一种外转子可变磁通永磁记忆电机设计与弱磁性能分析*

姜春辉, 田玉冬

(上海电机学院,上海 201306)

一种外转子可变磁通永磁记忆电机设计与弱磁性能分析*

姜春辉, 田玉冬

(上海电机学院,上海 201306)

设计了一种外转子可变磁通永磁记忆电机，利用Ansoft Maxwell 2D仿真软件建立了电机模型，给出了永磁材料磁化特性和电机工作模型。采用有限元分析方法，对电机的弱磁性能进行探究，给出了电机施加不同直轴去磁电流时的磁力线分布、相磁链曲线、反电动势曲线和磁通密度分布曲线。仿真结果表明，该电机具有良好的弱磁性能，其调磁过程主要通过改变铝镍钴永磁体的磁化水平实现。

可变磁通永磁记忆电机；弱磁；外转子

0 引 言

永磁同步电机由于其结构简单、功率因数和效率高、转动惯量小、易于实现精密控制等优点在电动汽车、航天航空、工业传动、家用电器等诸多领域得到了快速发展。但是，由于其转子永磁体材料属性的限制，传统永磁同步电机也存在一些缺点。通常，在传统永磁同步电机进行弱磁操作时，需要施加一个持续的定子电流，这不仅会提高电机的损耗，也增加了永磁体不可逆退磁的风险，导致电机性能下降。为避免永磁体发生不可逆退磁，研究人员通常增大永磁体的尺寸，但这不仅增加了电机生产的成本，还会导致电机功率密度的下降。此外，传统永磁电机气隙磁密调节困难，限制了其调速范围。

为了增强永磁电机弱磁扩速的能力，2001年,Vlado Ostovic教授设计了一种可变磁通永磁记忆电机(Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor，VFMM)。这种电机对永磁体的磁化强度具有记忆特性，通过直轴去磁电流改变其磁密水平。记忆电机具有较高的功率密度，同时其励磁调节方便，具备良好的研发前景。

文献[1]介绍了VFMM的基本结构，与传统永磁同步电机相比，定子部分结构相似，转子永磁体采用具有低矫顽力和高剩磁密度的铝镍钴永磁材料，形状为近似梯形。这种电机进行弱磁操作时，只需施加一个定子直轴电流脉冲，不会产生额外的损耗，并可以将弱磁时的工作点记忆下来。Vlado Ostovic通过样机测试验证了其在功率密度方面的优势。文献[2]分析了记忆电机的一些设计要点，论证了记忆电机永磁体的有效径向长度。文献[3]通过有限元的方法搭建了记忆电机的基本模型，分析了不同形状的永磁体对电机弱磁性能的影响，探讨了梯形永磁体对电机弱磁能力的增强作用。文献[4]分析了梯形永磁体在记忆电机弱磁操作中的工作特性。文献[5-6]提出了一种混合励磁永磁记忆电机，其永磁体由两部分构成，分别为近似梯形的铝镍钴永磁体和矩形的钕铁硼永磁体，转子结构由永磁体、非磁性夹层和铁心交替排列而成。研究了电机工作在不同磁化水平下永磁体的静态特性，计算了不同永磁磁化状态下的气隙磁密、永磁磁链、反电动势及每极气隙磁通等电机主要参数。文献[7]设计了一种“Y”型结构永磁体的可变磁通记忆电机，将两种永磁体嵌入“Y”型的转子槽中，钕铁硼永磁体产生大部分的气隙磁密，铝镍钴永磁体作为可变磁通永磁体用来调节磁通密度，通过控制直轴去磁电流可以改变铝镍钴永磁体的磁化水平和磁化方向，而钕铁硼永磁体的磁化反向始终保持不变。文献[8]提出了使用附加定子绕组来改变轴向磁通的记忆电机，包括一个具有表贴式永磁体结构的二转子部件，永磁体径向充磁至饱和，定子结构部分为固体轭结构，用来减少层间气隙，部分为叠片结构，附加定子绕组置于两部分定子之间，提供可变的励磁电流。

本文设计了一种新型外转子VFMM[9-10]，在Ansoft Maxwell 2D仿真软件中建立了仿真模型，分析了电机模型及弱磁原理，给出了施加不同直轴去磁电流后该电机的相磁链曲线、磁力线分布图、气隙磁密曲线及反电动势曲线等电机特性图，分析了外转子记忆电机的性能特点，论证了该电机在永磁电机弱磁增速领域的优点。

