E型多齿开关磁链永磁记忆电机电磁性能分析

王建东，凌跃胜，刘 旭

(1.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学电气工程学院)，天津300130；2.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学电气工程学院)，天津300130)

0 引 言

随着永磁材料磁性能的提高，永磁同步电机由于体积小、重量轻、效率高等优点，广泛应用于电动汽车、风力发电及航空航天等领域。但由于采用高矫顽力的永磁体励磁，电机的气隙磁场调节困难。传统调磁方法是施加连续的直轴电流实现弱磁，使电机能够运行于更高的转速范围。这不仅降低了电机效率，也可能导致永磁体不可逆退磁。记忆电机的提出解决了永磁电机气隙磁场调节难的问题。通过施加励磁绕组磁化电流改变低矫顽力永磁体的磁化状态，由于电流时间很短，这种调磁方法既降低了定子调磁损耗，也几乎没有励磁损耗，提升了电机的高速运行效率[1-4]。

开关磁链永磁记忆电机是在开关磁链永磁电机的基础上提出的永磁电机。定子中切向磁化的钕铁硼永磁体与径向磁化的低矫顽力永磁体沿各自的磁化方向交替充磁，并构成并联磁路。转子结构与开关磁阻电机相同，具有很好的可靠性与散热性能，并且电机具有很高的转矩密度与功率密度。文献[5-6]以6定子槽5转子极为例，研究了在不同磁化状态下开关磁链永磁记忆电机的永磁磁链和感应电势、交直轴电感及转矩等电磁特性。文献[7-8]基于绕组因数、感应电势基波幅值和电磁转矩等电磁性能优化了C型和E型开关磁链永磁记忆电机的定转子极数组合与永磁体尺寸。文献[9]提出了多齿开关磁链永磁记忆电机。该电机具有很好的调磁性能，并且转矩脉动非常小，与传统开关磁链永磁记忆电机相比，大大减少了永磁体的用量。文献[10-11]对多齿开关磁链永磁电机进行了理论与实验分析，该结构可以增大感应电势的幅值并有效减小齿槽转矩，提升转矩性能。

本文将记忆电机的概念引入多齿开关磁链永磁电机中，针对传统C型多齿开关磁链永磁记忆电机在恒转矩区转矩性能低的问题，提出了E型多齿开关磁链永磁记忆电机(Multi-tooth Switching Flux Permanent Magnet Memory Machine，MSFPMMM)，定义电机定子铁心U型硅钢片的形状分别为C型与E型，分析该记忆电机的电磁性能，并且与C型MSFPMMM进行转矩/转速特性对比。

1 MSFPMMM结构与运行原理

如图1所示为MSFPMMM的拓扑结构，图1(a)为C型MSFPMMM，图1(b)为E型MSFPMMM。为了对比这两种MSFPMMM的转矩/转速特性，只有电机的定子结构有所区别。保持两种电机的气隙长度、定转子内外径、电枢绕组匝数与轴向长度一致。两种永磁体均放置在定子侧，低矫顽力永磁体铝镍钴(AlNiCo)位于定子轭环，为径向充磁，高矫顽力永磁体钕铁硼(NdFeB)位于定子齿，为切向充磁，相邻的同种永磁体充磁方向交替相反。

图1 电机拓扑结构图

图2为E型MSFPMMM的磁路模型，在增磁情况下相邻的钕铁硼永磁体和低矫顽力永磁体充磁方向相反，低矫顽力永磁体会把钕铁硼永磁体产生的磁通推向气隙，增大气隙磁密。相对地，弱磁时低矫顽力永磁体将钕铁硼永磁体产生的磁通短路，减小气隙磁密。低矫顽力永磁体完全去磁时气隙中的磁场仅由钕铁硼永磁体提供，称为零磁。E型结构的定子铁心增加了磁通的通路，有效缓解了定子齿的饱和程度。

图2 E型MSFPMMM磁路模型

电机的主要设计参数如表1所示。电枢绕组槽满率为0.5，电枢绕组电流密度为6A/mm2，直流母线电压为48V[9]。

表1 电机主要设计参数

2 E型MSFPMMM电磁性能

2.1 空载特性

图3为E型MSFPMMM在增磁、弱磁状态的空载磁力线分布，箭头为永磁体充磁方向。在增磁状态如图3(a)，永磁体的磁场增强，更多的磁链通过气隙在定转子中闭合。而在弱磁状态如图3(b)，永磁体的磁场减弱，磁链在定子齿与定子轭中短路。

图3 E型MSFPMMM空载磁力线分布图

由于E型MSFPMMM是定转子双凸极电机且定子铁心为E型结构，平均等效气隙不均匀使得气隙磁密存在较多谐波。图4(a)为E型MSFPMMM的空载气隙磁密，由图可知通过改变低矫顽力永磁体的磁化状态可以改变气隙磁密的大小，并且气隙磁密的调节范围很宽。E型MSFPMMM在不同磁化状态下的磁链如图4(b)所示，从图中可以看到磁通调节的范围较宽，并且其波形基本呈正弦，谐波含量很少。

