考虑部分退磁效应的永磁同步电动机的永磁外形设计

刘 琨

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

0 引言

最近，与多极永磁同步电机（PMSM）已经发展成为一个混合动力电动汽车（HEV）的牵引电机。为了提高驾驶车辆的舒适性，它的设计应该有正弦反电动势和低齿槽转矩，这是低转矩脉动的主要影响因素[1]，并有高缠绕填充因子和气隙磁通密度以提高永磁同步电机的功率谜底。多篇以满足目标函数的形状优化设计的论文已发表[2]。然而，正弦气隙磁通密度和最小体积永久磁铁永久磁铁的形状优化设计对部分永久磁铁退磁会产生负面影响。

首先，由于安装空间的限制牵引电机必需采用紧凑的设计。因此，作为牵引电机的永磁同步电动机优化，具有较高的绕组的填充因子和高能量在其转子的永久磁铁。然而，车辆的工作温度和定子绕组的磁动势（MMF）比传统的要高。永磁退磁的影响应被视为一个主要的设计参数。一旦局部退磁发生，高于额定电流流入定子绕组以生成相同的负载转矩。因此，工作点的热是越来越多的增加。

在本文中，研究了考虑局部退磁效果的永久性磁铁的形状设计，并使用有限元法对其进行了分析。作为一个分析模型，设计了用于高功率的车辆的外转子永磁同步电机，如公共汽车和卡车。采用正弦反电动势的理念设计极弧比率为80%。对由于永久磁铁的形状产生的部分退磁的影响进行了分析，采用4种形状模型作为当前的故障状态和两种最大转矩和负载短路状态的角度。提出了部分退磁外转子永磁同步电动机，齿槽转矩，负载角曲线和反电动势的鲁棒性形状模型。此外，部分退磁后的特性进行了分析和对测试验证提出了方法。

1 分析模型

高功率的混合动力电动汽车的永磁同步电动机的规格如表1所示。每极定子槽数是1.5。它可以使用一个分段的核心和同心绕组。

分段齿定子和封闭槽设计旨在降低齿槽转矩。由于在封闭槽漏磁通降低功耗的效果是最多的约2% 3%。对于一个多极电机，应该使用高频电流，低损耗硅钢片。

表1 分析模型参数

表2 据极形状模型的有限元分析结果

2 永磁退磁

图1显示了一个永磁退磁曲线。由于永久磁铁的温度提高到退磁发生的拐点200℃时，在430 kA / m和0.53T时存在退磁发生的拐点。关于设计的永久磁铁的厚度，我们可以利用操作点Hd的磁场强度和磁场强度的拐点Hknee之间的关系，如式（1）所示：

这里αi是极弧比例，ω是每相匝数，lm是磁铁的厚度，lg是气隙厚度，p是极对数，Is是短路电流。

图1 永磁退磁曲线的特征

图2 分析模型的部分永磁退磁

电机短路电流是由有限元计算为606A，极限电流设置为400 A。为了设计一种经济的永磁同步电动机控制驱动器，我们改变成短路电流限制电流控制器。永久磁铁工作温度是在一个混合动力电动汽车牵引电机的情况下非常高。因此，我们应该使用磁铁的设计厚度的200℃的值。因此，我们可以采用此电机磁体的厚度为6毫米的设计。

但是，它是不可能的分析部分退磁。根据负载角发生的故障状态，局部退磁方面变得不同。因此，采用有限元数值分析方法来研究部分退磁。

图3 齿槽转矩根据形状模型的分析结果

图4 部分退磁的分析结果

首先，我们将永久磁铁按区域分成一些网格，计算在每个细分网格预磁化相反方向的电流输入定子绕组的永磁磁通密度（或通量强度）。如果在每个网格的通量密度都在磁强度拐点值下，剩磁的元素是使用反冲线改为消磁一个B点（如图1所示）。最后，我们可以诱导比例如图1所示的永久磁铁的温度系数在20℃剩磁C点。

3 部分退磁的分析

为了研究与形状相关的部分退磁，提出4种形状模型，有80%的极弧率，如图2所示。表2显示了有限元分析的特征结果。

所有模型的反电动势的总谐波失真率（THD）均低于5%。齿槽转矩的形状模型1是所有模型中最小的。负载角的范围超过95%的最大扭矩，这是关系到缩小变细的永久磁铁的可控性。到现在为止，数篇论文给出了这些设计变量的形状优化的研究结果。但是，我们应该考虑部分的依赖永磁退磁效应。图3显示了齿槽转矩波形的形状模型。

在最差的输入电流和温度的假设条件下对局部退磁进行了分析[3]。图4显示了在不同的负载的最大扭矩和短路情形下部分退磁200℃退磁曲线的分析结果。可以发现，部分退磁只在N极（或S极）的磁铁上发生。在形状模型4的情况下，消磁面积比别人更广。

为了研究局部退磁的效果，我们采用形状模型4分析如反电动势，负载角曲线，和齿槽形状模型退磁后的扭矩特性的变化。图5显示了部分退磁效应在两种负载的角度参数分析结果。我们核实，部分退磁对电机参数的有害影响，以及功率密度。最后，我们决定采用形状模型1作为一个鲁棒的外转子永磁同步电动机型的混合动力汽车。

图6显示了退磁效应的实验装置。为了部分消磁的永磁，我们输入400 A的电机故障电流，电机温度增加约200℃。之后，我们测量一个反电动势波形为验证提出的方法。图7显示了在最大扭矩负载角的退磁测试后的反电动势。与图5的仿真结果相比，它显示了良好的一致性。

图5 部分退磁后的特征

图6 外转子永磁同步电机的实验设置

图7 局部退磁最大扭矩负载角反电动势的实验结果

4 结论

在本文中，我们使用有限元分析两种故障状态永久磁铁的部分退磁。我们提出一个有效的形状模型，考虑局部退磁，以及齿槽转矩和反电动势的永久性磁铁。在外转子永磁同步电动机的混合动力电动汽车情况下，形状优化的尖细永磁表面高功率的会对局部退磁产生影响。由于部分退磁恶化电机的特性严重，所提出的方法对牵引电机具有依赖性。

[1] K. J. Lee, K. C. Kim, S. Kim, J. S. Ahn, S. Y. Lim, and J. Lee,“Optimal magnet shape to improve torque characteristics of interior permanent magnet synchronous motor,” J. Appl.Phys., pt. 2,3, 2005, 97(10).

[2] M. F. Hsieh and Y. S. Hsu, “An investigation on influence of magnet arc shaping upon back electromotive force waveforms for design of permanent- magnet brushless motors,” IEEE Trans. Magn., 2005, 41(10).

[3] M. Rosu, J. Saitz, and A. Arkkio, “Hysteresis model for finite-element analysis of permanent-magnet demagnetization in a large synchronous motor under a fault condition,” IEEE Trans. Magn., 2005, 41(6): 2118-2123.