可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析

2019年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.34 No. 3 第34卷第3期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2019

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80389

可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析

杨 晨 白保东 陈德志 李岱岩 （沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870） 摘要 以3层磁障转子的永磁辅助同步磁阻电机为例，提出一种铁氧体与铝镍钴混合永磁的可变磁通永磁辅助同步磁阻电机转子设计方法，使永磁辅助同步磁阻电机具备记忆电机弱磁区转矩高、损耗小和调速范围宽的优点。首先给出可变磁通永磁辅助同步磁阻电机的调磁方法；然后从永磁体工作点设计的角度分析电机调磁电流和过载能力对电机性能的影响；接着介绍了永磁体排布的确定和体积比优化设计方法；最后提出一种适用于该电机的转子设计方法。仿真结果表明，采用该文提出的转子设计方法能够使电机弱磁区损耗最多降低56%，电机弱磁区的转矩和调速范围显著提高。 关键词：永磁辅助同步磁阻电机 记忆电机 退磁 有限元 中图分类号：TM351

Design and Analysis of a Variable Flux Permanent Magnet Assisted Synchronous Motor Yang Chen Bai Baodong Chen Dezhi Li Daiyan （School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China）

Abstract This paper takes permanent magnet (PM) assisted synchronous motor (PMaSynRM) with three layer flux barrier rotor as an example and presents a novel rotor design method for variable-flux PMaSynRM with hybrid ferrites and alnico PMs. This method makes PMaSynRM integrates the merits of memory motor which are low loss, high torque output in flux-weaken range and wide operation range. Firstly, the method of rotor magnetic field regulate was given. Secondly, the influence of magnetic regulate current and overload capability on the machine performance was analyzed based on the design of working point of PM. Thirdly, the determination of PMs arrangement and optimization method of volume ratio between two kinds of PMs were discussed. Finally, the method of rotor design was concluded. The simulation result shows that adopting rotor design method proposed by this paper can reduce the loss of machine up to 56% and enhance torque output in flux-weaken range, operation range can also be promoted effectively. Keywords：Permanent magnet (PM) assisted synchronous motor, memory motor, demagnetization, finite element method

0 引言 永磁电机作为一种高效率、高转矩密度、宽调速范围的高性能电机，在工业、交通和航空航天等

领域得到了广泛的应用[1-3]。但稀土永磁材料价格高且供应量有限，因此少稀土或无稀土的高性能电机成为众多学者研究的热点[4,5]。永磁电机还存在弱磁

运行时去磁电流分量引起的损耗导致其效率降低的缺点。 收稿日期 2018-07-01 改稿日期 2018-11-13 490 电 工 技 术 学 报 2019年2月 同步磁阻电机具有多层转子磁障，依靠转子磁路不对称产生的磁阻转矩工作。这种电机具有成本低、制造简单、转子损耗小的优点，但存在功率因数和转矩密度低以及转矩脉动较大的缺点[6,7]。为了提高这类电机的转矩和功率因数，可以在转子磁障中插入一定的低性能永磁体（铁氧体或粘接钕铁硼）辅助励磁，从而能够降低电机电流的励磁分量并产生永磁转矩，这就是永磁辅助同步磁阻电机[8]。 在设计磁障中的永磁体时，需要考虑永磁磁通对磁路饱和程度的影响[9]。永磁磁通过大容易引起磁路饱和，降低转子的凸极率；而永磁磁通过小则对转矩和功率因数的提高较小。低性能永磁体虽然矫顽力较低，但其退磁曲线线性度较好，多层磁障结构能提高其抗退磁能力。多层磁障结构带来的永磁体边缘退磁效应可以通过优化磁障端部形状等方法进行改善[10]。 记忆电机具有永磁磁链可控的特点，相比传统永磁电机，其调速范围更宽、弱磁区损耗更低和转矩更高[11]。其采用的永磁体具有低矫顽力和第二象限内非线性退磁曲线的特性，电机的永磁磁链可以通过短时调磁脉冲调节，弱磁区性能良好[11,12]。记忆电机目前采用的永磁材料有铝镍钴永磁体和低矫顽力钐钴永磁体[13]。记忆电机可分为单一永磁和混合永磁两种类型，混合永磁有串联磁路和并联磁路两种结构，其特点见文献[14,15]；按调磁方式可分为交流调磁和直流调磁两种[16]。 本文将记忆电机的设计理念引入永磁辅助同步磁阻电机转子设计中。基于文献[17]提出的同步磁阻电机转子磁障设计方法提出了一种可变磁通永磁辅助同步磁阻电机转子设计方法。给出了基于两种不同铝镍钴永磁材料的4.5 kW串联磁路混合永磁可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计方案，对铝镍钴材料的选择、电机的过载能力与调磁电流对转子设计参数的影响进行了分析，并提出一种适用于这类电机的转子设计方法。仿真结果证明该设计方法能够实现提高电机弱磁区转矩和降低弱磁区损耗的目的。 1 转子磁路与调磁原理 1.1 转子磁路结构 永磁辅助同步磁阻电机转矩的主要成分为磁阻转矩。转子设计首先要保证最大的转子各向异性：使转子对d轴磁通的阻碍最小，对q轴磁通的阻碍最大。以提高电机的d、q轴电感差和电感比实现电机最优的转矩和功率因数[17]。有研究指出q轴绝缘率是影响同步磁阻电机转矩输出的主要因素[18]。 图1为省略磁障端部磁桥的电机转子结构，图中给出了转子所需的设计参数。其中，Si为导磁块

