一種外轉(zhuǎn)子可變磁通永磁記憶電機(jī)設(shè)計(jì)與弱磁性能分析*

姜春輝, 田玉冬

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

一種外轉(zhuǎn)子可變磁通永磁記憶電機(jī)設(shè)計(jì)與弱磁性能分析*

姜春輝, 田玉冬

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

設(shè)計(jì)了一種外轉(zhuǎn)子可變磁通永磁記憶電機(jī)，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件建立了電機(jī)模型，給出了永磁材料磁化特性和電機(jī)工作模型。采用有限元分析方法，對(duì)電機(jī)的弱磁性能進(jìn)行探究，給出了電機(jī)施加不同直軸去磁電流時(shí)的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動(dòng)勢(shì)曲線和磁通密度分布曲線。仿真結(jié)果表明，該電機(jī)具有良好的弱磁性能，其調(diào)磁過(guò)程主要通過(guò)改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平實(shí)現(xiàn)。

可變磁通永磁記憶電機(jī)；弱磁；外轉(zhuǎn)子

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)和效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、易于實(shí)現(xiàn)精密控制等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車(chē)、航天航空、工業(yè)傳動(dòng)、家用電器等諸多領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。但是，由于其轉(zhuǎn)子永磁體材料屬性的限制，傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)也存在一些缺點(diǎn)。通常，在傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)進(jìn)行弱磁操作時(shí)，需要施加一個(gè)持續(xù)的定子電流，這不僅會(huì)提高電機(jī)的損耗，也增加了永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致電機(jī)性能下降。為避免永磁體發(fā)生不可逆退磁，研究人員通常增大永磁體的尺寸，但這不僅增加了電機(jī)生產(chǎn)的成本，還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)功率密度的下降。此外，傳統(tǒng)永磁電機(jī)氣隙磁密調(diào)節(jié)困難，限制了其調(diào)速范圍。

為了增強(qiáng)永磁電機(jī)弱磁擴(kuò)速的能力，2001年,Vlado Ostovic教授設(shè)計(jì)了一種可變磁通永磁記憶電機(jī)(Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor，VFMM)。這種電機(jī)對(duì)永磁體的磁化強(qiáng)度具有記憶特性，通過(guò)直軸去磁電流改變其磁密水平。記憶電機(jī)具有較高的功率密度，同時(shí)其勵(lì)磁調(diào)節(jié)方便，具備良好的研發(fā)前景。

文獻(xiàn)[1]介紹了VFMM的基本結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，定子部分結(jié)構(gòu)相似，轉(zhuǎn)子永磁體采用具有低矯頑力和高剩磁密度的鋁鎳鈷永磁材料，形狀為近似梯形。這種電機(jī)進(jìn)行弱磁操作時(shí)，只需施加一個(gè)定子直軸電流脈沖，不會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，并可以將弱磁時(shí)的工作點(diǎn)記憶下來(lái)。Vlado Ostovic通過(guò)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了其在功率密度方面的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[2]分析了記憶電機(jī)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，論證了記憶電機(jī)永磁體的有效徑向長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[3]通過(guò)有限元的方法搭建了記憶電機(jī)的基本模型，分析了不同形狀的永磁體對(duì)電機(jī)弱磁性能的影響，探討了梯形永磁體對(duì)電機(jī)弱磁能力的增強(qiáng)作用。文獻(xiàn)[4]分析了梯形永磁體在記憶電機(jī)弱磁操作中的工作特性。文獻(xiàn)[5-6]提出了一種混合勵(lì)磁永磁記憶電機(jī)，其永磁體由兩部分構(gòu)成，分別為近似梯形的鋁鎳鈷永磁體和矩形的釹鐵硼永磁體，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由永磁體、非磁性?shī)A層和鐵心交替排列而成。研究了電機(jī)工作在不同磁化水平下永磁體的靜態(tài)特性，計(jì)算了不同永磁磁化狀態(tài)下的氣隙磁密、永磁磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)及每極氣隙磁通等電機(jī)主要參數(shù)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種“Y”型結(jié)構(gòu)永磁體的可變磁通記憶電機(jī)，將兩種永磁體嵌入“Y”型的轉(zhuǎn)子槽中，釹鐵硼永磁體產(chǎn)生大部分的氣隙磁密，鋁鎳鈷永磁體作為可變磁通永磁體用來(lái)調(diào)節(jié)磁通密度，通過(guò)控制直軸去磁電流可以改變鋁鎳鈷永磁體的磁化水平和磁化方向，而釹鐵硼永磁體的磁化反向始終保持不變。文獻(xiàn)[8]提出了使用附加定子繞組來(lái)改變軸向磁通的記憶電機(jī)，包括一個(gè)具有表貼式永磁體結(jié)構(gòu)的二轉(zhuǎn)子部件，永磁體徑向充磁至飽和，定子結(jié)構(gòu)部分為固體軛結(jié)構(gòu)，用來(lái)減少層間氣隙，部分為疊片結(jié)構(gòu)，附加定子繞組置于兩部分定子之間，提供可變的勵(lì)磁電流。

