转子结构对异步起动铁氧体电机退磁影响研究

2018-12-29王晓光李新华

微特电机 2018年12期

王晓光，胡雄，李新华

(湖北工业大学，武汉430068)

0 引言

近年来，一种低成本的异步起动铁氧体永磁辅助式磁阻同步电动机(以下简称异步起动铁氧体电机)受到人们的关注［1－3］。然而，异步起动永磁同步电机起动电流大，起动过程铁氧体永磁材料存在较大的不可逆退磁风险［4－5］。因此，如何避免铁氧铁永磁材料出现不可逆退磁是异步起动铁氧体电机设计中的一个关键问题。

文献［6］研究了一种电动汽车用铁氧体永磁辅助磁阻同步电动机的转子结构，它采用四层一形磁钢布置，U形槽两侧没有布置磁钢，有效降低了磁钢的退磁风险。文献［7］中研究了铁氧体永磁辅助磁阻同步电动机多种磁障结构下铁氧体的抗退磁能力，结论是磁障锐角倒角可改变磁力线分布，提高铁氧体的抗退磁能力。文献［8－9］采用场－路－运动耦合的时步有限元法，分析了转子V形永磁体异步起动钕铁硼永磁同步电动机(以下简称异步起动钕铁硼电机)起动过程中不同负载条件下电枢反应的退磁特点，但未结合电枢反应强弱对所得数据做进一步分析。文献［10］采用二维有限元法研究了W形转子结构异步起动钕铁硼电机起动过程中永磁体的退磁问题，但未讨论导条布置方式对永磁体的退磁影响。相关文献以同步起动铁氧体电机和异步起动钕铁硼电机居多，研究异步起动铁氧体电机退磁问题的较少。

本文以一台7．5 kW异步起动铁氧体电机为例展开研究。首先介绍了分析异步起动铁氧体电机退磁问题的有限元瞬态场方法;其次，研究了不同导条以及磁钢布置对电机不可逆退磁的影响，找到了一种降低铁氧体退磁风险的转子结构;最后对异步起动铁氧体电机和异步起动钕铁硼电动进行了比较。

1 导条均匀布置

1．1 分析模型

表1为异步起动铁氧体电机的相关参数，所选用铁氧体磁钢牌号为JPM－6B，其退磁曲线如图1所示，图2为异步起动铁氧体电机的仿真模型。

表1 异步起动铁氧体电机主要参数

图1 JPM－6B退磁曲线

图2 导条均匀布置电机仿真模型

图1 的退磁曲线剩磁密度为0．43 T，矫顽力为310 kA/m，退磁曲线在 a点处尚未出现拐点(膝点)，表明其不可逆退磁点在第三象限。本文默认当某一点磁密小于0时该点将发生不可逆退磁［11－12］。图2的异步起动铁氧体电机转子导条为均匀布置。

1．2 分析方法

分析起动过程中铁氧体退磁情况，需要找到在哪个时刻电枢合成磁动势最大。图3、图4分别是起动过程三相电枢电流波形和合成磁动势波形。可见，电枢合成磁动势在0～20 ms时间段内幅值较大，此时段电枢反应对永磁体存在退磁风险，需要给予特别关注。

图3 起动过程定子三相电流

图4 起动过程电枢合成磁动势

利用有限元方法进行瞬态场仿真，并对仿真结果进行处理，得到如图5所示的A相电流幅值最大时刻磁钢观测线AB上的磁密分布。

图5 6．75 ms时刻观测线AB上的磁密分布

图5 中所示，0～l1，l2～20 mm 两条线段磁密均低于0，表明这两段线上所有点均发生不可逆退磁。按上述方法对铁氧体取多条观测线，逐一找出每条观测线上的所有不可逆退磁点，便可确定铁氧体某一时刻的不可逆退磁区域。

1．3 分析结果

在0～20 ms时间段内选择多个时刻进行瞬态场仿真，得到如图6所示的永磁体最大不可逆退磁区域(图中磁钢的黑色区域)。图7为0～20 ms区间永磁体的退磁率。

图6 导条均匀布置，铁氧体最大不可逆退磁区域

图7 电枢合成磁动势与铁氧体不可逆退磁率曲线

从图7可知，13 ms时磁钢不可逆退磁率为最大，为72．1%。铁氧体出现大面积退磁，会影响电机的起动性能和稳态性能，电机额定转矩下降16.72%。另外，电枢合成磁动势和退磁率出现最大值的时刻并不相同，最大退磁率出现的时刻滞后于电枢合成磁动势的最大时刻。这是因为，相同电枢绕组合成磁动势条件下，转子所处位置对铁氧体不可逆退磁有较大影响，即异步起动铁氧体电机起动过程的退磁状态不仅仅与电枢反应强弱有关，还与转子感应磁场相关。

