轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對異步起動鐵氧體電機退磁影響研究

王曉光，胡 雄，李新華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢430068)

0 引言

近年來，一種低成本的異步起動鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動機(以下簡稱異步起動鐵氧體電機)受到人們的關(guān)注［1－3］。然而，異步起動永磁同步電機起動電流大，起動過程鐵氧體永磁材料存在較大的不可逆退磁風(fēng)險［4－5］。因此，如何避免鐵氧鐵永磁材料出現(xiàn)不可逆退磁是異步起動鐵氧體電機設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。

文獻［6］研究了一種電動汽車用鐵氧體永磁輔助磁阻同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它采用四層一形磁鋼布置，U形槽兩側(cè)沒有布置磁鋼，有效降低了磁鋼的退磁風(fēng)險。文獻［7］中研究了鐵氧體永磁輔助磁阻同步電動機多種磁障結(jié)構(gòu)下鐵氧體的抗退磁能力，結(jié)論是磁障銳角倒角可改變磁力線分布，提高鐵氧體的抗退磁能力。文獻［8－9］采用場－路－運動耦合的時步有限元法，分析了轉(zhuǎn)子V形永磁體異步起動釹鐵硼永磁同步電動機(以下簡稱異步起動釹鐵硼電機)起動過程中不同負載條件下電樞反應(yīng)的退磁特點，但未結(jié)合電樞反應(yīng)強弱對所得數(shù)據(jù)做進一步分析。文獻［10］采用二維有限元法研究了W形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)異步起動釹鐵硼電機起動過程中永磁體的退磁問題，但未討論導(dǎo)條布置方式對永磁體的退磁影響。相關(guān)文獻以同步起動鐵氧體電機和異步起動釹鐵硼電機居多，研究異步起動鐵氧體電機退磁問題的較少。

本文以一臺7．5 kW異步起動鐵氧體電機為例展開研究。首先介紹了分析異步起動鐵氧體電機退磁問題的有限元瞬態(tài)場方法;其次，研究了不同導(dǎo)條以及磁鋼布置對電機不可逆退磁的影響，找到了一種降低鐵氧體退磁風(fēng)險的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);最后對異步起動鐵氧體電機和異步起動釹鐵硼電動進行了比較。

1 導(dǎo)條均勻布置

1．1 分析模型

表1為異步起動鐵氧體電機的相關(guān)參數(shù)，所選用鐵氧體磁鋼牌號為JPM－6B，其退磁曲線如圖1所示，圖2為異步起動鐵氧體電機的仿真模型。

表1 異步起動鐵氧體電機主要參數(shù)

圖1 JPM－6B退磁曲線

圖2 導(dǎo)條均勻布置電機仿真模型

圖1 的退磁曲線剩磁密度為0．43 T，矯頑力為310 kA/m，退磁曲線在 a點處尚未出現(xiàn)拐點(膝點)，表明其不可逆退磁點在第三象限。本文默認當(dāng)某一點磁密小于0時該點將發(fā)生不可逆退磁［11－12］。圖2的異步起動鐵氧體電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條為均勻布置。

1．2 分析方法

分析起動過程中鐵氧體退磁情況，需要找到在哪個時刻電樞合成磁動勢最大。圖3、圖4分別是起動過程三相電樞電流波形和合成磁動勢波形?？梢?，電樞合成磁動勢在0～20 ms時間段內(nèi)幅值較大，此時段電樞反應(yīng)對永磁體存在退磁風(fēng)險，需要給予特別關(guān)注。

圖3 起動過程定子三相電流

圖4 起動過程電樞合成磁動勢

利用有限元方法進行瞬態(tài)場仿真，并對仿真結(jié)果進行處理，得到如圖5所示的A相電流幅值最大時刻磁鋼觀測線AB上的磁密分布。

圖5 6．75 ms時刻觀測線AB上的磁密分布

圖5 中所示，0～l1，l2～20 mm 兩條線段磁密均低于0，表明這兩段線上所有點均發(fā)生不可逆退磁。按上述方法對鐵氧體取多條觀測線，逐一找出每條觀測線上的所有不可逆退磁點，便可確定鐵氧體某一時刻的不可逆退磁區(qū)域。

1．3 分析結(jié)果

在0～20 ms時間段內(nèi)選擇多個時刻進行瞬態(tài)場仿真，得到如圖6所示的永磁體最大不可逆退磁區(qū)域(圖中磁鋼的黑色區(qū)域)。圖7為0～20 ms區(qū)間永磁體的退磁率。

圖6 導(dǎo)條均勻布置，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

圖7 電樞合成磁動勢與鐵氧體不可逆退磁率曲線

從圖7可知，13 ms時磁鋼不可逆退磁率為最大，為72．1%。鐵氧體出現(xiàn)大面積退磁，會影響電機的起動性能和穩(wěn)態(tài)性能，電機額定轉(zhuǎn)矩下降16.72%。另外，電樞合成磁動勢和退磁率出現(xiàn)最大值的時刻并不相同，最大退磁率出現(xiàn)的時刻滯后于電樞合成磁動勢的最大時刻。這是因為，相同電樞繞組合成磁動勢條件下，轉(zhuǎn)子所處位置對鐵氧體不可逆退磁有較大影響，即異步起動鐵氧體電機起動過程的退磁狀態(tài)不僅僅與電樞反應(yīng)強弱有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場相關(guān)。