1 电机结构及原理分析

1. 1 电机结构

本文所设计的外转子VFMM为48极36槽结构，图1为电机截面结构图。其定子部分采用双层绕组线圈，每槽导体数为60，定转子铁心材料为DW465-50型号硅钢片，转子侧永磁体采用铝镍钴和钕铁硼两种材料，其中铝镍钴具有低矫顽力、高剩磁密度的特性，方便进行弱磁。其排列方式可根据气隙磁密和弱磁性能等参数的实际需要，采用6铝镍钴永磁体/42钕铁硼永磁体、8铝镍钴永磁体/40钕铁硼永磁体、16铝镍钴永磁体/32钕铁硼永磁体、24铝镍钴永磁体/24钕铁硼永磁体等多种方式。本文为得到较宽的调速范围，采用24铝镍钴永磁体/24钕铁硼永磁体方式，即铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体交替排列，充磁方向相反。定子外径为259 mm，转子外径和内径分别为280 mm和262 mm，永磁体厚度为4 mm，电机的轴向长度为20 mm。本文所采用的铝镍钴永磁材料剩磁密度为1.05 T，矫顽力为110 kA/m，钕铁硼永磁材料剩磁密度为1.2 T，矫顽力为988 kA/m。

图1 电机截面结构图

铝镍钴永磁体由于具有较低的矫顽力，在饱和磁化后可通过施加一直轴去磁电流脉冲改变其磁化水平，使其工作点下降到磁滞回线下降分支的拐点以下，去除去磁电流，永磁体的工作点将沿回复线上升，如图2所示，去磁后的磁通密度将被部分记忆。钕铁硼永磁体由于其矫顽力较高，饱和磁化后，施加去磁电流脉冲，其工作点难以下降到磁滞回线下降分支的拐点以下，去磁电流去除后，永磁体工作点将返回饱和处，去磁后的磁通密度将不会被记忆。电机运行时，铝镍钴永磁体根据其磁化水平调节转子磁场，达到调速作用，而钕铁硼永磁体则提供一个基础的转子磁场，保证电机运行时始终具有一定的气隙磁密和功率密度。本文所设计的VFMM由于采用混合励磁，与传统永磁同步电机相比具有较大的调速范围，与单励磁记忆电机相比又提高了功率密度。

图2 永磁体磁滞回线图

1. 2 铝镍钴材料磁化特性

传统永磁同步电机转子永磁体通常选取钕铁硼、钐钴等优质永磁材料，其退磁曲线为近似线性，故其剩磁密度与矫顽力成正比关系。记忆电机中采用铝镍钴永磁体调节转子磁场，其退磁曲线为高度非线性，在建立磁化特性模型时，采用一个虚设的矫顽力代替其真实矫顽力，假定退磁特性为线性，其磁密可表示为

(1)

式中:Hm——定子电流激励产生的磁场强度;μ0、μrm——磁体的空间磁导率和相对磁导率。

永磁体的工作状态由电机的导磁系数决定，同时还需考虑电机工作在增磁还是退磁条件下，导磁系数可通过式(2)表示。

(2)

1. 3 电机工作模型分析

式(3)为dq坐标轴下电机三相动态电气方程。

(3)

式中:Ud、Uq、id、iq——直轴和交轴的电压和电流；

ω——角频率；

Rs、Ls、φf——相电阻、同步电感和磁链。

电机电磁转矩方程为

(4)

式中:Lds、Lqs——dq轴电感。

电压和电流的大小受到驱动器容量的限制，不考虑定子向电阻压降的影响，其等效公式为

(5)

(6)

(7)

为了使电机工作在基速以上，需要对电机进行弱磁控制，弱磁运行时参考电流的公式：

(8)

(9)

2 有限元分析

本文采用有限元的方法对电机性能进行分析，在Ansoft Maxwell 2D仿真软件中建立有限元模型时，将整个永磁体进行剖分，分别确定每一小块永磁体的工作点。在有限元剖分时，对永磁体按照与分割小块相同的比例进行剖分，并且在分析不同转子位置的磁场过程中，永磁体的剖分网格始终保持不变。图3为所建立的电机仿真模型的剖分图。