本文設(shè)計(jì)了一種新型外轉(zhuǎn)子VFMM[9-10]，在Ansoft Maxwell 2D仿真軟件中建立了仿真模型，分析了電機(jī)模型及弱磁原理，給出了施加不同直軸去磁電流后該電機(jī)的相磁鏈曲線、磁力線分布圖、氣隙磁密曲線及反電動(dòng)勢(shì)曲線等電機(jī)特性圖，分析了外轉(zhuǎn)子記憶電機(jī)的性能特點(diǎn)，論證了該電機(jī)在永磁電機(jī)弱磁增速領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理分析

1. 1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM為48極36槽結(jié)構(gòu)，圖1為電機(jī)截面結(jié)構(gòu)圖。其定子部分采用雙層繞組線圈，每槽導(dǎo)體數(shù)為60，定轉(zhuǎn)子鐵心材料為DW465-50型號(hào)硅鋼片，轉(zhuǎn)子側(cè)永磁體采用鋁鎳鈷和釹鐵硼兩種材料，其中鋁鎳鈷具有低矯頑力、高剩磁密度的特性，方便進(jìn)行弱磁。其排列方式可根據(jù)氣隙磁密和弱磁性能等參數(shù)的實(shí)際需要，采用6鋁鎳鈷永磁體/42釹鐵硼永磁體、8鋁鎳鈷永磁體/40釹鐵硼永磁體、16鋁鎳鈷永磁體/32釹鐵硼永磁體、24鋁鎳鈷永磁體/24釹鐵硼永磁體等多種方式。本文為得到較寬的調(diào)速范圍，采用24鋁鎳鈷永磁體/24釹鐵硼永磁體方式，即鋁鎳鈷永磁體與釹鐵硼永磁體交替排列，充磁方向相反。定子外徑為259 mm，轉(zhuǎn)子外徑和內(nèi)徑分別為280 mm和262 mm，永磁體厚度為4 mm，電機(jī)的軸向長(zhǎng)度為20 mm。本文所采用的鋁鎳鈷永磁材料剩磁密度為1.05 T，矯頑力為110 kA/m，釹鐵硼永磁材料剩磁密度為1.2 T，矯頑力為988 kA/m。

圖1 電機(jī)截面結(jié)構(gòu)圖

鋁鎳鈷永磁體由于具有較低的矯頑力，在飽和磁化后可通過(guò)施加一直軸去磁電流脈沖改變其磁化水平，使其工作點(diǎn)下降到磁滯回線下降分支的拐點(diǎn)以下，去除去磁電流，永磁體的工作點(diǎn)將沿回復(fù)線上升，如圖2所示，去磁后的磁通密度將被部分記憶。釹鐵硼永磁體由于其矯頑力較高，飽和磁化后，施加去磁電流脈沖，其工作點(diǎn)難以下降到磁滯回線下降分支的拐點(diǎn)以下，去磁電流去除后，永磁體工作點(diǎn)將返回飽和處，去磁后的磁通密度將不會(huì)被記憶。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，鋁鎳鈷永磁體根據(jù)其磁化水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，達(dá)到調(diào)速作用，而釹鐵硼永磁體則提供一個(gè)基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)始終具有一定的氣隙磁密和功率密度。本文所設(shè)計(jì)的VFMM由于采用混合勵(lì)磁，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比具有較大的調(diào)速范圍，與單勵(lì)磁記憶電機(jī)相比又提高了功率密度。

