混合勵磁永磁記憶電機弱磁性能分析

姜春輝，田玉冬

(上海電機學(xué)院，上海 201306)

混合勵磁永磁記憶電機弱磁性能分析

姜春輝，田玉冬

(上海電機學(xué)院，上海 201306)

設(shè)計了一種混合勵磁永磁記憶電機，采用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件建立了仿真模型，采用有限元的分析方法，研究了電機的弱磁性能。給出了去磁時的回復(fù)線方程和充磁時的局部磁滯回線方程。對電機施加不同的直軸去磁電流，分析電機的磁力線分布和永磁體的磁密矢量分布，給出了電機在不同磁化電流下的相磁鏈曲線。仿真結(jié)果表明，該記憶電機具有良好的弱磁性能，同時在弱磁運行時能夠保證電機始終具有一定的氣隙磁密。

混合勵磁；可變磁通；記憶電機；弱磁

0 引 言

永磁同步電機因其具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，功率因數(shù)和效率高，較小的尺寸就能得到較大的功率和轉(zhuǎn)矩，易于實現(xiàn)精密控制等特點，已被越來越廣泛的使用，其發(fā)展前景很廣闊。但永磁同步電動機轉(zhuǎn)子永磁體一旦專設(shè)完畢，其勵磁難以調(diào)節(jié)，同時電機運行又受到其功率容量限制，導(dǎo)致其弱磁擴速困難，調(diào)速范圍小。

永磁同步電機在進行弱磁操作時，往往需要施加一持續(xù)的直軸電流，通過電機電樞反應(yīng)產(chǎn)生電樞電動勢，對電機磁場產(chǎn)生削弱作用，但是持續(xù)的定子直軸電流增加了電機運行時的電樞損耗，而且當直軸電流較大時，永磁體可能發(fā)生不可逆退磁現(xiàn)象。

可變磁通永磁記憶電機(VFMM)是最早由德國學(xué)者Vlado Ostovic于2001年提出的一種新型永磁同步電機，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，受到越來越多研究學(xué)者的重視。

文獻[1]分析了Vlado Ostovic所提出的這種記憶電機的結(jié)構(gòu)特征，與傳統(tǒng)的永磁電機不同，該電機的永磁體形狀為近似梯形，Vlado Ostovic制作了一臺樣機并與傳統(tǒng)的永磁電機進行了比較。文獻[2]給出了設(shè)計記憶電機所需注意的一些要點，并通過計算得出了該記憶電機永磁體允許的最大徑向長度。文獻[3]通過有限元的分析方法，得出了永磁體采用不同的形狀時電機的弱磁性能差別，探討了電機的磁通密度隨永磁體形狀的變化規(guī)律，論證了該記憶電機采用梯形永磁體的合理性。文獻[4]探討了采用梯形永磁體的記憶電機的施加去磁電流時的弱磁原理。文獻[5]建立了可變磁通永磁記憶電機永磁體連續(xù)去磁和重新充磁的磁化模型，給出了去磁時的回復(fù)線方程和充磁時的局部磁滯回線方程，通過仿真研究給出了施加不同定子直軸去磁電流時記憶電機的磁力線分布分磁通密度矢量分布，采用有限元的方法計算了電機在施加不同去磁電流時的氣隙磁密、反電動勢、每極氣隙磁通、相磁鏈等參數(shù)。文獻[6]提出一種混合勵磁永磁記憶電機，研究了電機工作在不同磁化狀態(tài)下永磁體的靜態(tài)特性?；谟邢拊ǎo出了不同去磁電流下電機的磁場分布曲線圖、反電動勢和單相磁鏈曲線圖以及永磁體的磁密矢量變化圖。文獻[7]提出了一種應(yīng)用于電動汽車的新型定子永磁型磁通記憶式游標電機，將磁通記憶的概念和游標結(jié)構(gòu)運用到定子永磁型電機中，采用了具有高剩磁、低矯頑力的鋁鎳鈷永磁體和磁化繞組，能夠方便地實現(xiàn)弱磁控制，同時不會產(chǎn)生額外的功率孫涵，能夠有效拓電機的寬調(diào)速范圍。

本文設(shè)計了一種混合勵磁VFMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件建立仿真模型，對VFMM在不同弱磁運行狀況下永磁體的工作特征進行了分析，得出了永磁體處于不同磁化水平下電機的磁密矢量分布、磁力線分布、相磁鏈曲線等電機特性，并比較了所設(shè)計記憶電機與常規(guī)內(nèi)置式切向充磁永磁同步電機弱磁性能。

1 電機結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1電機結(jié)構(gòu)

