鐵氧體永磁輔助同步磁阻電機(jī)抗退磁設(shè)計優(yōu)化

史進(jìn)飛，胡余生，2，3，陳 彬，2，3，肖 勇，李 霞

(1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070；2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070；3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室，珠海 519070)

0 引 言

永磁輔助同步磁阻電機(jī)(以下簡稱PMSynRM)充分利用了磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，具有凸極比大、調(diào)速范圍廣、效率高、永磁體用量少等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，永磁電機(jī)大多采用釹鐵硼永磁體，但稀土永磁材料儲量少，價格昂貴，導(dǎo)致電機(jī)成本高，且稀土價格受國家政策影響波動很大；而鐵氧體PMSynRM采用價格低廉的鐵氧體永磁體，與稀土永磁電機(jī)效率相當(dāng)?shù)那闆r下[1-3]，可進(jìn)一步降低電機(jī)成本，正應(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)、新能源驅(qū)動電機(jī)、風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域。

但是，鐵氧體永磁體的矯頑力比稀土永磁體低，起動及運行過程中容易出現(xiàn)不可逆退磁問題，從而影響電機(jī)性能及可靠性[4]。文獻(xiàn)[5]綜述了永磁電機(jī)靜態(tài)防退磁分析方法和動態(tài)防退磁檢測技術(shù)，探討了防退磁技術(shù)發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[6]基于有限元仿真搭建了一種電機(jī)退磁評價方法，并通過實測驗證，為空調(diào)壓縮機(jī)用稀土永磁同步電機(jī)退磁特性評價提供了分析方法。文獻(xiàn)[7]對一臺退磁故障稀土永磁電機(jī)進(jìn)行分析，得出永磁體渦流損耗發(fā)熱是導(dǎo)致永磁體退磁的原因。文獻(xiàn)[8]分析了電流大小、電流相位角以及溫度共同作用下稀土PMSynRM永磁體退磁特性，高電流相位角及高溫下永磁體退磁風(fēng)險最大，并采用退磁率來評估電機(jī)退磁情況。上述分析主要針對稀土永磁電機(jī)，對于鐵氧體永磁電機(jī)，文獻(xiàn)[9]分析了混合永磁體電機(jī)中，稀土永磁體漏磁對鐵氧體永磁體退磁的影響，并提出改進(jìn)方案及實驗驗證。文獻(xiàn)[10]通過在轉(zhuǎn)子磁障上增加旁路筋結(jié)構(gòu)來改善鐵氧體PMSynRM的退磁及轉(zhuǎn)矩脈動，而文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]分別通過轉(zhuǎn)子隔磁槽端部偏移錯位和增加永磁體層數(shù)來改善鐵氧體退磁問題。對于空調(diào)壓縮機(jī)用鐵氧體PMSynRM退磁研究較少，而且空調(diào)壓縮機(jī)運行工況及轉(zhuǎn)速范圍廣，高速下電機(jī)弱磁運行，繞組電流大，退磁風(fēng)險高。

本文對一臺空調(diào)壓縮機(jī)用36槽6極鐵氧體PMSynRM進(jìn)行退磁仿真分析，確定電機(jī)低溫下永磁體退磁特性，然后對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗退磁設(shè)計優(yōu)化，有效提升電機(jī)抗退磁能力。

1 PMSynRM退磁原理及特性

1.1 鐵氧體永磁體退磁原理

在永磁電機(jī)運行過程中，尤其是運行工況惡劣、起動失敗等條件下，可能會產(chǎn)生一個較大的瞬時電流，在永磁體上施加一個較大的反向磁場，可能導(dǎo)致永磁體不可逆退磁，因此有必要對電機(jī)抗退磁能力進(jìn)行校核及優(yōu)化。

對于鐵氧體永磁體，其矯頑力相比稀土永磁體低很多，退磁風(fēng)險更大；而且，鐵氧體永磁體矯頑力隨溫度升高而增加，因此，鐵氧體永磁體需要校核低溫條件下抗退磁能力。

