混合励磁永磁记忆电机弱磁性能分析

姜春辉，田玉冬

(上海电机学院，上海 201306)

混合励磁永磁记忆电机弱磁性能分析

姜春辉，田玉冬

(上海电机学院，上海 201306)

设计了一种混合励磁永磁记忆电机，采用Ansoft Maxwell 2D仿真软件建立了仿真模型，采用有限元的分析方法，研究了电机的弱磁性能。给出了去磁时的回复线方程和充磁时的局部磁滞回线方程。对电机施加不同的直轴去磁电流，分析电机的磁力线分布和永磁体的磁密矢量分布，给出了电机在不同磁化电流下的相磁链曲线。仿真结果表明，该记忆电机具有良好的弱磁性能，同时在弱磁运行时能够保证电机始终具有一定的气隙磁密。

混合励磁；可变磁通；记忆电机；弱磁

0 引 言

永磁同步电机因其具有结构简单，转动惯量小，功率因数和效率高，较小的尺寸就能得到较大的功率和转矩，易于实现精密控制等特点，已被越来越广泛的使用，其发展前景很广阔。但永磁同步电动机转子永磁体一旦专设完毕，其励磁难以调节，同时电机运行又受到其功率容量限制，导致其弱磁扩速困难，调速范围小。

永磁同步电机在进行弱磁操作时，往往需要施加一持续的直轴电流，通过电机电枢反应产生电枢电动势，对电机磁场产生削弱作用，但是持续的定子直轴电流增加了电机运行时的电枢损耗，而且当直轴电流较大时，永磁体可能发生不可逆退磁现象。

可变磁通永磁记忆电机(VFMM)是最早由德国学者Vlado Ostovic于2001年提出的一种新型永磁同步电机，这种电机在弱磁运行时，在定子绕组施加一个直轴电流脉冲，改变永磁体的磁化水平，并将这个时刻的工作点记忆下来。相比传统永磁电机，该电机能在有效调节励磁的同时保持较高的功率密度，受到越来越多研究学者的重视。

文献[1]分析了Vlado Ostovic所提出的这种记忆电机的结构特征，与传统的永磁电机不同，该电机的永磁体形状为近似梯形，Vlado Ostovic制作了一台样机并与传统的永磁电机进行了比较。文献[2]给出了设计记忆电机所需注意的一些要点，并通过计算得出了该记忆电机永磁体允许的最大径向长度。文献[3]通过有限元的分析方法，得出了永磁体采用不同的形状时电机的弱磁性能差别，探讨了电机的磁通密度随永磁体形状的变化规律，论证了该记忆电机采用梯形永磁体的合理性。文献[4]探讨了采用梯形永磁体的记忆电机的施加去磁电流时的弱磁原理。文献[5]建立了可变磁通永磁记忆电机永磁体连续去磁和重新充磁的磁化模型，给出了去磁时的回复线方程和充磁时的局部磁滞回线方程，通过仿真研究给出了施加不同定子直轴去磁电流时记忆电机的磁力线分布分磁通密度矢量分布，采用有限元的方法计算了电机在施加不同去磁电流时的气隙磁密、反电动势、每极气隙磁通、相磁链等参数。文献[6]提出一种混合励磁永磁记忆电机，研究了电机工作在不同磁化状态下永磁体的静态特性。基于有限元法，给出了不同去磁电流下电机的磁场分布曲线图、反电动势和单相磁链曲线图以及永磁体的磁密矢量变化图。文献[7]提出了一种应用于电动汽车的新型定子永磁型磁通记忆式游标电机，将磁通记忆的概念和游标结构运用到定子永磁型电机中，采用了具有高剩磁、低矫顽力的铝镍钴永磁体和磁化绕组，能够方便地实现弱磁控制，同时不会产生额外的功率孙涵，能够有效拓电机的宽调速范围。

本文设计了一种混合励磁VFMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真软件建立仿真模型，对VFMM在不同弱磁运行状况下永磁体的工作特征进行了分析，得出了永磁体处于不同磁化水平下电机的磁密矢量分布、磁力线分布、相磁链曲线等电机特性，并比较了所设计记忆电机与常规内置式切向充磁永磁同步电机弱磁性能。

1 电机结构及原理分析

1.1电机结构

图1为本文所设计的混合励磁VFMM的1/4截面图，该电机共有4极、24个槽，定子线圈采用单层绕组，并联支路数为1，其结构和绕组分相方式与常规永磁同步电机相同，转子结构由混合励磁的永磁体、铁心和非磁性夹层交替排列而成。其中永磁体由近似梯形的铝镍钴永磁体和矩形的钕铁硼永磁体两部分构成，且铝镍钴永磁体两侧都设有非磁性材料构成的隔磁装置。在转子各极之间增设非磁性夹层，可以增加交轴磁阻，降低交轴上产生的压降，增加电机运行效率。定转子铁心材料为硅钢片DW465-50，非磁性夹层材料为铝。表1列出了仿真电机的相关结构及电气参数。

