基于多层转子结构的可控磁通电机有限元分析①

黄 佳， 江才林

(1．同济大学汽车学院，上海201804;2．同济大学机械与能源工程学院，上海201804)

0 引言

在电机领域中，受普通永磁材料固有特性的限制，传统永磁同步电机的气隙磁场很难调节，这使得电动运行时调速范围十分有限，极大地限制了永磁电机在电动汽车、航空航天等宽调速直驱领域的应用．为此，如何实现永磁电机气隙磁场的有效调节成为近年来电机研究领域的一个热点．一种通过改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节，被称为混合永磁型可控磁通电机，正在受到越来越多学者的关注[1]．一些诸如“U”型[2]、“V”型[3]、“W”型[4]的混合永磁型可控磁通电机相继被许多专家学者提出．然而，这些不同结构的可控磁通永磁电机均采用单层转子结构，在电机通过三相定子电流对转子磁通控制时，往往需要较大的电流值．

为了解决较大的定子控制电流，本文提出一种三层转子结构的可控磁通永磁同步电机，利用有限元软件对该电机的空载特性、工作状态特性、电机状态改变的磁通控制特性进行仿真分析．

1 三层转子结构可控磁通电机模型

1．1 电机模型及功能介绍

三层转子结构可控磁通永磁电机的剖面图如图1所示:

该可控磁通电机的定子与传统永磁电机的定子相同，绕组为双层整数槽绕组，能够在一定程度上减少电机的反电动势谐波、电流谐波以及转矩脉动[5]．转子为内置混合式结构，包含钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，分三层放置．钕铁硼位于第一、二层的两侧和第三层，其充磁方向固定不变，为电机提供主要的气隙磁通;铝镍钴位于第一、二层的中间位置，其充磁方向受大小和方向均可变的d轴电流控制，作为磁通可控部分．

该电机有两种工作状态:助磁状态和去磁状态，电机在这两种状态之间的转换由d轴电流控制．当铝镍钴的充磁方向和钕铁硼充磁方向相同时，电机工作在助磁状态，处于第一、二层的铝镍钴矫顽力较低，对气隙磁通贡献不大，但能将处于第三层的钕铁硼产生的磁通导向定子侧，增强电机的气隙磁密，保证电机具有较好的驱动性能．当铝镍钴的充磁方向和钕铁硼充磁方向相反时，电机工作在去磁状态，处于第一、二层的铝镍钴将两侧和第三层的钕铁硼产生的磁通短路在转子侧，此时电机的气隙磁密最弱，达到了弱磁扩速的目的，增大了电机调速范围．

1．2 电机结构的优点

三层转子结构的可控磁通永磁电机采用Id=0控制策略，负载电流即为q轴电流Iq，对处于第一、二层中间位置的铝镍钴永磁体几乎无影响，保证电机驱动状态下电机转子磁通的稳定．三层永磁体两侧均采用空气作为隔磁结构，增大了q轴的电感，充分利用了电机凸极效应，增大转矩．位于第二层两侧的空气隔磁结构的长度大于第一层的钕铁硼长度，减弱了去磁状态时钕铁硼对铝镍钴的反向磁化，保证了电机弱磁的能力;同时，在铝镍钴由去磁状态变为助磁助磁状态时，阻碍了d轴电流产生的磁通通向两侧的钕铁硼，保证了铝镍钴能迅速被反向磁化．

2 三层转子结构可控磁通电机电磁分析

该电机模型采用8极48槽结构，采用Y型连接双层叠绕组，具体技术数据如表1所示．在有限元软件中，可采用一对极下的区域进行求解．

表1 8极48槽可控磁通永磁电机技术参数

针对新能源的车用电机的要求，主要对电机空载特性、电机驱动特性、电机磁通控制过程进行电磁分析与仿真．

2．1 电机空载分析

在电机驱动状态下，铝镍钴永磁体正向充磁工作于助磁状态时，在有限元软件中进行仿真．

空载时，电机工作在助磁状态，电机气隙磁密、感应电动势分别如图2、图3所示:

