一種非對稱混合永磁拓?fù)涞碾姍C轉(zhuǎn)矩特性分析

王冰潔，朱孝勇，鄭詩玥，項子旋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

近年來，稀土永磁電機由于具有高轉(zhuǎn)矩密度、高效節(jié)能等優(yōu)勢在電機領(lǐng)域備受關(guān)注[1]。稀土作為戰(zhàn)略性資源，對高性能材料制造和新技術(shù)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展起到關(guān)鍵作用。然而，稀土作為不可再生資源，一旦出現(xiàn)供求、價格等方面的波動，將在一定程度上制約電動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在這樣的背景下，降低永磁電機對稀土的依賴，具有現(xiàn)實意義和價值，是永磁電機研究領(lǐng)域的研究熱點之一[2]。

現(xiàn)有的相關(guān)研究通常以永磁電機轉(zhuǎn)矩性能為基本關(guān)注點，圍繞著降低稀土永磁材料用量的設(shè)計主旨，聚焦于永磁電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。一類采用鐵氧體作為永磁勵磁源的非稀土電機引起了研究關(guān)注，通過采用spoke永磁設(shè)計、永磁體分層設(shè)計、雙定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特殊設(shè)計手段，實現(xiàn)了在維持一定轉(zhuǎn)矩能力的基礎(chǔ)上獲得稀土材料的“零使用”的設(shè)計效果[3-4]。然而，鐵氧體固有的低磁能積特性影響了該類電機的轉(zhuǎn)矩密度。此外，另一類研究則從削減稀土永磁用量的角度開展研究，文獻[5]中以降低稀土用量為目標(biāo)，對一種內(nèi)置式稀土永磁電機進行優(yōu)化設(shè)計。研究表明，合理的參數(shù)設(shè)計，能夠在一定程度上提升單位永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能力[6]。然而，大幅度的用量削減將直接導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩能力的明顯下降?？梢?，在少量稀土或非稀土永磁電機的設(shè)計中，獲得高轉(zhuǎn)矩密度等性能特點存在難度。

近年來，一種采用鐵氧體永磁和稀土永磁相混合的永磁電機引起了學(xué)者的研究興趣和關(guān)注[7]。研究表明，通過混合永磁體的多元勵磁效應(yīng)，該類電機一定程度上滿足了較低稀土用量和較高轉(zhuǎn)矩能力的總體性能需求。然而，也正是由于這種多元勵磁的方式，使得該類電機的磁場由不同磁源屬性的永磁磁場在電機結(jié)構(gòu)空間上復(fù)合而成。這意味著在混合永磁電機中存在不同的轉(zhuǎn)矩分量，而轉(zhuǎn)矩分量的疊加效果很大程度上取決于磁場之間的相互作用[8]。由此，兩個磁場之間的耦合設(shè)計與協(xié)同勵磁配合，是影響該類電機轉(zhuǎn)矩輸出特性的關(guān)鍵，對提升電機磁場利用率起到關(guān)鍵作用?？梢?，如何充分考慮不同磁源屬性永磁磁場之間的相互作用影響，并且將其考慮到電機的設(shè)計過程中，實現(xiàn)磁場之間高效配合設(shè)計和電機轉(zhuǎn)矩特性提升，是混合永磁類電機中的研究難題。

本文提出一種非對稱磁路混合永磁電機，其特點在于轉(zhuǎn)子部分采用非對稱混合永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩能力的有效提升。首先給出了非對稱混合永磁電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析了非對稱設(shè)計與轉(zhuǎn)矩特性的內(nèi)在機理。然后通過改變非對稱混合磁路設(shè)計，實現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)矩分量電流角之間的逼近效應(yīng)，從而提升了永磁磁場利用率?；诜治鼋Y(jié)果確定最終的非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。最后通過化仿真結(jié)果表明，通過非對稱磁路設(shè)計，混合永磁電機的磁鏈、輸出轉(zhuǎn)矩、抗退磁能力均獲得了提升，一定程度上驗證了該電機設(shè)計的有效性。

1 電機結(jié)構(gòu)及非對稱拓?fù)湓O(shè)計機理

1.1 非對稱混合永磁電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出了一種采用釹鐵硼和鐵氧體兩種永磁體的9槽6極非對稱混合永磁(Hybrid Permanent Magnet，HPM)電機，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和磁通路徑原理示意圖如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 電機拓?fù)渑c磁路結(jié)構(gòu)