图1 VFMM截面结构

名称数值名称数值定子外径d/mm120每槽导体数60定子内径d/mm75转子外径d/mm74电机轴长l/mm65转子内径d/mm36铝镍钴Br/T1.05铝镍钴Hc/(kA·m-1)110钕铁硼Br/T1.2钕铁硼Hc/(kA·m-1)988额定功率p/kW3额定电压u/V220额定转速n/(r·min-1)1500工作温度T/℃75

1.2永磁体记忆原理

图2[5]为永磁体在去磁和充磁时的磁滞回线，其主磁滞回环由上升分支和下降分支两部分组成，分别对应图中的g(H)和f(H)。永磁体饱和磁化后其工作点位于下降分支的拐点上方。图2(a)所示为永磁体去磁时的磁滞回线图，在电机弱磁运行时，永磁体的工作点将会沿着下降分支降低，弱磁操作完成后，去除去磁电流，永磁体的工作点将沿回复线上升(如图2(a)中K1，K2，K3)。

图2(b)为永磁体重新充磁时的磁滞回线图，图中M点为去磁操作完成后的某一工作点，对永磁体施加增磁电流进行重新充磁，其工作点将沿局部上升分支Φ(H)上升至N点，增磁操作完成后，永磁体将工作在下降曲线Q(H)上。

(a)去磁(b)充磁

图2永磁体磁滞回线[5]

进行上述去磁操作时，如果施加去磁电流后，永磁体的工作点下降位置处于拐点以上，弱磁操作完成后，其工作点将沿原上升分支返回初始处，此时电机的磁度难以被记忆。如果去磁后永磁体的工作点位于拐点以下，去磁电流去除后，工作点沿回复线对磁通密度进行回复，此时电机的磁密将会被记忆。

本文所设计的电机采用矩形钕铁硼永磁体和近似梯形铝镍钴永磁体混合励磁的方式，由铝镍钴永磁体实现记忆功能，同时钕铁硼永磁体的存在保证电机在弱磁运行时能获得较大的气隙磁密和功率密度，缺点是减少了电机的调磁范围。由于铝镍钴永磁体的形状为近似梯形，电机进行弱磁操作时内侧永磁体率先被磁化，因此只需施加较小的去磁电流，就可使内侧永磁体的工作点下降到拐点以下，即使近似梯形永磁体的平均工作点仍在拐点以上，也能对永磁体起到有效去磁的作用。

1.3永磁体的工作点确定

采用有限元方法对电机进行分析，忽略铁心涡流和磁滞效应，将磁场简化为二维场。

根据电机学基本理论，在磁性材料中磁场强度与磁感应强度间的关系：

(1)

式中：v0为真空磁阻率；M为永磁体磁化强度；H为磁场强度；B为磁感应强度。

结合有限元处理电磁问题的麦克斯韦微分方程组，选取矢量磁位A为求解位函数，可以得到电机磁场的边值问题：

(2)

式中：JS为电枢绕组电流密度 。

2 有限元分析

本文采用Ansoft Maxwell 2D仿真程序对电机进行有限元分析，在建立仿真模型时，需要对整个电机进行剖分，将仿真模型分割成许多小块，本例采用Maxwell 2D仿真软件中的Inside Selection剖分设置，图3为所建立的电机仿真模型的剖分图。

图3 电机有限元剖分图

图4为施加不同定子直轴去磁电流后的磁力线分布图。

(a)id=0(b)id=-3A

(c)id=-6A(d)id=-9A

图4施加不同定子直轴去磁电流后的磁力线分布图

由图4可知，电机施加3 A的去磁电流时，铝镍钴永磁体靠近转轴侧部分发生漏磁现象，而钕铁硼永磁体的磁化水平并未受到影响，随着去磁电流的增大，出现漏磁的部分逐渐增大，当去磁电流增大到9 A是铝镍钴永磁体几乎产生主磁通，且钕铁硼永磁体靠近铝镍钴永磁体侧也受到影响产生部分漏磁，但钕铁硼永磁体产生的磁通仍主要为主磁通。

