雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機起動過程中永磁體退磁研究

上官璇峰 周敬樂 蔣思遠

摘 ?要：針對雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機起動過程中永磁體的退磁問題展開研究。分析了該電機的退磁機理，確定了永磁體退磁幅度最大部位。并在永磁體退磁幅度最大部位內(nèi)選擇一個參考點，重點討論電機在不同條件下起動過程中參考點的退磁情況。分析了負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和永磁轉(zhuǎn)子初始位置對起動過程中永磁體退磁的影響。研究了雙鼠籠繞組對定子磁場退磁的屏蔽作用。確定了電機在極端工作條件下的退磁區(qū)域，并對電機永磁體發(fā)生局部不可逆退磁前后的穩(wěn)態(tài)性能進行了對比分析。研究表明：電機起動過程具有較大的退磁風險，雙鼠籠繞組對永磁體退磁具有一定的抑制作用。

關(guān)鍵詞：雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機;起動過程;退磁分析;屏蔽作用

中圖分類號：TM351

Abstract： The demagnetization of permanent magnets during the starting process of dual-rotor permanent magnet induction motor with double squirrel cage was studied. The demagnetization mechanism of the motor was analyzed， and the maximum demagnetization position of permanent magnet was determined. A reference point was selected in the maximum demagnetization part of permanent magnet， and the demagnetization of reference point during starting of motor under different conditions was discussed in detail. The effects of load torque， moment of inertia and initial position of permanent magnet rotor on demagnetization of permanent magnet during starting process were analyzed. The shielding effect of the double squirrel cage winding on the stator magnetic field was studied. The demagnetization region of the motor under extreme working conditions was determined， and the steady-state performance of the motor was compared and analyzed before and after partial irreversible demagnetization. The research shows that there is demagnetization risk in the starting process of the motor， and the double cage windings has a certain restraint effect on it.

Keywords： dual-rotor permanent magnet induction motor with double squirrel cage; start process; demagnetization analysis; shielding effect

0引 ?言

永磁感應電機（Permanent Magnet Induction Motor，PMIM）結(jié)合了感應電機良好的起動性能和永磁電機高效率、高功率因數(shù)和寬的經(jīng)濟運行范圍等優(yōu)點，且其特有的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其擁有獨特的應用前景，可以在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)及混合動力驅(qū)動方面得以應用[1-2]。

國內(nèi)外有關(guān)PMIM研究的參考文獻還較有限。國外的最新研究主要由法國亞眠大學的A. M. Gazdac、A. Mpanda-Mabwe和意大利拉奎拉大學的L. D. Leonardo等學者合作進行，他們討論了PMIM可能的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了轉(zhuǎn)子鼠籠導條采用不同材料時對電機性能的影響、電機銅耗和鐵耗引起的熱效應，建立了PMIM的等效電路模型，提出控制策略[3-5]。國內(nèi)學者刁統(tǒng)山、王秀和提出了PMIM的直接功率控制策略，進行了仿真研究[6]。并在PMIM的基礎(chǔ)上，提出了新型永磁雙饋發(fā)電機，研究了永磁雙饋風力發(fā)電機的并網(wǎng)控制策略[7]。本課題組對雙鼠籠PMIM進行了研究，包括電機的多目標優(yōu)化、三維全域溫度場分析、感應電機及自起動永磁同步電機的性能對比分析[8-11]，取得了一系列研究成果。但尚未見到對PMIM永磁體退磁研究的相關(guān)報道。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)PMIM比自起動永磁同步電機的起動時間長，起動過程中永磁體退磁風險增大。當永磁體工作點低于退磁曲線拐點時，會發(fā)生不可逆退磁[12-14]，使電機性能惡化，最終導致電機報廢。因此開展該電機退磁研究十分必要。

目前對電機永磁體退磁的研究主要圍繞永磁同步電動機進行，文獻[15]采用時步有限元法研究了自起動永磁同步電機在起動過程中因電樞反應引起的永磁體退磁。文獻[16]研究了自起動永磁同步電機起動過程中鼠籠轉(zhuǎn)子屏蔽作用，并給出了永磁體在最大退磁時刻的退磁預估場圖。文獻[17]分析了三種永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（一型、V型和雙層U型）永磁同步電機的永磁體退磁特點。文獻[18]研究表明雙鼠籠結(jié)構(gòu)對退磁磁場有明顯的減弱作用，降低永磁體退磁風險。