图2 铝镍钴助磁时气隙磁密沿气隙中心线分布

图3 铝镍钴助磁时空载的感应电动势波形

由图2可知，电机定子侧最高气隙磁密为761．088mT，表明电机有较好的驱动能力．由图3可知，其空载反电动势波形具有较高的正弦度．

在电机弱磁状态下，铝镍钴永磁体反向充磁工作于去磁状态时，在有限元软件中进行仿真．

空载时，电机工作在去磁状态，电机气隙磁密分布、感应电动势分别如图4－图5所示:

图4 铝镍钴去磁时气隙磁密沿气隙中心线分布

图5 铝镍钴去磁空载时的感应电动势波形

由图4可知，电机定子侧最高气隙磁密从助磁状态下的761．088mT降到391．385mT，弱磁比约为2．图5显示去磁状态下电机感应电动势较低，表明电机在能够弱磁的条件下具有较好的安全性能．

2．2 电机驱动特性分析

根据电机特性及逆变器特性选择电机最高工作电流密度为13A/mm2，对电机驱动状态，采用Id=0控制满载工况进行仿真，转矩如图6所示:

图6 电机助磁状态加载电流时齿槽转矩

由图6可知，三层转子结构的可控磁通永磁同步电机在助磁状态下加载电流，其转矩最大值为75．7898Nm，虽然有一定的转矩脉动，但其幅值相对较小，能够满足实际使用要求．

2．3 电机状态改变的磁通特性分析

对该三层转子结构的可控磁通永磁同步电机的两种状态(助磁状态与去磁状态)下的铝镍钴永磁体的充磁过程进行有限元仿真．采用d轴负向电流，对第一层、第二层铝镍钴去 磁状态进行充磁仿真，其内部磁场强度如图7所示:

图7 铝镍钴去磁状态下内部充磁的磁场强度大小

由图7可知，第一层、第二层铝镍钴内部磁场强度分布均匀性较好，磁场强度平均值为分别为91．788kA/m，93．356kA/m，根据铝镍钴的退磁曲线可知，此时第一层和第二层的铝镍钴永磁体充磁已经接近饱和状态．

采用d轴正向电流，对第一层、第二层铝镍钴助磁状态下进行充磁仿真，铝镍钴内部磁场强度如图8所示:

图8 铝镍钴助磁状态下内部充磁的磁场强度大小

由图8可知，第一层、第二层永磁体内部磁场强度分布均匀性较好，磁场强度平均值分别为75．387kA/m，62．335kA/m，此时铝镍钴的充磁尚未达到饱和状态，然而，三相短路电流将会有一个很高的脉冲幅值，能够将该永磁体反向充磁达到饱和状态．

由此可知，三层转子结构的可控磁通永磁同步电机在较小的控制电流下(13A/mm2)就能完成电机两种状态的转换过程，大大减小了磁通控制电流，并且助磁工况下充磁到反向饱和相对于去磁工况下充磁到正向饱和程度难，这使得电机在正常工作状况下能够不受高次电流谐波的干扰，从而保证了电机运行的稳定性．

3 结论

本文针对单层转子结构可控磁通电机磁通控制电流过大的问题，提出一种三层转子结构的可控磁通永磁电机，对该电机的特性及优点进行了介绍，并对电机空载特性、工作状态特性、电机磁通改变特性进行了有限元仿真．仿真结果表明，该可控磁通永磁电机大大减小了磁通控制电流，并且能够满足实际使用要求．然而，本文中采用Id=0控制，没有考虑效率最优问题，值得进一步深入研究．

[1] 林鹤云，阳辉，黄允凯，等．记忆电机的研究综述及最新进展[J]．中国电机工程学报，2013，33(33):57 －67．

[2] Sakai K，Yuki K，Hashiba Y，et al．Principle of the Variable －magnetic－ force Memory Motor[C]//The 12th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS 2009)．Tokyo，Japan:IEEJ Industry Applications Society，2009:1 －6．

[3] 陈益广，仲维刚，沈勇环．内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析[J]．中国电机工程学报，2009，29(6):61 －66．

[4] 陈益广，王颖，沈勇环，等．宽调速可控磁通永磁同步电机磁路设计和有限元分析[J]．中国电机工程学报，2005，25(20):157－161．

[5] 陈世坤．电机设计(第2版)[M]．北京:机械工业出版社，2000．