高性能内置式铁氧体永磁电动机特性研究

2018-02-02徐振方邓隐北

大电机技术 2018年1期

徐振方，王雷，邓隐北

高性能内置式铁氧体永磁电动机特性研究

徐振方1，王雷2，邓隐北2

（1. 河南工业大学电气工程学院，郑州 450000；2. 河南汇德电气有限公司，郑州 450000）

本文阐述了一种高性能的内置式铁氧体永磁（IPM）电动机，其转子磁极结构由4块形状、尺寸相同的铁氧体磁体组成，通过对磁体尺寸及配置结构的优化设计，该电机非常便于安装和批量化生产。采用数学软件分析方法，对两者的效率和磁特性进行分析比较，它们性能基本一致，但价格仅为稀土永磁钕铁硼磁体的1/4~1/3，该电机以其优越的性价比，有望获得广泛应用。

电动机；铁氧体磁体；磁极；转矩

0 前言

近年来，随着对环境保护和节能化要求的日益深化，小型、高效的永磁电动机获得了广泛应用。稀土类永磁材料是电动机小型、高效率化必不可少的材料。稀土合金永磁材料主要有1:5型钐钴稀土合金（SmCo5）、2:17型钐钴稀土合金（Sm2Co17）及钕铁硼稀土合金（Nd2Fe14B）三种，因为钐、钴均为昂贵的稀有金属，属战略性物资，价格贵，故较为广泛使用的是钕铁硼稀土合金磁体。

钕铁硼磁体按不同的型号和类别，一般价位大约在200~250元/kg左右，相对于数十元/kg的铁氧体磁体，其价位仍然很高（约3~4倍），而且价格的波动大，不易确保稳定的供货[1-3]。因此，在积极开发永磁电动机的同时，本文通过对永磁电机参数的优化设计、磁场特性分析和结构改进，提出了一种高性能的内置式铁氧体永磁电动机。

铁氧体是由铁的氧化物及其它配料烧结而成的，是一种具有单轴、各向异性的六角结构化合物，主要是钡、锶、铅三种铁氧体及其复合的固溶体[4-5]。铁氧体材料充磁后，剩磁强度比较高，在外界磁场消失后磁场强度仍能长时间保留，利用该性能可对外部空间产生较强稳定磁场。

利用铁氧体磁体制成各类电动机，通过优化设计、结构改进不仅使电机的成本大幅下降，而且在性能上与钕铁硼稀土永磁电动机基本上相差不大。

1 IPM电动机转子的优化设计

本文提出铁氧体永磁IPM电动机的结构改进方案，如图1所示。为扩大磁体的表面积，采用了轮辐状配置的磁体A，为降低漏磁配置的磁体B，以及为减少d轴电感、增大凸极比而配置的磁体C，构成了转子磁极结构。在这一结构中因为充分有效利用了磁阻转矩，既可以提高转矩性能和功率密度，又可以减少铁氧体材料的用量。因此，铁氧体永磁IPM电动机转子磁极的结构和磁阻转矩特性的对优化铁氧体电机性能非常重要[3]。

图1 铁氧体永磁IPM电动机的结构

在选用电机技术参数完全相同的条件下，分别对稀土永磁电机、铁氧体永磁电机、铁氧体永磁电机（无铁氧磁钢C）三种电机在同一电流下的运行试验测得的数据分析，通过Mathematica软件得到的曲线如图2所示。铁氧体永磁电机在同样的电流、规格条件下，通过磁阻转矩的充分利用，其平均转矩能达到稀土永磁电动机约90%，在没有配置铁氧体磁钢C的情况下，平均磁转矩约达到稀土永磁电动机的80%。表1列出了试验所用电机的各项技术参数。

图2 转矩特性分析结果

表1 电动机技术参数

1.1 IPM电机的效率分析

选用参数完全相同的稀土类磁钢IPM电机和铁氧体磁钢IPM电机，对不同转速下测得的转矩进行数据分析，两者的效率曲线如图3所示。(a)为稀土永磁电动机、(b)铁氧体永磁电动机。从图中能确认的是：两者最高效率几乎相同[6-9]。如上所述，在同样的电流条件下，由于铁氧体永磁电动机的转矩小，在低速大转矩范围内，增加铁氧体永磁电动机的电流，虽因铜损的增加，效率有所降低，但在高速旋转范围内由于弱磁场的电流较小，效率可得到提升。

图3 IPM电机的效率曲线图

1.2 IPM电机的磁特性分析

通过对铁氧体永磁与稀土永磁比较，前者的矫顽力为后者的1/3左右，故对于不可逆退磁的评价是不能缺少的。图4为反磁场分布的分析结果。从图中已能确认铁氧体磁钢A的角部产生了大的反向磁场，减磁的影响，用式（1）列出的感应电压下降率进行评价，其结果如图5所示。

式中，为感应电压的下降率；E为通电前的感应电压；E为通电后的感应电压。

从图5可看到，在短时间通过额定电流的条件下，已能确认：减磁几乎达到可以忽视的程度，但电动机短时通过定额以上的过电流（变换器的最大电流）的场合下，会产生约0.5%的电压下降（低温减磁）。

图4 反磁场分布的分析结果

图5 感应电压的下降率变化曲线

1.3 磁体二次磁化的分析

若要实现铁氧体永磁电动机的批量生产，必须具备二次磁化的生产工艺。迄今试制的电动机是将单个磁化过的磁体逐个插入到转子铁心内再进行磁化的所谓二次磁化过程，按照不能完全磁化时的运转条件，有可能扩大不完全磁化的范围。须要对二次磁化工艺工程的完全磁化进行分析[5]。