圖2 永磁體磁滯回線圖

1. 2 鋁鎳鈷材料磁化特性

傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體通常選取釹鐵硼、釤鈷等優(yōu)質(zhì)永磁材料，其退磁曲線為近似線性，故其剩磁密度與矯頑力成正比關(guān)系。記憶電機(jī)中采用鋁鎳鈷永磁體調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，其退磁曲線為高度非線性，在建立磁化特性模型時(shí)，采用一個(gè)虛設(shè)的矯頑力代替其真實(shí)矯頑力，假定退磁特性為線性，其磁密可表示為

(1)

式中:Hm——定子電流激勵(lì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度;μ0、μrm——磁體的空間磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。

永磁體的工作狀態(tài)由電機(jī)的導(dǎo)磁系數(shù)決定，同時(shí)還需考慮電機(jī)工作在增磁還是退磁條件下，導(dǎo)磁系數(shù)可通過(guò)式(2)表示。

(2)

1. 3 電機(jī)工作模型分析

式(3)為dq坐標(biāo)軸下電機(jī)三相動(dòng)態(tài)電氣方程。

(3)

式中:Ud、Uq、id、iq——直軸和交軸的電壓和電流；

ω——角頻率；

Rs、Ls、φf(shuō)——相電阻、同步電感和磁鏈。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(4)

式中:Lds、Lqs——dq軸電感。

電壓和電流的大小受到驅(qū)動(dòng)器容量的限制，不考慮定子向電阻壓降的影響，其等效公式為

(5)

(6)

(7)

為了使電機(jī)工作在基速以上，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，弱磁運(yùn)行時(shí)參考電流的公式：

(8)

(9)

2 有限元分析

本文采用有限元的方法對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行分析，在Ansoft Maxwell 2D仿真軟件中建立有限元模型時(shí)，將整個(gè)永磁體進(jìn)行剖分，分別確定每一小塊永磁體的工作點(diǎn)。在有限元剖分時(shí)，對(duì)永磁體按照與分割小塊相同的比例進(jìn)行剖分，并且在分析不同轉(zhuǎn)子位置的磁場(chǎng)過(guò)程中，永磁體的剖分網(wǎng)格始終保持不變。圖3為所建立的電機(jī)仿真模型的剖分圖。

圖3 電機(jī)仿真模型剖分圖

2. 1 空載磁場(chǎng)有限元分析及弱磁特性

施加不同定子直軸去磁電流后電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布如圖4所示。圖4中左側(cè)為本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM的磁力線分布圖，右側(cè)為傳統(tǒng)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的磁力線分布圖，其所有永磁體均采用釹鐵硼材料。為使圖中磁力線表示更為清晰，圖4中所有圖形都取經(jīng)放大后的電機(jī)1/4截面圖。

圖4 不同去磁電流時(shí)的電機(jī)磁力線分布圖

由圖4可知，對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM，在施加定子直軸去磁電流后，磁力線的數(shù)量顯著減少，隨著去磁電流的增大，電機(jī)的弱磁效應(yīng)越加明顯，且施加去磁電流后，鋁鎳鈷永磁體上的磁力線變化更為明顯，釹鐵硼永磁體上的磁力線變化較小。對(duì)于傳統(tǒng)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，在施加定子直軸去磁電流后，磁力線的變化并不顯著。通過(guò)比較可知，與傳統(tǒng)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)相比，本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM更易進(jìn)行弱磁控制，在基速以上運(yùn)行時(shí)，具有較好的調(diào)速范圍。

2. 2 相磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)特性分析

電機(jī)空載時(shí)永磁體飽和磁化的三相磁鏈曲線和電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的三相反電動(dòng)勢(shì)曲線如圖5所示。

由圖5可知，本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM反電動(dòng)勢(shì)和相磁鏈的諧波分量較少，具有較好的正弦性。

施加不同直軸去磁電流后的單相磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)曲線圖如圖6所示。

由圖6可知，電機(jī)施加定子直軸去磁電流后，其單相磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)的幅值減小，施加去磁電流越大，磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)幅值越小。且施加直軸去磁電流后，反電動(dòng)勢(shì)中的諧波分量增加，但仍能保持較好的正弦性。