圖1為本文所設(shè)計的混合勵磁VFMM的1/4截面圖，該電機共有4極、24個槽，定子線圈采用單層繞組，并聯(lián)支路數(shù)為1，其結(jié)構(gòu)和繞組分相方式與常規(guī)永磁同步電機相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由混合勵磁的永磁體、鐵心和非磁性夾層交替排列而成。其中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，且鋁鎳鈷永磁體兩側(cè)都設(shè)有非磁性材料構(gòu)成的隔磁裝置。在轉(zhuǎn)子各極之間增設(shè)非磁性夾層，可以增加交軸磁阻，降低交軸上產(chǎn)生的壓降，增加電機運行效率。定轉(zhuǎn)子鐵心材料為硅鋼片DW465-50，非磁性夾層材料為鋁。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 VFMM截面結(jié)構(gòu)

名稱數(shù)值名稱數(shù)值定子外徑d/mm120每槽導(dǎo)體數(shù)60定子內(nèi)徑d/mm75轉(zhuǎn)子外徑d/mm74電機軸長l/mm65轉(zhuǎn)子內(nèi)徑d/mm36鋁鎳鈷Br/T1.05鋁鎳鈷Hc/(kA·m-1)110釹鐵硼B(yǎng)r/T1.2釹鐵硼Hc/(kA·m-1)988額定功率p/kW3額定電壓u/V220額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)1500工作溫度T/℃75

1.2永磁體記憶原理

圖2[5]為永磁體在去磁和充磁時的磁滯回線，其主磁滯回環(huán)由上升分支和下降分支兩部分組成，分別對應(yīng)圖中的g(H)和f(H)。永磁體飽和磁化后其工作點位于下降分支的拐點上方。圖2(a)所示為永磁體去磁時的磁滯回線圖，在電機弱磁運行時，永磁體的工作點將會沿著下降分支降低，弱磁操作完成后，去除去磁電流，永磁體的工作點將沿回復(fù)線上升(如圖2(a)中K1，K2，K3)。

圖2(b)為永磁體重新充磁時的磁滯回線圖，圖中M點為去磁操作完成后的某一工作點，對永磁體施加增磁電流進行重新充磁，其工作點將沿局部上升分支Φ(H)上升至N點，增磁操作完成后，永磁體將工作在下降曲線Q(H)上。

(a)去磁(b)充磁

圖2永磁體磁滯回線[5]

進行上述去磁操作時，如果施加去磁電流后，永磁體的工作點下降位置處于拐點以上，弱磁操作完成后，其工作點將沿原上升分支返回初始處，此時電機的磁度難以被記憶。如果去磁后永磁體的工作點位于拐點以下，去磁電流去除后，工作點沿回復(fù)線對磁通密度進行回復(fù)，此時電機的磁密將會被記憶。

本文所設(shè)計的電機采用矩形釹鐵硼永磁體和近似梯形鋁鎳鈷永磁體混合勵磁的方式，由鋁鎳鈷永磁體實現(xiàn)記憶功能，同時釹鐵硼永磁體的存在保證電機在弱磁運行時能獲得較大的氣隙磁密和功率密度，缺點是減少了電機的調(diào)磁范圍。由于鋁鎳鈷永磁體的形狀為近似梯形，電機進行弱磁操作時內(nèi)側(cè)永磁體率先被磁化，因此只需施加較小的去磁電流，就可使內(nèi)側(cè)永磁體的工作點下降到拐點以下，即使近似梯形永磁體的平均工作點仍在拐點以上，也能對永磁體起到有效去磁的作用。

1.3永磁體的工作點確定

采用有限元方法對電機進行分析，忽略鐵心渦流和磁滯效應(yīng)，將磁場簡化為二維場。

根據(jù)電機學(xué)基本理論，在磁性材料中磁場強度與磁感應(yīng)強度間的關(guān)系：

(1)

式中：v0為真空磁阻率；M為永磁體磁化強度；H為磁場強度；B為磁感應(yīng)強度。

結(jié)合有限元處理電磁問題的麥克斯韋微分方程組，選取矢量磁位A為求解位函數(shù)，可以得到電機磁場的邊值問題：

(2)

式中：JS為電樞繞組電流密度 。

2 有限元分析

本文采用Ansoft Maxwell 2D仿真程序?qū)﹄姍C進行有限元分析，在建立仿真模型時，需要對整個電機進行剖分，將仿真模型分割成許多小塊，本例采用Maxwell 2D仿真軟件中的Inside Selection剖分設(shè)置，圖3為所建立的電機仿真模型的剖分圖。