下面考察施加定子直轴去磁电流后永磁体上磁密矢量的变化。图5为施加不同定子去磁电流后永磁体的磁密矢量图。

(a)id=0(b)id=-3A

(c)id=-6A(d)id=-9A

图5施加不同定子直轴去磁电流后永磁体磁密矢量无

由图5可知，施加定子直轴去磁电流后，铝镍钴永磁体靠近转轴侧部分出现了磁密近似为零的区域，随着去磁电流的不断增大，磁密近似为零的区域不断向定子侧扩大，当直轴去磁电流增大为9 A时，铝镍钴永磁体上磁密达到了一个极小的值。且随着直轴去磁电流的增大，钕铁硼永磁体上的磁密也在不断减小，但总体变化幅度不显著，保证了电机运行时能有足够的气息磁密和电流密度。

图6为施加不同定子电枢去磁电流后A相绕组磁链关系曲线。

图6 施加不同定子电枢去磁电流后

由图6中曲线可知，施加直轴去磁电流后，磁链曲线具有波动性，且曲线的峰值降低，施加的去磁电流越大，磁链的波动性越强，其峰值也相应降低。

表2为施加相同的去磁电流时普通内置式切向充磁永磁同步电机与本文所设计的记忆电机气隙中线出平均气隙磁密对比，表中第1行为普通内置式切向充磁永磁同步电机在分别施加0 A，3 A，6 A，9 A时气隙中线处的平均气隙磁密，第2行为实加相同电流时本文所设计记忆电机气隙中线处的平均气隙磁密。

表2 普通永磁电机与记忆电机弱磁特性对比表

由表2中数据可知，本文所设计的记忆电机与普通内置式切向充磁永磁同步电机相比，由于采用了矫顽力和剩磁密度相对较小的铝镍钴永磁材料，使得电机的空载气隙磁密相应减小，但获得了较好的弱磁性能，使该记忆电机与普通永磁同步电机相比具有更宽的调速范围。

3 结 语

本文设计了一种混合励磁永磁记忆电机，利用AnsoftMaxwell2D仿真软件对该电机进行建模仿真，采用有限元的分析方法探讨了该电机的弱磁性能，给出了当永磁体处于不同磁化强度下电机运行的磁力线曲线图、磁密矢量分布图、单相磁链曲线图以描述电机的弱磁特性。仿真结果表明，该混合励磁永磁记忆电机具有良好的弱磁性能，该电机的弱磁和记忆功能主要由铝镍钴永磁体实现，当电机施加去磁电流后，在铝镍钴永磁体靠近转轴处会形成去磁区域，且随着去磁电流的增大，去磁区域也不断扩大，这个过程中钕铁硼永磁体的磁化水平始终保持在一个较为稳定的状态，保证电机正常工作。

[1]OSTOVICV.Memorymotors[J].IEEEIndustryApplicationsMagazine,2003,99(1):52-61.

[2] 孙建忠,白凤仙.新概念永磁电机-记忆电机的设计研究[J].大电机技术,2004(3):9-12.

[3] 刘恒川,林鹤云,郭健,等.永磁体形状对可变磁通记忆电机调磁参数影响分析[J].电工技术学报,2009,24(2):14-19.

[4]LIUHengchuan,LINHeyun,FANGShuhua,etal.Permanentmagnetdemagnetizationphysicsofavariablefluxmemorymotor[J].IEEETransactionsonMagnetics,2009,45(10):4736-4739.

[5] 刘恒川,林鹤云,黄明明,等.可变磁通永磁记忆电机调磁特性[J].电工技术学报,2010,25(11):42-47.

[6] 林鹤云,刘恒川,黄允凯,等.混合永磁记忆电机特性分析和实验研究[J].中国电机工程学报,2011,31(36):71-76.

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[8] 李春艳,于艳君,盛遵冰.永磁同步电机弱磁研究现状分析[J]. 黑龙江大学工程学报,2014,5(4):89-96.

AnalysisofFlux-WeakeningPropertiesofHybridExcitationPermanentMagnetMemoryMotor

JIANGChun-hui，TIANYu-dong

(Shanghai Dianji University，Shanghai 201306,China)

A hybrid permanent magnet (PM) variable flux memory motor (VFMM) was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The flux weakening of the motor was researched by using the finite element analysis method. Recoil line equation under demagnetization and local hysteresis curve equation under remagnetization are given. Different direct axis current is applied to the motor. The motor's flux_lines and the permanent magnets' flux density vector was analysed. The motor's fluxlinkage of winding a under different magnetizing current was given. The simulation results show that the motor has good flux weakening ability. And the motor has a certain air gap magnetic density in weak magnetic operation.

hybrid permanent magnet; variable flux; memory motor; flux weakening

2016-05-12

TM351

：A

：1004-7018(2016)11-0030-04

姜春辉(1991-), 男，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机设计。