圖5 電機(jī)三相磁鏈及反電動(dòng)勢(shì)曲線圖

圖6 施加不同直軸去磁電流后的單相磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)曲線圖

2. 3 氣隙磁密分布分析

施加不同去磁電流后的電機(jī)氣隙磁通密度分布曲線和定子軛處磁通密度分布曲線如圖7所示。

由圖7可看出，隨著永磁體磁化強(qiáng)度的降低，電機(jī)的氣隙磁通密度幅值和定子軛磁通密度幅值逐漸減小，且相較而言，氣隙磁通密度幅值變化較小，定子軛處磁通密度幅值變化較顯著，說(shuō)明對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM，在施加定子直軸去磁電流后，顯著削弱了定子軛磁場(chǎng)，而對(duì)氣隙磁場(chǎng)的削弱相對(duì)較小。這是本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)不同于一般內(nèi)轉(zhuǎn)子記憶電機(jī)之處。

圖7 施加不同去磁電流后電機(jī)磁通密度分布曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種外轉(zhuǎn)子VFMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真軟件對(duì)該電機(jī)進(jìn)行建模仿真，采用有限元的分析方法對(duì)該電機(jī)的弱磁性能進(jìn)行分析，給出了施加不同定子直軸去磁電流后的磁力線分布、相磁鏈曲線、反電動(dòng)勢(shì)曲線和磁通密度分布曲線。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子VFMM具有良好的弱磁性能，可通過(guò)施加定子直軸電流脈沖改變永磁體的磁化水平，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在調(diào)磁過(guò)程中，鋁鎳鈷永磁體發(fā)揮重要的作用，而釹鐵硼永磁體的磁化水平始終保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，提供了一個(gè)基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，保證電機(jī)在弱磁運(yùn)行時(shí)始終具有必要的氣隙磁密和功率密度。本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)外轉(zhuǎn)子永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu)，其制作工藝簡(jiǎn)單，工業(yè)生產(chǎn)成本低，具有良好的實(shí)用性。

[1] OSTOVIC V. Memory motors[J]. IEEE Industry Applications Magazine, 2003, 99(1): 52-61.

[2] 孫建忠,白鳳仙.新概念永磁電機(jī)-記憶電機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J].大電機(jī)技術(shù),2004(3): 9-12.

[3] 劉恒川,林鶴云,郭健,等.永磁體形狀對(duì)可變磁通記憶電機(jī)調(diào)磁參數(shù)影響分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(2): 14-19.

[4] LIU H C, LIN H Y, FANG S H, et al. Permanent magnet demagnetization physics of a variable flux memory motor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(10): 4736-4739.

[5] LIN H Y, LIU H C. Variable flux permanent magnet synchronous motor:200810018829.9[P].2008.

[6] LIN H Y, LIU H C, HUANG Y K, et al. Characteristics analysis and experimental study of a hybrid permanent magnet variable flux memory motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(36): 71-76.

[7] CHEN Y G, PAN W, WANG Y, et al. Interior composite-rotor controllable-flux PMSM-memory motor[C]∥ Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems, Nanjing, China: CES & CSEE & NSFC & IEEE, 2005: 446-449.

[8] TAPIA J A, LEONARDI F, LIPO T A. Consequent pole permanent magnet machine with field weakening capability[C]∥ Electric Machines and Drives Conference, IEEE International, 2001: 16-131.

[9] ZHOU G, MIYAZAKI T, KAWAMATA S, et al. Development of variable magnetic flux motor suitable for electric vehicle[C]∥ Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International IEEE, 2010: 2171-2174.

[10] 葛葉明,朱孝勇,陳龍.電動(dòng)汽車(chē)用定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)電機(jī)性能分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2014,41(4): 45-51.

Design and Flux-Weakening Performance Analysis of Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor with External Rotor*

JIANGChunhui,TIANYudong

(Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A external rotor variable flux permanent magnet memory motor was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The magnetic properties of permanent magnetic materials and the working model of the motor were given. The flux weakening of the motor was researched by using the finite element analysis method. The motor′s flux-lines, fluxlinkage of winding A, reverse electromotive force curves and magnetic flux density curves under different magnetizing current were given. The simulation results showed that the motor has good flux weakening ability and its flux weakening was realized by changing the magnetic field of the AlNiCo permanent magnets.

variable flux permanent magnet memory motor; flux weakening; external rotor

上海市產(chǎn)學(xué)研合作基金項(xiàng)目(2015CXY44)

姜春輝(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)設(shè)計(jì)。 田玉冬(1968—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制和優(yōu)化、新型能源混合動(dòng)力工程和分布式發(fā)電技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)等。

TM 343

A

1673-6540(2017)04- 0028- 06

2016 -09 -20