根据上述分析，导条均匀布置方式会导致铁氧体出现大面积不可逆退磁。因此，这种结构并不适合异步起动铁氧体电机。

2 导条非均匀布置

2．1 导条直轴布置

对起动笼导条直轴布置进行分析。采用同样方法对0～20 ms区间进行瞬态场仿真，不同时刻的仿真结果如图8所示。

图8 导条直轴布置，不同时刻两层铁氧体的最大不可逆退磁区域

图8 表明，与导条均匀分布不同，导条直轴分布二层铁氧体的最大退磁区域并没有出现在同一时刻，并且合成磁动势最大时刻(7．5 ms)也不是退磁最严重时刻(9 ms)。铁氧体退磁率变化波形与图7类似，铁氧体最大退磁率达91．7%，电机转矩下降22．3%。可见导条直轴布置永磁体不可逆退磁更加严重。

2．2 导条交轴布置

下面讨论起动笼导条交轴布置，对0～20 ms区间进行瞬态场仿真，铁氧体最大不可逆退磁仿真结果如图9所示。

图9 导条交轴布置，铁氧体最大不可逆退磁区域

由图9可知，铁氧体最大退磁率为68．4%，电机转矩下降15．5%。特别地，电枢合成磁动势幅值最大时铁氧体尚未出现不可逆退磁，再一次说明异步起动铁氧体电机起动过程的退磁状况不仅与电枢反应强弱有关，还与转子感应磁场位置有关。

与起动笼导条直轴布置相比，导条交轴布置时磁钢最大退磁率下降，说明导条交轴布置能提高电机铁氧体磁钢的抗去磁能力。

3 磁钢布置方式

尽管导条交轴布置磁钢退磁率有所降低，但仍出现了较大面积的不可逆退磁，为此，需要对永磁体布置方式进行研究。

3．1 双V形磁钢布置

起动笼导条交轴布置，导条尺寸与前面模型稍有不同;双V形铁氧体用量与双U形相同。图10为铁氧体最大不可逆退区域的仿真结果。

由图10可知，第二层铁氧体退磁仍比较严重，最大退磁率为59．5%，电机转矩下降14．1%。

图10 磁钢双V形，铁氧体最大不可逆退磁区域

3．2 双一形磁钢布置

现对磁钢呈双一形电机进行分析。起动笼导条和铁氧体用量与图10相同，图11为铁氧体最大不可逆退区域的仿真结果。

图11 磁钢双一形，铁氧体最大不可逆退磁区域

由图11可知，双一形磁钢电机起动过程中铁氧体最大退磁率为3．4%，电机转矩下降0．8%。可见，磁钢布置方式对提升铁氧体抗退磁能力效果明显。

另外，对双一形磁钢布置配合导条均匀布置进行退磁仿真。仿真结果表明，12 ms时该电机最大退磁率为21．5%，电机转矩下降5．4%。

综上，导条交轴布置与双一形磁钢布置相结合能较好地解决异步起动铁氧体电机的不可逆退磁问题。

4 两种电机比较

下面对异步起动铁氧体电机和异步起动钕铁硼电机进行比较。除转子结构不同外，电机其它参数均保持一致。电机的仿真模型如图12所示，仿真和计算结果见图13和表2。

图12 两种电机的仿真模型

图13 两种电机起动过程转速的仿真波形

由图13可知，与异步起动钕铁硼电机相比，异步起动铁氧体电机起动阶段转速波形较为平滑，没有大的转速波动，同步时间也有所提前。由表2可知，异步起动铁氧体电机转矩能力比异步起动钕铁硼电机稍低，但转矩脉动率要小;其次，异步起动铁氧体电机的效率和功率因数比异步起动钕铁硼电机低1%，但起动电流倍数有明显下降。异步起动铁氧体电机过载电流小且过载能力与异步起动钕铁硼电机相当;另外，异步起动铁氧铁电机的永磁体成本比钕铁硼低258元/台，电机性价比提高。