的厚度，Wmi为永磁体的长度，Wqi为q轴方向磁障宽度，Wdi为d轴方向磁障宽度，下标i表示层数，α1和β为转子虚拟开槽角度，与电机的转矩脉动有

关。转子的d、q轴绝缘率kwq、kwd定义为[17]

()qwqwddd//ii

iii

kWS

kWSW⎧

=

⎪

⎨=+⎪⎩

∑∑∑∑∑ （1）

图1 省略磁障端部磁桥的电机转子结构 Fig.1 Rotor structure neglect ribs of barrier ends

本研究中转子采用串联磁路结构，选用铝镍钴作为低矫顽力永磁体，铁氧体作为高矫顽力永磁体，以实现减少稀土消耗的目的。这种结构能够避免“并联磁路”的自退磁现象，有助于提高铝镍钴的工作点，发挥其高剩磁的特性[19]。

1.2 电机的调磁原理 可变磁通电机的本质特征是永磁磁通可调。目前，电机的调磁方式可分为直流调磁和交流调磁两类。直流调磁适用于永磁体在定子侧，调磁控制简单，不需要进行转子磁场定向。本研究中的电机属于转子永磁型，如果采用直流调磁则需要使用集电环为调磁绕组供电，导致电机结构复杂和可靠性降低。因此本研究采用交流调磁，即通过磁场定向技术向电枢绕组中注入调磁电流脉冲改变永磁体的磁化状态。 永磁辅助同步磁阻电机磁路不对称，为了探讨有效的调磁磁动势生成方法，下面对电机的d、q轴电流对永磁体工作点的影响进行分析。如图1所示，参考同步磁阻电机d、q轴方向的规定，定义磁阻最小的方向为电机的d轴，q轴超前d轴90o电角度

且永磁磁链沿着负q轴方向。电机的磁链方程为 第34卷第3期 杨 晨等 可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析 491 dddqmqq

Li

Liψ

ψψ=

⎧

⎪

⎨=−+⎪⎩

（2）

式中，ψd、ψq和ψm分别为电机的d、q轴磁链和永磁磁链；Ld、Lq分别为电机的d、q轴电感；id、iq分别为电机的d、q轴电流。 图2为幅值相同的电枢绕组d、q轴电流单独作用下，电机内部的磁力线和磁场分布情况。为了清晰显示d、q轴电流的作用效果，在仿真时将永磁体的剩磁设为0 T，此时磁通均由电枢绕组产生。可以看出，电机d轴电流产生的磁通均沿导磁块闭合，不穿过磁障和永磁体；q轴电流产生的磁通除小部分通过转子磁桥闭合外，大部分穿过磁障。这是由于d轴电流作用下每层磁障两端磁位不同，磁通沿磁阻最小的导磁块闭合。而q轴磁通作用下，每层磁障两端磁动势相等，磁通只能沿具有磁位差的方向穿越磁障和永磁体闭合。

图2 磁力线和磁场分布 Fig.2 Distribution of flux line and flux density

电机设计的额定电流为14.2 A，图3为不同d、q轴去磁电流下第3层磁障中铁氧体的工作点。可见在幅值为1~3倍额定电流的d、q轴去磁电流下，d轴电流使铁氧体的工作点变化不到1%，而同样的q轴电流下其变化范围超过50%。因此采用q轴电流对永磁体磁链的调节比较合理。

图3 不同d、q轴去磁电流下铁氧体的工作点 Fig.3 Working point of ferrites under different d-axis and q-axis demagnetization current

图4为三类永磁材料在第二象限内的退磁曲线。其中：NKS-550H和Arnold Alnico9（以下简写为Alnico9）为两种铝镍钴永磁体，剩磁分别为0.93 T和1.15 T，回复线的相对磁导率分别为1.46和2.45，矫顽力分别为112 kA/m和118 kA/m；NMF-12F为铁氧体；NdFeB为钕铁硼。