图6所示为现行的模型中，实施了二次磁化时的分析结果，计算出各个磁体在其配置方向产生的磁场，然后对二次磁化进行评价。作为完全磁化的条件，就是对欲将磁化的磁体，需施加3倍娇顽力的磁场，这是必要条件。由图6可见到，轮辐状配置的磁钢A内径侧以及磁钢B的两端，未能满足这一条件。箭头所指示的是磁钢的配置方向。产生的磁场表示在这一配置方向的值，虚线表示所需的磁场，磁钢A、磁钢B均有不满足的地方。

图6 磁化分析结果（现行模型）

2 改进模型的分析

为了实现磁体的完全磁化，要对磁体的结构、布局需要进行改进设计。轮辐状配置的磁钢A，在转子的内径侧，由于磁通难于通过，所以将磁钢A得尺寸减少，向磁通容易通过的角度方向改变[10-13]，此外，在磁钢B的两端和磁钢A的内径侧，设计有磁体磁通易于通过的空气层（壁垒层）。改进后的磁极采用4块磁体全部是同一尺寸，通过试验可知，该结构不仅加工、安装方便，而且也改进了电机的磁化特性。图7所示为在改进模型中实施后磁化时的分析结果。由于磁钢A、B、C各自产生的磁场均超过完全磁化所必需的磁场，故由改进的模型可判断后磁化的可能性和必要性。

3 结论

本文对内置式铁氧体永磁电动机IPM的电磁特性、转子结构优化、模型改进前后结果比较，充分利用铁氧体磁阻转矩特性，使铁氧体磁体IPM电动机在性价比上有很大的提高，通过优化IPM电动机的结构、制造安装工艺，在性能上基本接近稀土永磁电动机，进一步提升IPM电机转矩特性、效率以及模型的改进，使铁氧体磁体IPM电动机不断推向更广泛的应用领域，特别是目前大力发展的电动汽车行业[14-15]。

[1] Radovanovic P V, Gamelin D R. High-temperature ferromagnetism in Ni2+-doped ZnO aggregates prepared from colloidal diluted magnetic semiconductor quantum dots[J]. Phys Rev Lett, 2003, 91(15): 157202(1-4).

[2] Keisuke Matsuo,Daiki Matsuhashi,Hitoshi Fujihara,Isamu Takeda. 高性能フェライト磁石モ一タの实用化开发[J]. 2014, 4(345):15-18.

[3] 邓锎, 邓隐北. 高性能的内置式铁氧体永磁（IPM）电动机[P]. 2015, 10:1-3.

[4] Wu J J, Liu S C, Yang M H. Room-temperature ferromagnetism in well-aligned Zn1–xCoxO nanorods[J]. Appl Phys Lett, 2004, 85(6): 1027-1029.

[5] Ronning C, Gao P X, Ding Y, et al. Optically detected heavy- and light-hole anti-crossing in GaAs quantum wells under pulsed magnetic fields[J]. Appl Phys Lett, 2004, 84(5): 783-785.

[6] Makhlouf S A, Parker F T, Spada F E, et al. Magnetic anomalies in NiO nanoparticles[J]. J Appl Phys, 1997, 81(8): 5561-5563.

[7] 张磊, 高春侠. 永磁同步电机磁钢涡流损耗模型及其衡量指标[J]. 电机与控制学报, 2013, 17(7):34-35.

[8] 魏欣, 陈大跃, 赵春宇. 一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(14):93-97．

[9] Xu Z, Rahman M F. An Improved Stator Flux Estimation for a Variable Structure Direct Torque Controlled IPM Synchronous MotorDrive Using a Sliding Observer[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 38(1):2484-2490．

[10] 曹承志, 时洪图. 基于SVPWM的直接转矩控制新方案[J]. 系统仿真学报, 2008, 21(21):5928-5930.

[11] 徐艳平, 钟彦儒. 基于空间矢量PWM的新型直接转矩控制系统仿真[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(2):344-347．

[12] 周华伟, 温旭辉, 赵峰,等. 一种抑制VSI零电流箝位效应的死区补偿方法[J]. 电机与控制学报, 2011, 15(1):26-32．

[13] 郭新华, 温旭辉, 赵峰,等. 基于电磁转矩反馈补偿的永磁同步电机新型IP速度控制器[J]. 电机工程学报, 2010, 30(27):7-12．

[14] 徐志捷, 赵峰, 温旭辉. 永磁磁阻电机的转矩控制[J]. 微电机, 2004, 37(5):18-20．

[15] 张磊, 高春侠. 永磁同步电机磁钢涡流损耗模型及其衡量指标电机与控制学报[J]. 2013, 17(7):214-217．

Research on the Characteristics of High Performance Ferrite Interior Permanent Magnet Motor

XU Zhenfang1, WANG Lei2, DENG Yinbei2

(1. College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, China; 2. Henan Hui De Electric Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

In this paper, a high performance of the ferrite interior permanent magnet (IPM) motor, the structure of the magnetic pole of the rotor is composed by four pieces of the same shape and size ferrite body magnet, by optimizing the design of magnet size and configuration structure, the motor is very easy to installation and mass production. Using mathematical software analysis method, comparative analysis, their performance are basically the same for both efficiency and magnetic properties, but the price is only for rare earth permanent magnet NdFeB magnets 1/4 to1/3, the motor with its advantages of price, is expected to receive wide application.

motor; ferrite magnet; magnetic pole; torque

TM351

1000-3983(2018)01-0019-04

2017-04-30

徐振方（1976-），2005年7月毕业于大连海洋大学机电学院机械与控制工程专业，硕士学位，现从事电子与科学专业技术研究工作，副教授。