圖1為一款鐵氧體永磁體在-30 ℃時的退磁B-H曲線，表征永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系。當(dāng)施加的反向磁場強(qiáng)度較小時，撤除反向磁場后永磁體磁密能夠回復(fù)到初始剩磁；當(dāng)施加的反向磁場強(qiáng)度大于230 kA/m，永磁體剩磁將低于0.15 T，永磁體將無法回復(fù)到初始剩磁，永磁體剩磁降低4%，出現(xiàn)4%不可逆退磁，一般稱該點為退磁拐點。因此需要保證電機(jī)在任何運行狀態(tài)下永磁體工作點不能低于0.15 T，否則電機(jī)將出現(xiàn)一定程度的不可逆退磁。

圖1 鐵氧體永磁體B-H曲線(-30 ℃)

1.2 PMSynRM退磁特性

空調(diào)壓縮機(jī)用PMSynRM在高速弱磁工況運行或失步時電流峰值較大，表1為一臺36槽6極PMSynRM主要參數(shù)，圖2為定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。永磁體采用等厚弧形結(jié)構(gòu)，兩層永磁體厚度相同，采用平行充磁；電機(jī)在壓縮機(jī)高速弱磁工況下實測電流峰值可達(dá)20 A。為了保證電機(jī)在起動、失步等條件下不出現(xiàn)退磁，要求永磁體在低溫-30 ℃惡劣條件下的抗退磁電流達(dá)到最大運行電流峰值的3倍以上，即永磁體退磁電流達(dá)到60 A以上。

表1 電機(jī)主要設(shè)計參數(shù)

圖2 PMSynRM定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

因此，通過有限元仿真來分析電機(jī)退磁情況，在定子繞組中通入電流，使其產(chǎn)生的磁場中心與永磁體磁場相反，以此來施加反向磁場，評估電機(jī)最惡劣條件下退磁情況。

圖3為電機(jī)在-30 ℃，60 A條件下永磁體磁密分布圖?？梢钥闯觯瑑蓪佑来朋w均出現(xiàn)較大面積的退磁區(qū)域，部分區(qū)域磁密甚至低于0.12 T，出現(xiàn)嚴(yán)重退磁，退磁均出現(xiàn)在永磁體中間部位，其中內(nèi)層永磁體圓弧張角較大，承受反向磁場較多，退磁更嚴(yán)重，電機(jī)抗退磁電流難以達(dá)到3倍要求，需要進(jìn)行抗退磁提升設(shè)計。

圖3 -30℃，60 A下永磁體磁密分布圖

2 PMSynRM抗退磁設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)分析的PMSynRM永磁體退磁分布特性，提出以下改進(jìn)手段：

(1)針對永磁體中間易退磁問題，采用不等厚永磁，永磁體中間加厚，兩端減薄，使磁密分布更均勻；

(2)針對內(nèi)層永磁體退磁更嚴(yán)重的問題，兩層永磁體厚度不同，內(nèi)層永磁體厚度大于外層永磁體；

(3)將永磁體往轉(zhuǎn)子內(nèi)部移動，特別是永磁體中間部分，使永磁體遠(yuǎn)離定子退磁磁場，改善退磁問題。

基于以上三點，原始與改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。改進(jìn)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)移，還可以更有效地利用轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間。

圖4 原始與改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比圖

圖5為改進(jìn)轉(zhuǎn)子在-30 ℃，60 A條件下永磁體磁密分布圖?？梢钥闯?，改進(jìn)后永磁體磁密明顯提升，不可逆退磁明顯改善；其中內(nèi)層永磁體磁密達(dá)0.18 T以上，不存在退磁；外層永磁體中間局部磁密在拐點附近，磁密偏低，還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