采用有限元法，針對雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機中永磁體退磁問題展開研究。建立了電機電磁場分析模型，研究了電機起動過程中永磁體的退磁規(guī)律，進一步討論了極端條件下永磁體退磁的特點，并得出退磁區(qū)域位置。詳述了雙鼠籠永磁感應電機雙鼠籠轉(zhuǎn)子對永磁轉(zhuǎn)子退磁的保護作用。最后對比分析了永磁體發(fā)生不可逆退磁對電機整體性能的影響。

1 電機結(jié)構(gòu)和原理

PMIM是傳統(tǒng)的鼠籠式感應電機和永磁同步電機的組合。雙鼠籠永磁感應電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由定子、鼠籠轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子三個部分組成，有內(nèi)、外兩個氣隙。定子電流所產(chǎn)生磁場與永磁轉(zhuǎn)子的永磁場之間作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使得永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，這兩者形成合成勵磁磁場。合成勵磁磁場與鼠籠轉(zhuǎn)子之間有相對運動，在鼠籠繞組中感應出交流電流。鼠籠繞組中電流也產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)的磁場和合成勵磁磁場共同產(chǎn)生氣隙磁場，這兩種磁場之間作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使鼠籠轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

本文所研究的永磁感應電機創(chuàng)新性地采用了雙鼠籠繞組，內(nèi)外鼠籠間設(shè)立磁橋，永磁磁場磁通和定子磁場磁通部分地經(jīng)磁橋與籠型繞組交鏈，改善了主磁路。所以，較傳統(tǒng)的單鼠籠永磁感應電機，雙鼠籠永磁感應電機具有更高的效率和功率因數(shù)。

2起動過程中永磁體的退磁

2.1樣機參數(shù)

所分析的雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機：3相、4極、額定電壓380V（定子繞組采用Δ型聯(lián)結(jié)）、額定頻率50Hz、額定功率11kW，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2.2 永磁體退磁分析參考點的選取

2.2.1 電機起動過程的退磁機理

定子磁勢和永磁極磁勢之間的夾角θ決定了電樞反應的作用是增磁或退磁作用。θ為0°時（兩磁場勢同向），增磁作用最強;在θ為180°時（即兩磁勢反向），去磁作用最強，如圖2所示。

由于雙鼠籠永磁感應電機額定負載起動過程較長，增加了永磁體的退磁機會和風險。

2.2.2 退磁參考點的確定

由于電機結(jié)構(gòu)的對稱性，僅分析一個極下的永磁極磁密。選取一塊永磁體的中心和邊角位置作為參考點，具有代表性，如圖3中的A、B所示。

雙鼠籠永磁感應電機額定負載下起動速度曲線及永磁體參考點磁密如圖4所示。可以看出，起動過程中，電機轉(zhuǎn)子存在明顯的速度波動，該階段定子磁場和永磁磁場速度不一，A、B兩點的磁密也隨時間波動明顯;由于電機采用的是電壓源驅(qū)動，在通電瞬間時（0s）定子電流、鼠籠轉(zhuǎn)子電流的值為0，繞組磁場尚未建立，所以參考點磁密就是永磁體本身剩磁Br，另外，由于A、B兩點所處電機位置的不同，磁路結(jié)構(gòu)有差異，導致0s時刻B點的磁密略高于A點的磁密;在起動過程中，A點磁密呈現(xiàn)波動下降的趨勢，是由于永磁磁場作用于定子繞組且定子繞組等效短路所產(chǎn)生的變頻永磁發(fā)電機效應磁場，該低頻磁場與永磁磁場同步且為去磁作用，使永磁體區(qū)域參考點磁密波動下降[19]。所研究電機的鼠籠轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相差很小，故忽略了永磁體對鼠籠的感應電流效應磁場。A點磁密較B點在任意時刻都低，更容易受到退磁磁場的影響，故后續(xù)將以A點為對象，研究永磁體退磁的特點。

3影響永磁體退磁的因素

保持電機起動過程中端電壓和頻率為額定值，研究負載轉(zhuǎn)矩、鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和永磁轉(zhuǎn)子的初始位置，對電機起動過程中永磁體退磁的影響。并進一步討論電機工作在極端惡劣環(huán)境下，其永磁體內(nèi)磁密與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，得出極端惡劣工作環(huán)境下的退磁區(qū)域預估圖。

3.1 負載的影響

保持鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)子初始位置不變，不同負載轉(zhuǎn)矩下起動時，電機的轉(zhuǎn)速和永磁體參考點磁密的變化曲線，如圖5所示。

3.2 鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的影響

圖6是帶額定負載，保持轉(zhuǎn)子初始位置不變，鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jr不同時，起動起動過程中電機的轉(zhuǎn)速和永磁體參考點磁密的變化曲線。