图3 电机仿真模型剖分图

2. 1 空载磁场有限元分析及弱磁特性

施加不同定子直轴去磁电流后电机的空载磁场分布如图4所示。图4中左侧为本文所设计的外转子VFMM的磁力线分布图，右侧为传统外转子永磁同步电机的磁力线分布图，其所有永磁体均采用钕铁硼材料。为使图中磁力线表示更为清晰，图4中所有图形都取经放大后的电机1/4截面图。

图4 不同去磁电流时的电机磁力线分布图

由图4可知，对于本文所设计的外转子VFMM，在施加定子直轴去磁电流后，磁力线的数量显著减少，随着去磁电流的增大，电机的弱磁效应越加明显，且施加去磁电流后，铝镍钴永磁体上的磁力线变化更为明显，钕铁硼永磁体上的磁力线变化较小。对于传统外转子永磁同步电机，在施加定子直轴去磁电流后，磁力线的变化并不显著。通过比较可知，与传统外转子永磁同步电机相比，本文所设计的外转子VFMM更易进行弱磁控制，在基速以上运行时，具有较好的调速范围。

2. 2 相磁链和反电动势特性分析

电机空载时永磁体饱和磁化的三相磁链曲线和电机转速为1 500 r/min的三相反电动势曲线如图5所示。

由图5可知，本文所设计的外转子VFMM反电动势和相磁链的谐波分量较少，具有较好的正弦性。

施加不同直轴去磁电流后的单相磁链和反电动势曲线图如图6所示。

由图6可知，电机施加定子直轴去磁电流后，其单相磁链和反电动势的幅值减小，施加去磁电流越大，磁链和反电动势幅值越小。且施加直轴去磁电流后，反电动势中的谐波分量增加，但仍能保持较好的正弦性。

图5 电机三相磁链及反电动势曲线图

图6 施加不同直轴去磁电流后的单相磁链和反电动势曲线图

2. 3 气隙磁密分布分析

施加不同去磁电流后的电机气隙磁通密度分布曲线和定子轭处磁通密度分布曲线如图7所示。

由图7可看出，随着永磁体磁化强度的降低，电机的气隙磁通密度幅值和定子轭磁通密度幅值逐渐减小，且相较而言，气隙磁通密度幅值变化较小，定子轭处磁通密度幅值变化较显著，说明对于本文所设计的外转子VFMM，在施加定子直轴去磁电流后，显著削弱了定子轭磁场，而对气隙磁场的削弱相对较小。这是本文所设计的电机不同于一般内转子记忆电机之处。

图7 施加不同去磁电流后电机磁通密度分布曲线

3 结 语

本文设计了一种外转子VFMM，利用Ansoft Maxwell 2D仿真软件对该电机进行建模仿真，采用有限元的分析方法对该电机的弱磁性能进行分析，给出了施加不同定子直轴去磁电流后的磁力线分布、相磁链曲线、反电动势曲线和磁通密度分布曲线。仿真结果表明，本文所设计的外转子VFMM具有良好的弱磁性能，可通过施加定子直轴电流脉冲改变永磁体的磁化水平，调节电机转速。在调磁过程中，铝镍钴永磁体发挥重要的作用，而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，提供了一个基础的转子磁场，保证电机在弱磁运行时始终具有必要的气隙磁密和功率密度。本文所设计的电机外转子永磁体采用表贴式结构，其制作工艺简单，工业生产成本低，具有良好的实用性。

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Design and Flux-Weakening Performance Analysis of Variable Flux Permanent Magnet Memory Motor with External Rotor*

JIANGChunhui,TIANYudong

(Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

A external rotor variable flux permanent magnet memory motor was designed. The simulation model was established in Ansoft Maxwell 2D software. The magnetic properties of permanent magnetic materials and the working model of the motor were given. The flux weakening of the motor was researched by using the finite element analysis method. The motor′s flux-lines, fluxlinkage of winding A, reverse electromotive force curves and magnetic flux density curves under different magnetizing current were given. The simulation results showed that the motor has good flux weakening ability and its flux weakening was realized by changing the magnetic field of the AlNiCo permanent magnets.

variable flux permanent magnet memory motor; flux weakening; external rotor

上海市产学研合作基金项目(2015CXY44)

姜春辉(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机设计。 田玉冬(1968—)，男，教授，硕士生导师，研究方向为复杂工业系统控制和优化、新型能源混合动力工程和分布式发电技术、电机设计等。

TM 343

A

1673-6540(2017)04- 0028- 06

2016 -09 -20