圖5 改進(jìn)轉(zhuǎn)子-30 ℃，60 A下永磁體磁密分布圖

為了改善外層永磁體局部磁密偏低的問題，我們再改進(jìn)轉(zhuǎn)子永磁體槽兩端，設(shè)置切邊(切邊轉(zhuǎn)子)，以減小端部漏磁磁阻，使得電機(jī)在強(qiáng)磁場狀態(tài)下增加定子反向磁場泄露，但在正常運行磁場狀態(tài)下磁場泄露不大，改善高磁場狀態(tài)下永磁體退磁的同時，保證正常磁場下電機(jī)運行效率。圖6為切邊轉(zhuǎn)子在-30 ℃，60 A條件下永磁體磁密分布圖?？梢钥闯?，設(shè)置切邊后，外層永磁體磁密提升，最小磁密提升至0.198 T左右，比改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提升了20%以上；內(nèi)層永磁體磁密略微降低至0.175 T左右，無明顯下降，因此，設(shè)置切邊可進(jìn)一步改善外層永磁體退磁情況。在永磁體退磁最嚴(yán)重的外弧繪制弧線，以查看改進(jìn)前后永磁體磁密變化情況，圖7和圖8分別為外層和內(nèi)層永磁體在-30 ℃，60 A條件下外弧磁密情況，對永磁體位置作歸一化處理?？梢钥闯?，最終切邊方案永磁體中間部分磁密均大幅提升，有效解決永磁體不可逆退磁問題，其中外層永磁體最小磁密提升了50.6%，內(nèi)層永磁體最小磁密提升了155%。

圖6 切邊轉(zhuǎn)子-30 ℃，60 A下永磁體磁密分布圖

圖7 原始及切邊方案外層永磁體磁密曲線

圖8 原始及切邊方案內(nèi)層永磁體磁密曲線

綜上，通過永磁體加厚、內(nèi)移、端部切邊等設(shè)置，可以有效改善PMSynRM低溫惡劣條件下鐵氧體永磁體不可逆退磁，提升電機(jī)可靠性，使其具有更廣泛的應(yīng)用場合。

3 優(yōu)化結(jié)果比較

為了分析改進(jìn)方案對電機(jī)成本及效率的影響，我們核算了永磁體用量及仿真電機(jī)效率(機(jī)械頻率60 Hz)，如表2所示。由于切邊方案退磁改善效果最好，電機(jī)效率也比原始方案高，雖然永磁體用量略增，但鐵氧體永磁體價格低廉，對電機(jī)成本影響極小，因此優(yōu)選切邊方案。

表2 各方案永磁體用量及仿真效率對比

為了進(jìn)一步分析不同電流下切邊方案退磁改善效果，我們仿真和計算了不同電流下永磁體平均磁密，并根據(jù)圖1的B-H曲線求取回復(fù)后的磁密，以此計算永磁體退磁率。

圖9為不同電流下原始及切邊方案外層永磁體退磁率。可以看出，原始方案在3倍電流(60 A)以后開始出現(xiàn)較嚴(yán)重不可逆退磁，而切邊方案在4倍電流(80 A)以后才出現(xiàn)較明顯退磁，抗退磁電流明顯提升。

圖9 不同電流下原始及切邊方案外層永磁體退磁率

圖10為不同電流下原始及切邊方案內(nèi)層永磁體退磁率。內(nèi)層永磁體抗退磁電流也明顯提升，其中原始方案在80 A時出現(xiàn)局部反向充磁，導(dǎo)致計算退磁率較小，從結(jié)果來看，內(nèi)層永磁體退磁改善效果優(yōu)于外層永磁體。

因此，切邊方案在電機(jī)成本增加極小的情況下，電機(jī)永磁體抗退磁電流明顯提升，電機(jī)效率增加，達(dá)到較好的優(yōu)化效果。

4 結(jié) 語

本文首先簡要介紹鐵氧體永磁體退磁原理特性，通過有限元仿真分析了一臺36槽6極鐵氧體PMSynRM永磁體退磁分布特性；然后根據(jù)其退磁特性，提出了不等厚永磁體、永磁體內(nèi)移、永磁體槽切邊等改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并通過仿真驗證其退磁改善效果；最后對比了各改進(jìn)結(jié)構(gòu)對永磁體用量、電機(jī)效率、退磁率的影響，最終確定切邊方案。因此，通過轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以有效改善鐵氧體PMSynRM低溫不可逆退磁，使其具有更廣泛的應(yīng)用場合及應(yīng)用前景。后續(xù)工作將制作樣機(jī)進(jìn)行電機(jī)效率及退磁測試，通過實驗進(jìn)一步驗證其改進(jìn)效果。