從圖1(a)中可以看出，該電機轉(zhuǎn)子部分的鐵氧體勵磁源采用了經(jīng)典的輪輻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，而釹鐵硼勵磁源則使用了內(nèi)置V型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。并且，在相鄰輪輻鐵氧體之間放置中心偏移的V型釹鐵硼，實現(xiàn)兩組勵磁源在幾何結(jié)構(gòu)上的組合設(shè)計，其目的在于獲得聚磁效應(yīng)，從而提升電機的轉(zhuǎn)矩密度。相應(yīng)的磁通路徑示意圖，如圖1(b)所示?？梢娍闯?，部分釹鐵硼磁通單獨穿過氣隙，在繞組中形成有效匝鏈，而另一部分磁通則與鐵氧體磁通相串聯(lián)，總體上呈現(xiàn)出串并聯(lián)混合磁路特征。該種混合磁路設(shè)計不僅有利于提升電機的磁場利用率，而且在一定程度上增強了鐵氧體的不可逆抗退磁能力。此外，電機的定子部分采用了分?jǐn)?shù)槽集中式繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計。表1列出了電機的基本設(shè)計規(guī)格。

表1 電機設(shè)計指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)值

1.2 非對稱永磁拓?fù)湓O(shè)計機理

電機電磁轉(zhuǎn)矩Te及各部分轉(zhuǎn)矩分量關(guān)系如下：

(1)

式中，ψPM為永磁磁鏈；Iα為電流；Ld、Lq為d、q軸電感；β為電流矢量與q軸夾角；TPM、Tr為分別為永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩與電流角之間為三角函數(shù)關(guān)系，因而存在各自的最大值情形。由于所提出的HPM電機凸極效應(yīng)較小，從而忽略磁阻轉(zhuǎn)矩分量對總轉(zhuǎn)矩的影響。此外，由于HPM電機的永磁磁場由釹鐵硼磁場和鐵氧體磁場疊加而成，所以該電機的永磁轉(zhuǎn)矩存在釹鐵硼轉(zhuǎn)矩分量和鐵氧體轉(zhuǎn)矩分量。通過改變釹鐵硼位置和改變釹鐵硼單側(cè)磁障寬度的方式，形成轉(zhuǎn)子磁路非對稱結(jié)構(gòu)，使得釹鐵硼磁場中心軸和鐵氧體磁場中心軸均發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)兩種永磁轉(zhuǎn)矩分量高效疊加的主要目的。

由釹鐵硼中心磁場偏移引起的磁場偏移原理如圖2所示。如圖所示，當(dāng)釹鐵硼永磁體位置發(fā)生逆時針中心偏移時，其磁場中心軸會隨著位置的偏移而發(fā)生同向偏移。而對于鐵氧體而言，鐵氧體的位置并未發(fā)生變化，由于鐵氧體的阻礙作用，致使釹鐵硼磁場的中心軸出現(xiàn)了逆時針偏移。

圖2 由釹鐵硼中心磁場偏移引起的磁場偏移原理

此外，由釹鐵硼單側(cè)磁障偏移引起的磁場偏移原理如圖3所示。如圖所示，當(dāng)釹鐵硼單側(cè)磁障寬度改變時，由于磁障對磁通有阻礙作用，磁通會繞過磁障再經(jīng)過氣隙和定子形成閉合回路。當(dāng)只有右側(cè)磁障增加時，釹鐵硼磁場會由于右側(cè)磁障的增加整體向右偏移，因此中心軸順時針偏移；同理，對于鐵氧體而言，右側(cè)磁障的增加也阻礙了鐵氧體磁通，致使鐵氧體向右偏移，因此中心軸將順時針偏移。

圖3 由釹鐵硼單側(cè)磁障偏移引起的磁場偏移原理

因此通過釹鐵硼和磁障的中心位置偏移設(shè)計，可以使得釹鐵硼和鐵氧體的中心磁場發(fā)生偏移，以期實現(xiàn)釹鐵硼和鐵氧體的最大轉(zhuǎn)矩點相互逼近，獲得磁場利用率的提高，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的提升。

2 非對稱磁路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

根據(jù)上述分析，通過偏移釹鐵硼和釹鐵硼單側(cè)磁障變化可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量最大值的逼近。因此將通過改變釹鐵硼和鐵氧體偏移參數(shù)對轉(zhuǎn)矩特性進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定較優(yōu)的非對稱結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此提高電機永磁轉(zhuǎn)矩利用率。定義永磁轉(zhuǎn)矩利用系數(shù)k為

k=k1×k2

(2)