圖3 電機有限元剖分圖

圖4為施加不同定子直軸去磁電流后的磁力線分布圖。

(a)id=0(b)id=-3A

(c)id=-6A(d)id=-9A

圖4施加不同定子直軸去磁電流后的磁力線分布圖

由圖4可知，電機施加3 A的去磁電流時，鋁鎳鈷永磁體靠近轉(zhuǎn)軸側(cè)部分發(fā)生漏磁現(xiàn)象，而釹鐵硼永磁體的磁化水平并未受到影響，隨著去磁電流的增大，出現(xiàn)漏磁的部分逐漸增大，當去磁電流增大到9 A是鋁鎳鈷永磁體幾乎產(chǎn)生主磁通，且釹鐵硼永磁體靠近鋁鎳鈷永磁體側(cè)也受到影響產(chǎn)生部分漏磁，但釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的磁通仍主要為主磁通。

下面考察施加定子直軸去磁電流后永磁體上磁密矢量的變化。圖5為施加不同定子去磁電流后永磁體的磁密矢量圖。

(a)id=0(b)id=-3A

(c)id=-6A(d)id=-9A

圖5施加不同定子直軸去磁電流后永磁體磁密矢量無

由圖5可知，施加定子直軸去磁電流后，鋁鎳鈷永磁體靠近轉(zhuǎn)軸側(cè)部分出現(xiàn)了磁密近似為零的區(qū)域，隨著去磁電流的不斷增大，磁密近似為零的區(qū)域不斷向定子側(cè)擴大，當直軸去磁電流增大為9 A時，鋁鎳鈷永磁體上磁密達到了一個極小的值。且隨著直軸去磁電流的增大，釹鐵硼永磁體上的磁密也在不斷減小，但總體變化幅度不顯著，保證了電機運行時能有足夠的氣息磁密和電流密度。

圖6為施加不同定子電樞去磁電流后A相繞組磁鏈關(guān)系曲線。

圖6 施加不同定子電樞去磁電流后

由圖6中曲線可知，施加直軸去磁電流后，磁鏈曲線具有波動性，且曲線的峰值降低，施加的去磁電流越大，磁鏈的波動性越強，其峰值也相應(yīng)降低。

表2為施加相同的去磁電流時普通內(nèi)置式切向充磁永磁同步電機與本文所設(shè)計的記憶電機氣隙中線出平均氣隙磁密對比，表中第1行為普通內(nèi)置式切向充磁永磁同步電機在分別施加0 A，3 A，6 A，9 A時氣隙中線處的平均氣隙磁密，第2行為實加相同電流時本文所設(shè)計記憶電機氣隙中線處的平均氣隙磁密。

表2 普通永磁電機與記憶電機弱磁特性對比表

由表2中數(shù)據(jù)可知，本文所設(shè)計的記憶電機與普通內(nèi)置式切向充磁永磁同步電機相比，由于采用了矯頑力和剩磁密度相對較小的鋁鎳鈷永磁材料，使得電機的空載氣隙磁密相應(yīng)減小，但獲得了較好的弱磁性能，使該記憶電機與普通永磁同步電機相比具有更寬的調(diào)速范圍。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種混合勵磁永磁記憶電機，利用AnsoftMaxwell2D仿真軟件對該電機進行建模仿真，采用有限元的分析方法探討了該電機的弱磁性能，給出了當永磁體處于不同磁化強度下電機運行的磁力線曲線圖、磁密矢量分布圖、單相磁鏈曲線圖以描述電機的弱磁特性。仿真結(jié)果表明，該混合勵磁永磁記憶電機具有良好的弱磁性能，該電機的弱磁和記憶功能主要由鋁鎳鈷永磁體實現(xiàn)，當電機施加去磁電流后，在鋁鎳鈷永磁體靠近轉(zhuǎn)軸處會形成去磁區(qū)域，且隨著去磁電流的增大，去磁區(qū)域也不斷擴大，這個過程中釹鐵硼永磁體的磁化水平始終保持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，保證電機正常工作。

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AnalysisofFlux-WeakeningPropertiesofHybridExcitationPermanentMagnetMemoryMotor

JIANGChun-hui，TIANYu-dong

(Shanghai Dianji University，Shanghai 201306,China)

A hybrid permanent magnet (PM) variable flux memory motor (VFMM) was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The flux weakening of the motor was researched by using the finite element analysis method. Recoil line equation under demagnetization and local hysteresis curve equation under remagnetization are given. Different direct axis current is applied to the motor. The motor's flux_lines and the permanent magnets' flux density vector was analysed. The motor's fluxlinkage of winding a under different magnetizing current was given. The simulation results show that the motor has good flux weakening ability. And the motor has a certain air gap magnetic density in weak magnetic operation.

hybrid permanent magnet; variable flux; memory motor; flux weakening

2016-05-12

TM351

：A

：1004-7018(2016)11-0030-04

姜春輝(1991-), 男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機設(shè)計。