根據(jù)上述分析，導(dǎo)條均勻布置方式會導(dǎo)致鐵氧體出現(xiàn)大面積不可逆退磁。因此，這種結(jié)構(gòu)并不適合異步起動鐵氧體電機。

2 導(dǎo)條非均勻布置

2．1 導(dǎo)條直軸布置

對起動籠導(dǎo)條直軸布置進行分析。采用同樣方法對0～20 ms區(qū)間進行瞬態(tài)場仿真，不同時刻的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 導(dǎo)條直軸布置，不同時刻兩層鐵氧體的最大不可逆退磁區(qū)域

圖8 表明，與導(dǎo)條均勻分布不同，導(dǎo)條直軸分布二層鐵氧體的最大退磁區(qū)域并沒有出現(xiàn)在同一時刻，并且合成磁動勢最大時刻(7．5 ms)也不是退磁最嚴重時刻(9 ms)。鐵氧體退磁率變化波形與圖7類似，鐵氧體最大退磁率達91．7%，電機轉(zhuǎn)矩下降22．3%?？梢妼?dǎo)條直軸布置永磁體不可逆退磁更加嚴重。

2．2 導(dǎo)條交軸布置

下面討論起動籠導(dǎo)條交軸布置，對0～20 ms區(qū)間進行瞬態(tài)場仿真，鐵氧體最大不可逆退磁仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 導(dǎo)條交軸布置，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

由圖9可知，鐵氧體最大退磁率為68．4%，電機轉(zhuǎn)矩下降15．5%。特別地，電樞合成磁動勢幅值最大時鐵氧體尚未出現(xiàn)不可逆退磁，再一次說明異步起動鐵氧體電機起動過程的退磁狀況不僅與電樞反應(yīng)強弱有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場位置有關(guān)。

與起動籠導(dǎo)條直軸布置相比，導(dǎo)條交軸布置時磁鋼最大退磁率下降，說明導(dǎo)條交軸布置能提高電機鐵氧體磁鋼的抗去磁能力。

3 磁鋼布置方式

盡管導(dǎo)條交軸布置磁鋼退磁率有所降低，但仍出現(xiàn)了較大面積的不可逆退磁，為此，需要對永磁體布置方式進行研究。

3．1 雙V形磁鋼布置

起動籠導(dǎo)條交軸布置，導(dǎo)條尺寸與前面模型稍有不同;雙V形鐵氧體用量與雙U形相同。圖10為鐵氧體最大不可逆退區(qū)域的仿真結(jié)果。

由圖10可知，第二層鐵氧體退磁仍比較嚴重，最大退磁率為59．5%，電機轉(zhuǎn)矩下降14．1%。

圖10 磁鋼雙V形，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

3．2 雙一形磁鋼布置

現(xiàn)對磁鋼呈雙一形電機進行分析。起動籠導(dǎo)條和鐵氧體用量與圖10相同，圖11為鐵氧體最大不可逆退區(qū)域的仿真結(jié)果。

圖11 磁鋼雙一形，鐵氧體最大不可逆退磁區(qū)域

由圖11可知，雙一形磁鋼電機起動過程中鐵氧體最大退磁率為3．4%，電機轉(zhuǎn)矩下降0．8%。可見，磁鋼布置方式對提升鐵氧體抗退磁能力效果明顯。

另外，對雙一形磁鋼布置配合導(dǎo)條均勻布置進行退磁仿真。仿真結(jié)果表明，12 ms時該電機最大退磁率為21．5%，電機轉(zhuǎn)矩下降5．4%。

綜上，導(dǎo)條交軸布置與雙一形磁鋼布置相結(jié)合能較好地解決異步起動鐵氧體電機的不可逆退磁問題。

4 兩種電機比較

下面對異步起動鐵氧體電機和異步起動釹鐵硼電機進行比較。除轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同外，電機其它參數(shù)均保持一致。電機的仿真模型如圖12所示，仿真和計算結(jié)果見圖13和表2。

圖12 兩種電機的仿真模型

圖13 兩種電機起動過程轉(zhuǎn)速的仿真波形

由圖13可知，與異步起動釹鐵硼電機相比，異步起動鐵氧體電機起動階段轉(zhuǎn)速波形較為平滑，沒有大的轉(zhuǎn)速波動，同步時間也有所提前。由表2可知，異步起動鐵氧體電機轉(zhuǎn)矩能力比異步起動釹鐵硼電機稍低，但轉(zhuǎn)矩脈動率要小;其次，異步起動鐵氧體電機的效率和功率因數(shù)比異步起動釹鐵硼電機低1%，但起動電流倍數(shù)有明顯下降。異步起動鐵氧體電機過載電流小且過載能力與異步起動釹鐵硼電機相當(dāng);另外，異步起動鐵氧鐵電機的永磁體成本比釹鐵硼低258元/臺，電機性價比提高。

表2 兩種電機部分仿真和計算結(jié)果

5 結(jié)語

1)起動籠導(dǎo)條交軸以及磁鋼雙一形布置方式能明顯提升異步起動鐵氧體電機抗退磁能力，電機的轉(zhuǎn)矩能力基本不變。

2)異步起動鐵氧體電機起動性能較好，穩(wěn)態(tài)性能略低于異步起動釹鐵硼電機，但性價比高。