由圖5和圖6可知，相同條件下，負載轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)動慣量越大，電機的起動過程越長，電樞磁場和永磁磁場方向關(guān)系變化的次數(shù)越多，參考點磁密波動的次數(shù)越多。參考點最小磁密值出現(xiàn)時間與負載大小、轉(zhuǎn)動慣量大小和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，不同負載或轉(zhuǎn)動慣量倍數(shù)，對起動過程中永磁體的最低磁密值并無規(guī)律性。永磁體最低點磁密在不同的負載或轉(zhuǎn)動慣量倍數(shù)下，可能出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速。

3.3永磁轉(zhuǎn)子初始位置的影響

保持電機帶額定負載和鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量不變，研究永磁轉(zhuǎn)子以不同初始位置起動時，永磁體磁密的變化，如圖7所示。選取永磁體磁化方向與三相繞組旋轉(zhuǎn)磁場d軸重合時，永磁轉(zhuǎn)子位置角度為0°，如圖1所示，順時針方向以30°（機械角度）為間隔，依次取六個位置作為起動初始位置。

由圖7可以看出，永磁轉(zhuǎn)子的初始位置不同，起動過程中參考點A的磁密最低值不同。永磁轉(zhuǎn)子在30°位置起動時，參考點最低磁密為0.395T;120°位置起動時，參考點最低磁密為0.261T，兩者之間相差0.134T?？梢?，永磁轉(zhuǎn)子的初始位置對永磁體退磁也有一定影響。

3.4極端條件下的退磁研究與退磁區(qū)域預估

實際工作中，永磁電機永磁體發(fā)生不可逆退磁是由多種因素共同作用造成的[20]。若電機處于長期過載運行、環(huán)境溫度較高或者冷卻措施失效時，定轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生強的退磁磁場可能會導致永磁體不可逆退磁。此外，當電機的工作溫度過高時，永磁體的退磁曲線將在第二象限出現(xiàn)拐點[21]，增加了永磁體不可逆退磁的風險。本文使用的永磁材料N35SH，其退磁曲線如圖8所示。

在此將對雙轉(zhuǎn)子雙鼠籠永磁感應電機模型在極端條件下（帶1.5倍額定負載和5倍轉(zhuǎn)動慣量，130℃工作溫度）進行模擬退磁研究，并給出該條件下的退磁區(qū)域預估。該溫度下永磁體的退磁曲線拐點磁密約0.24T（參見圖8），低于此拐點則認為永磁體出現(xiàn)不可逆退磁。極端條件下電機起動過程的轉(zhuǎn)速曲線和參考點磁密變化曲線見圖9。

由圖9可知，極端條件下電機的起動時間較長（約1180ms），且在轉(zhuǎn)速較低時，因轉(zhuǎn)差率s較大，永磁體的磁密波動更快。隨轉(zhuǎn)速升高，退磁作用增強，在鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到67%（1005r/min）同步速時，退磁作用最強。圖9（b）中，永磁體參考點最低磁密點C為0.191T，D點為次最低磁密點（0.301T）。C和D點對應時刻的退磁區(qū)域，如圖10示。從圖10退磁區(qū)域圖中可以看出永磁體的退磁區(qū)域出現(xiàn)在磁極的中部。

4 雙鼠籠轉(zhuǎn)子的屏蔽作用分析

鼠籠繞組的屏蔽作用是指鼠籠繞組對電機退磁現(xiàn)象的抑制作用。為分析鼠籠繞組的屏蔽作用，本文中創(chuàng)新性地提出了一種利用時步有限元模擬仿真方法，該方法分為兩步：

（1）電機帶額定負載正常起動，獲取鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-時間關(guān)系和永磁體參考點磁密-時間關(guān)系。

（2）將雙鼠籠導條的電阻率設(shè)為無窮大，即雙鼠籠導條中沒有電流。利用步驟（1）中鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速-時間關(guān)系驅(qū)動鼠籠轉(zhuǎn)子。永磁轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)同步驟（1）。獲取永磁體參考點磁密-時間關(guān)系。

步驟（1）得到額定負載下定子繞組和鼠籠繞組產(chǎn)生的合成磁場對永磁體區(qū)域的影響，步驟（2）得到定子磁場單獨作用時對永磁體區(qū)域的影響，進而得出電機有/無轉(zhuǎn)子鼠籠繞組屏蔽作用時永磁體退磁參考點磁密情況，如圖11所示?？梢钥闯?，有/無鼠籠作用時起動過程中永磁體內(nèi)參考點的最小磁密值分別為0.388T和0.015T，相差0.373T，在轉(zhuǎn)速到達穩(wěn)定后，有鼠籠繞組作用的模型，其磁密值逐漸趨向于穩(wěn)定;無鼠籠繞組作用的模型，其磁密值仍會有小幅波動，可見鼠籠繞組對電機退磁有一定的抑制作用。