为了验证记忆电机的调磁性能，定义记忆电机增磁与弱磁时磁链的差值与零磁时磁链的比值kf为磁通调节系数。

(1)

式中，ψmax、ψmin、ψpm分别为低矫顽力永磁体增磁、弱磁、零磁时的永磁磁链幅值。本文中E型MSFPMMM的磁通调节系数为0.85。

图4(c)为E型MSFPMMM分别在低矫顽力永磁体增磁、零磁与弱磁时的空载反电动势。可以看到E型MSFPMMM的反电动势呈正弦波，说明该电机适于无刷交流运行，并且电机在三种磁化状态下的空载反电动势的调节范围较大。E型MSFPMMM空载反电动势的谐波分析如图4(d)所示，反电动势中含有少量的3次谐波与5次谐波，并且由于弱磁时定转子中磁密的饱和程度较低，因此谐波含量也最少。

齿槽转矩是永磁电机固有特性，多齿结构可以有效减少齿槽转矩的大小，图4(e)为不同磁化状态下电机的齿槽转矩。由于E型MSFPMMM 的定子铁心U型硅钢片为E型结构，造成平均等效气隙不均匀，因此会在一定程度上增大齿槽转矩。但从图4(e)可以看到电机的齿槽转矩依然很小，并且随着低矫顽力永磁体被弱磁，齿槽转矩也在减小。

图4 E型MSFPMMM空载特性

2.2 直交轴电感特性

E型MSFPMMM在增磁状态下的直交轴电感如图5所示。随着直轴电流的增大，直轴电感先增大后减小，当交轴电流增大时，直轴电感减小。由图可知，电流对直轴电感的影响很小，这说明E型结构的定子铁心使定转子齿的饱和程度减轻。与直轴电感相比，交轴电感受交轴电流的影响更大，随着交轴电流的增大，交轴电感迅速减小，而当直轴电流增大时，交轴电感则几乎不变。

图5 E型MSFPMMM直交轴电感特性

2.3 转矩特性

图6(a)为额定电流时电磁转矩与电流角的关系，最大转矩是在电流角为0°时得到，这是由于E型MSFPMMM的直交轴电感大小相近，磁阻转矩很小，可以忽略不计，这和传统的开关磁链永磁电机相似。图6(b)为电机在额定电流下电流角为0°时的电磁转矩，弱磁状态的电磁转矩约为增磁状态时的46%，并且该电机的转矩脉动很小，说明了多齿结构可以有效改善电机的转矩特性。图6(c)为电磁转矩与交轴电流的关系，由于增磁状态下磁路容易饱和，电磁转矩增加的幅度随电流增大会减小，相对地，弱磁状态下的电磁转矩与交轴电流基本成正比。

图6 E型MSFPMMM转矩特性

3 MSFPMMM转矩/转速特性对比

图7为两种MSFPMMM的转矩/转速曲线与功率/转速曲线。在恒转矩区增磁状态下， E型MSFPMMM有较大的转矩而C型MSFPMMM有较高的转折速度。这是由于在相同的电枢绕组电流密度与直流母线电压时，E型MSFPMMM的永磁磁链与直交轴电感均大于C型MSFPMMM。这也导致在恒功率区相同转速时，C型MSFPMMM的转矩与功率略高于E型MSFPMMM。

C型与E型MSFPMMM在恒转矩区的转矩分别为1.43Nm与1.54Nm，相比C型MSFPMMM，E型MSFPMMM的最大转矩提高了7.7%。

图7 MSFPMMM转矩/转速特性

由图7可知，通过对低矫顽力永磁体充去磁改变其磁化状态，可以使记忆电机工作于不同的转矩/转速曲线，从而实现宽转速大转矩的运行范围。因此，分析电机在不同磁化状态下的转矩/转速特性对提高记忆电机的性能有重要作用。电机的弱磁能力可以通过弱磁系数Kfw体现[9]。

(2)

式中，Imax为电枢绕组最大电流；Ld为直轴电感；φpm为永磁磁链。表2为E型MSFPMMM在三种磁化状态下的永磁磁链、直轴电感与弱磁系数。

表2 E型MSFPMMM电机弱磁系数

由表2可知E型MSFPMMM在不同磁化状态下的弱磁系数均大于1，说明该电机具有极宽的恒功率运行范围。

4 结 论

本文针对传统C型MSFPMMM在恒转矩区转矩性能低的问题，提出并设计了一种E型MSFPMMM，通过有限元法分析了该电机的电磁性能。研究发现E型MSFPMMM具有正弦的磁链与反电动势，说明该电机适于无刷交流运行，并且转矩脉动非常小。

通过对比分析发现，由于E型MSFPMMM的定子铁心为E型结构，增加了磁通通路，使得定子齿的饱和程度减轻，增大了磁链与电磁转矩。相比C型MSFPMMM，E型MSFPMMM的最大转矩提高了7.7%。