(fù)合材料轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)，即在普通轉(zhuǎn)子導(dǎo)條兩側(cè)增加容易制造的導(dǎo)磁導(dǎo)電復(fù)合材料，在不降低起動(dòng)性能的基礎(chǔ)上為退磁磁場(chǎng)提供漏磁路，減少透入永磁體的退磁磁場(chǎng)。改進(jìn)槽型結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 復(fù)合材料導(dǎo)條結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of composite material bar

3.2 抗退磁能力比較

利用2.1節(jié)有限元分析方法，計(jì)算得到電機(jī)采用改進(jìn)槽型后各個(gè)轉(zhuǎn)速下的退磁磁場(chǎng)，與采用原有槽型比較，如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，改進(jìn)槽型后，各轉(zhuǎn)速下作用到永磁體的退磁磁場(chǎng)明顯減小，同步速對(duì)應(yīng)的最大去磁工作點(diǎn)磁密為-0.1466T，與原有槽型的-0.37T相比，提高了60.38%。同時(shí)圖11給出了同步速最大退磁磁場(chǎng)作用下2種結(jié)構(gòu)電機(jī)每極轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布圖?？梢?jiàn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)電機(jī)永磁體平均工作點(diǎn)高于普通槽型電機(jī)。復(fù)合材料轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)可為進(jìn)一步深入研究如何提高LSPMSM抗退磁能力提供理論依據(jù)。

圖10 普通轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和復(fù)合材料導(dǎo)條電機(jī)退磁磁場(chǎng)比較Fig.10 Comparison of demagnetization field between normal bar and composite material bar

圖11 最大退磁磁場(chǎng)作用下2種結(jié)構(gòu)電機(jī)磁場(chǎng)分布圖Fig.11 Flux distribution in largest demagnetization field for two motor structures

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

永磁電機(jī)是否發(fā)生了不可逆退磁一般通過(guò)考核空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0是否明顯降低來(lái)判斷［20］，并未涉及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量。為驗(yàn)證有限元模型計(jì)算分析起動(dòng)過(guò)程中退磁磁場(chǎng)的有效性，本文采用文獻(xiàn)［21］所述的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)普通籠型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量，測(cè)試時(shí)在被測(cè)永磁體一側(cè)，開(kāi)一個(gè)狹窄的安放霍爾磁場(chǎng)測(cè)量元件的槽，霍爾輸入輸出信號(hào)線經(jīng)轉(zhuǎn)軸的中心鉆孔引出，并與滑環(huán)相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)線的動(dòng)靜轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

永磁同步電機(jī)的定子繞組通電起動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)牧愠跏妓俣戎饾u加速到同步速，將實(shí)時(shí)測(cè)量得到的與時(shí)步有限元計(jì)算得到的瞬態(tài)起動(dòng)過(guò)程中永磁體某一單元磁場(chǎng)變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖12 起動(dòng)過(guò)程永磁體磁場(chǎng)測(cè)量與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison between calculated and measured permanent magnet flux densities during startup

由圖12可見(jiàn)，實(shí)測(cè)得到實(shí)驗(yàn)樣機(jī)起動(dòng)過(guò)程中永磁體磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果基本一致。由于所用霍爾測(cè)量元件量程范圍有限，且仿真條件如磁場(chǎng)測(cè)量位置、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、永磁體矯頑力等不能完全等同于實(shí)際運(yùn)行條件，導(dǎo)致實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上存在一定差異。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果都表明LSPMSM起動(dòng)過(guò)程中存在較強(qiáng)退磁磁場(chǎng)，永磁體工作點(diǎn)多次處于較低點(diǎn)，容易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不可逆退磁。實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)了采用有限元計(jì)算最大退磁磁場(chǎng)的必要性和可行性；實(shí)時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)方法還為檢驗(yàn)永磁電機(jī)抗退磁能力設(shè)計(jì)是否滿足要求、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件是否安全提供一種手段。

5 結(jié)論

a.利用計(jì)及飽和、渦流等多種因素影響的有限元法，計(jì)算得到的同步速下永磁體最容易去磁位置的最低工作點(diǎn)，即為準(zhǔn)確校核LSPMSM抗退磁能力的最大去磁工作點(diǎn)；

b.最大去磁工作點(diǎn)的磁密大小與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，本文提出一種有利于提高LSPMSM抗退磁能力的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子鼠籠新結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)導(dǎo)條結(jié)構(gòu)電機(jī)，永磁體最大去磁工作點(diǎn)磁密提高約60.4%；

c.通過(guò)設(shè)計(jì)用于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)起動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)退磁磁場(chǎng)的測(cè)量。驗(yàn)證了起動(dòng)過(guò)程中永磁體工作點(diǎn)多次處于較低點(diǎn)容易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)退磁這一特點(diǎn)，進(jìn)一步表明本文計(jì)算最大去磁工作點(diǎn)方法的有效性和必要性。

本文研究成果為準(zhǔn)確校核LSPMSM抗退磁能力提供一種方法，并為深入研究抗退磁措施從而預(yù)防永磁電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中退磁提供必要的理論支撐。

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