需要指出的是，對于這兩個關(guān)鍵參數(shù)我們進行了有次序的分步優(yōu)化，這種分步優(yōu)化能夠有效提高優(yōu)化的效率。通過分析對永磁磁場中心軸主要影響的直接性和間接性，能夠確定兩個參數(shù)的優(yōu)化次序。由于釹鐵硼偏移角度α直接影響到永磁磁場中心軸的偏移，對永磁磁場中心軸的變化起到最主要的影響，因此在優(yōu)化分析的第一步，我們選擇對釹鐵硼偏移角度α最優(yōu)先優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，由于釹鐵硼單側(cè)磁障長度b的改變會對磁通起到不同的阻礙作用，從而造成永磁磁場中心軸的偏移，這對永磁磁場中心軸的變化起到次主要的影響。因此釹鐵硼單側(cè)磁障長度b被作為第二階段優(yōu)化。

首先，分析釹鐵硼偏移角度α對電機永磁轉(zhuǎn)矩的影響。如圖4所示，隨著α的變化，釹鐵硼轉(zhuǎn)矩和鐵氧體轉(zhuǎn)矩最大點各自發(fā)生了偏移，導(dǎo)致永磁轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩最大點都發(fā)生了偏移和數(shù)值變化。隨著釹鐵硼位置逆時針變化，釹鐵硼磁場中心軸也會逆時針變化，因此轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角會增加，而鐵氧體磁場中心軸會順時針變化，因此轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角會減小。隨著釹鐵硼位置變化，釹鐵硼轉(zhuǎn)矩最大值會向鐵氧體轉(zhuǎn)矩最大值逼近，永磁轉(zhuǎn)矩最大值會向輸出轉(zhuǎn)矩最大值逼近。因此k值也會提高，永磁轉(zhuǎn)矩利用率會增大，這與分析結(jié)果一致。表2列出了k值隨釹鐵硼偏移情況，確定α取2°。

圖4 釹鐵硼偏移時不同轉(zhuǎn)矩成分矩角特性圖

表2 釹鐵硼偏移時永磁轉(zhuǎn)矩偏移情況以及k值變化

在此基礎(chǔ)上，進一步研究釹鐵硼單側(cè)磁障變化對轉(zhuǎn)矩性能的影響。如圖5所示，隨著單側(cè)磁障寬度b的變化，釹鐵硼轉(zhuǎn)矩和鐵氧體轉(zhuǎn)矩最大值點發(fā)生了偏移，導(dǎo)致永磁轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩最大值點都發(fā)生了偏移和改變。隨著釹鐵硼單側(cè)磁障的改變，釹鐵硼磁場中心軸也會順時針偏移，因此轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角會減小，鐵氧體磁場中心軸也會順時針偏移，因此轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角也會減小。由于鐵氧體中心軸受單側(cè)磁障影響更大，因此隨著釹鐵硼位置變化，鐵氧體轉(zhuǎn)矩最大值減小得更快，釹鐵硼轉(zhuǎn)矩最大值會向鐵氧體轉(zhuǎn)矩最大值逼近，與此同時，永磁轉(zhuǎn)矩最大值會向輸出轉(zhuǎn)矩最大值逼近，因此k值也會提高，永磁轉(zhuǎn)矩利用率會增大。表3列出了k值隨釹鐵硼偏移情況。最終，當(dāng)b取1.5 mm時，輸出轉(zhuǎn)矩更大，且k提升至0.79。

表3 釹鐵硼單側(cè)磁障變化對永磁轉(zhuǎn)矩偏移以及k的影響

圖5 釹鐵硼單側(cè)磁障變化時不同轉(zhuǎn)矩成分矩角特性圖

通過上述分析，為了提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩和永磁體利用系數(shù)k，最終非對稱磁路混合永磁電機的關(guān)鍵參數(shù)取值如表4所示。

表4 非對稱磁路混合永磁電機關(guān)鍵參數(shù)

3 混合永磁電機電磁性能評估

為了便于挖掘和體現(xiàn)混合永磁電機的潛在性能優(yōu)勢。本章在對非對稱HPM電機性能進行分析的基礎(chǔ)上，將其與傳統(tǒng)對稱HPM電機(即當(dāng)α=0°和b=0 mm時，其余參數(shù)保持一致)進行對比。