圖11中，E點為無鼠籠繞組作用時，永磁體參考點磁密出現(xiàn)最低值的時刻，F(xiàn)點為電機到達同步速的穩(wěn)態(tài)時刻;圖12表示E、F點對應時刻的磁密分布云圖（左側(cè)為有鼠籠繞組作用，右側(cè)為無鼠籠作用）。從圖12（a）中可以看出，永磁體區(qū)域較低磁密值都出現(xiàn)在磁極的中部，無鼠籠繞組的屏蔽作用時，磁極區(qū)域的磁密相對更低;由圖12（b），電機穩(wěn)態(tài)運行時磁極上的磁密值近乎相同，是因為，鼠籠繞組屏蔽作用相對小。

5永磁體退磁對電機性能的影響

為分析永磁體退磁對電機性能的影響，利用3.4節(jié)退磁后的模型，對比分析電機的氣隙磁密、功效以及溫升等關(guān)鍵因素。

5.1 永磁體退磁后模型的建立

參考3.4中的極端條件下的退磁預估結(jié)論，將永磁體不可逆退磁區(qū)域的材料的矯頑力設(shè)為0，不可逆退磁區(qū)域顏色同背景色（白色），如圖13所示。電機的其他參數(shù)均為初始額定參數(shù)，正常起動。

5.2 退磁前后永磁場氣隙磁密對比

永磁體退磁后，永磁場外氣隙磁密和總的合成外氣隙磁密，以及它們的諧波對比，如圖14所示。由圖可知，永磁體退磁前后合成磁場外氣隙磁密接近一致，而退磁后的永磁磁場磁密是下降的，說明退磁后勵磁電流增大，效率和功率因數(shù)降低，溫度升高。

5.3退磁前后電機性能比較

將退磁后的電機模型進行有限元仿真并計算，并將退磁前后的電機性能參數(shù)做對比，如表3所示。永磁體部分退磁后，為確保電機仍能維持恒定的轉(zhuǎn)矩，定子繞組電流增大，電機損耗增加，效率下降，功率因數(shù)也因勵磁電流增大而大幅下降。同時，電流增大，會使退磁磁場更為嚴重。這樣惡性循環(huán)的結(jié)果將導致電機徹底報廢。

5.4退磁前后電機溫度場分析

對永磁體退磁前后的電機模型在環(huán)境溫度為常溫（20℃），額定負載的情況下進行了溫度場分析。退磁前后電機的溫度分布如圖15所示。

就退磁前后電機整體溫度場分布而言，退磁后的整體溫升明顯高于退磁前。這是因為永磁體退磁后，永磁磁場勵磁作用減弱，定子繞組勵磁電流增大，電機損耗增加，效率下降，溫度升高。永磁體退磁前后，定子繞組上的最高溫度分別為65.93°C和89.3°C，鼠籠轉(zhuǎn)子導條上的最高溫度分別為77.30°C和108°C，永磁體上的最高溫度分別為69.15°C和95.2°C。永磁體退磁后，各部件的溫度較退磁前均上升了23°C以上，電機溫度更高，將導致永磁體的二次不可逆退磁。

6 結(jié) 論

（1）分析了負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和永磁轉(zhuǎn)子初始位置對電機起動過程中永磁體退磁的影響。負載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)或鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量倍數(shù)越大，永磁體磁密波動的次數(shù)越多，但最小磁密值呈現(xiàn)出無規(guī)律性，可能出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速時刻;永磁轉(zhuǎn)子的初始位置不同，對參考點A的磁密最低值及波動次數(shù)均有影響。

（2）高溫重載條件下，永磁體發(fā)生不可逆退磁的位置最先出現(xiàn)在磁極的中間部位。

（3）分別就電機有/無鼠籠繞組屏蔽作用時永磁體磁密情況進行了詳細討論。起動過程中，無鼠籠繞組屏蔽作用時，磁極參考點磁密值更低;達到穩(wěn)定速度后，鼠籠繞組屏蔽作用減小，有/無鼠籠繞組屏蔽的電機永磁體磁密值近乎相同，但無鼠籠時參考點磁密波動較大。雙鼠籠繞組的屏蔽作用可顯著降低永磁體發(fā)生不可逆退磁的風險。

（4）建立了永磁體退磁后的電機模型，永磁體退磁后，由于永磁磁場的助磁作用減弱，導致定子繞組勵磁電流明顯增大，電機穩(wěn)態(tài)運行性能變差，溫升加劇，將導致永磁體二次不可逆退磁，甚至導致電機報廢。

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