圖6為提出的非對稱HPM電機和傳統(tǒng)對稱HPM電機的磁通密度分布和空載磁力線分布。由磁力線圖可以看出，兩臺電機的磁力線走向大致相同，但提出的非對稱HPM電機由于永磁體的非對稱設(shè)計釹鐵硼的一端更靠近鐵氧體，另一端磁障增加，很大程度上減少了漏磁，這側(cè)面反映出永磁磁場利用率可以獲得提高。

圖6 磁通密度分布和空載磁力線分布

圖7(a)為兩臺電機的空載氣隙磁密，提出的非對稱HPM電機的氣隙磁密出現(xiàn)了偏移，且基波幅值有所提高，該結(jié)論與圖6所示結(jié)果相吻合。此外，圖7(b)為兩臺電機的空載磁鏈，通過非對稱設(shè)計，提出的非對稱HPM電機磁鏈發(fā)生偏移，這也側(cè)面說明非對稱設(shè)計后永磁中心軸發(fā)生了偏移。且提出的非對稱HPM電機的磁鏈基波幅值高于傳統(tǒng)對稱HPM電機，這表明通過非對稱拓?fù)湓O(shè)計可以提升永磁磁鏈利用率，有助于電機永磁轉(zhuǎn)矩的提升。

圖7 空載氣隙磁密與磁鏈

圖8 (a)為釹鐵硼轉(zhuǎn)矩和鐵氧體轉(zhuǎn)矩對比圖。如圖所示，傳統(tǒng)對稱HPM電機的釹鐵硼轉(zhuǎn)矩峰值與鐵氧體轉(zhuǎn)矩峰值對應(yīng)的電流角差值為27°；而提出的非對稱HPM電機的差值僅為13°。通過非對稱設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)兩個轉(zhuǎn)矩分量最大值點的逼近。同時，為了更好的展示永磁轉(zhuǎn)矩的提升，圖8(b)對比了永磁轉(zhuǎn)矩和輸出總轉(zhuǎn)矩。由于釹鐵硼轉(zhuǎn)矩和鐵氧體轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致永磁轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩都向右偏移，且永磁轉(zhuǎn)矩偏移的更多，因此永磁轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角與輸出轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)電流角之間的差值也明顯減少。永磁轉(zhuǎn)矩利用系數(shù)k由原來的0.34上升到了0.68，輸出轉(zhuǎn)矩最大值由原來的41.42 Nm提高到了43.78 Nm。研究結(jié)果表明，通過非對稱磁路的設(shè)計，釹鐵硼轉(zhuǎn)矩分量和鐵氧體轉(zhuǎn)矩分量的疊加效果獲得了提升，從而提高了轉(zhuǎn)矩輸出能力。

圖8 轉(zhuǎn)矩性能對比圖

由于鐵氧體固有的矯頑力屬性，從而在電機運行過程中存在不可逆退磁的風(fēng)險。于是，針對電機鐵氧體的抗不可逆退磁能力進行了評估，如圖9所示。

圖9 抗退磁能力分析

圖9(a)為額定負(fù)載下鐵氧體的工作點變化情況。從圖中可以看出，提出的非對稱HPM電機的鐵氧體工作點一直位于傳統(tǒng)對稱HPM電機的上方，說明非對稱混合永磁設(shè)計有效提高了鐵氧體的工作點。圖9(b)為過載電流下兩臺電機的鐵氧體工作點變化。由于高矯頑力釹鐵硼的靠近，提出的非對稱HPM電機鐵氧體的工作點一直在退磁線以上，而傳統(tǒng)對稱HPM電機隨著過載電流上升，鐵氧體工作點出現(xiàn)在退磁線以下，發(fā)生不可逆退磁。由此，通過混合永磁體的非對稱磁路設(shè)計，釹鐵硼磁場對鐵氧體磁場起到了保護作用，從而提升了電機的抗退磁能力。

4 結(jié) 論

本文提出一種混合永磁電機，其特點在于轉(zhuǎn)子部分采用非對稱混合永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩能力的有效提升。通過釹鐵硼永磁與鐵氧體永磁之間的非對稱磁路設(shè)計，使得電機最大永磁轉(zhuǎn)矩點發(fā)生偏移，有效實現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)矩分量電流角之間的逼近效應(yīng)，從而提升了永磁磁場利用率。優(yōu)化設(shè)計和仿真結(jié)果表明，通過非對稱磁路設(shè)計，混合永磁電機的磁鏈、輸出轉(zhuǎn)矩、抗退磁能力均獲得了提升，一定程度上驗證了該電機設(shè)計的有效性。