王建東，凌躍勝，劉 旭

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院)，天津300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院)，天津300130)

0 引 言

隨著永磁材料磁性能的提高，永磁同步電機由于體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動汽車、風(fēng)力發(fā)電及航空航天等領(lǐng)域。但由于采用高矯頑力的永磁體勵磁，電機的氣隙磁場調(diào)節(jié)困難。傳統(tǒng)調(diào)磁方法是施加連續(xù)的直軸電流實現(xiàn)弱磁，使電機能夠運行于更高的轉(zhuǎn)速范圍。這不僅降低了電機效率，也可能導(dǎo)致永磁體不可逆退磁。記憶電機的提出解決了永磁電機氣隙磁場調(diào)節(jié)難的問題。通過施加勵磁繞組磁化電流改變低矯頑力永磁體的磁化狀態(tài)，由于電流時間很短，這種調(diào)磁方法既降低了定子調(diào)磁損耗，也幾乎沒有勵磁損耗，提升了電機的高速運行效率[1-4]。

開關(guān)磁鏈永磁記憶電機是在開關(guān)磁鏈永磁電機的基礎(chǔ)上提出的永磁電機。定子中切向磁化的釹鐵硼永磁體與徑向磁化的低矯頑力永磁體沿各自的磁化方向交替充磁，并構(gòu)成并聯(lián)磁路。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機相同，具有很好的可靠性與散熱性能，并且電機具有很高的轉(zhuǎn)矩密度與功率密度。文獻(xiàn)[5-6]以6定子槽5轉(zhuǎn)子極為例，研究了在不同磁化狀態(tài)下開關(guān)磁鏈永磁記憶電機的永磁磁鏈和感應(yīng)電勢、交直軸電感及轉(zhuǎn)矩等電磁特性。文獻(xiàn)[7-8]基于繞組因數(shù)、感應(yīng)電勢基波幅值和電磁轉(zhuǎn)矩等電磁性能優(yōu)化了C型和E型開關(guān)磁鏈永磁記憶電機的定轉(zhuǎn)子極數(shù)組合與永磁體尺寸。文獻(xiàn)[9]提出了多齒開關(guān)磁鏈永磁記憶電機。該電機具有很好的調(diào)磁性能，并且轉(zhuǎn)矩脈動非常小，與傳統(tǒng)開關(guān)磁鏈永磁記憶電機相比，大大減少了永磁體的用量。文獻(xiàn)[10-11]對多齒開關(guān)磁鏈永磁電機進行了理論與實驗分析，該結(jié)構(gòu)可以增大感應(yīng)電勢的幅值并有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩，提升轉(zhuǎn)矩性能。

本文將記憶電機的概念引入多齒開關(guān)磁鏈永磁電機中，針對傳統(tǒng)C型多齒開關(guān)磁鏈永磁記憶電機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩性能低的問題，提出了E型多齒開關(guān)磁鏈永磁記憶電機(Multi-tooth Switching Flux Permanent Magnet Memory Machine，MSFPMMM)，定義電機定子鐵心U型硅鋼片的形狀分別為C型與E型，分析該記憶電機的電磁性能，并且與C型MSFPMMM進行轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性對比。

1 MSFPMMM結(jié)構(gòu)與運行原理

如圖1所示為MSFPMMM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1(a)為C型MSFPMMM，圖1(b)為E型MSFPMMM。為了對比這兩種MSFPMMM的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性，只有電機的定子結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。保持兩種電機的氣隙長度、定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、電樞繞組匝數(shù)與軸向長度一致。兩種永磁體均放置在定子側(cè)，低矯頑力永磁體鋁鎳鈷(AlNiCo)位于定子軛環(huán)，為徑向充磁，高矯頑力永磁體釹鐵硼(NdFeB)位于定子齒，為切向充磁，相鄰的同種永磁體充磁方向交替相反。

圖1 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2為E型MSFPMMM的磁路模型，在增磁情況下相鄰的釹鐵硼永磁體和低矯頑力永磁體充磁方向相反，低矯頑力永磁體會把釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的磁通推向氣隙，增大氣隙磁密。相對地，弱磁時低矯頑力永磁體將釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的磁通短路，減小氣隙磁密。低矯頑力永磁體完全去磁時氣隙中的磁場僅由釹鐵硼永磁體提供，稱為零磁。E型結(jié)構(gòu)的定子鐵心增加了磁通的通路，有效緩解了定子齒的飽和程度。

圖2 E型MSFPMMM磁路模型

電機的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。電樞繞組槽滿率為0.5，電樞繞組電流密度為6A/mm2，直流母線電壓為48V[9]。

表1 電機主要設(shè)計參數(shù)

2 E型MSFPMMM電磁性能

2.1 空載特性

圖3為E型MSFPMMM在增磁、弱磁狀態(tài)的空載磁力線分布，箭頭為永磁體充磁方向。在增磁狀態(tài)如圖3(a)，永磁體的磁場增強，更多的磁鏈通過氣隙在定轉(zhuǎn)子中閉合。而在弱磁狀態(tài)如圖3(b)，永磁體的磁場減弱，磁鏈在定子齒與定子軛中短路。

圖3 E型MSFPMMM空載磁力線分布圖

由于E型MSFPMMM是定轉(zhuǎn)子雙凸極電機且定子鐵心為E型結(jié)構(gòu)，平均等效氣隙不均勻使得氣隙磁密存在較多諧波。圖4(a)為E型MSFPMMM的空載氣隙磁密，由圖可知通過改變低矯頑力永磁體的磁化狀態(tài)可以改變氣隙磁密的大小，并且氣隙磁密的調(diào)節(jié)范圍很寬。E型MSFPMMM在不同磁化狀態(tài)下的磁鏈如圖4(b)所示，從圖中可以看到磁通調(diào)節(jié)的范圍較寬，并且其波形基本呈正弦，諧波含量很少。

為了驗證記憶電機的調(diào)磁性能，定義記憶電機增磁與弱磁時磁鏈的差值與零磁時磁鏈的比值kf為磁通調(diào)節(jié)系數(shù)。

(1)

式中，ψmax、ψmin、ψpm分別為低矯頑力永磁體增磁、弱磁、零磁時的永磁磁鏈幅值。本文中E型MSFPMMM的磁通調(diào)節(jié)系數(shù)為0.85。

圖4(c)為E型MSFPMMM分別在低矯頑力永磁體增磁、零磁與弱磁時的空載反電動勢?？梢钥吹紼型MSFPMMM的反電動勢呈正弦波，說明該電機適于無刷交流運行，并且電機在三種磁化狀態(tài)下的空載反電動勢的調(diào)節(jié)范圍較大。E型MSFPMMM空載反電動勢的諧波分析如圖4(d)所示，反電動勢中含有少量的3次諧波與5次諧波，并且由于弱磁時定轉(zhuǎn)子中磁密的飽和程度較低，因此諧波含量也最少。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機固有特性，多齒結(jié)構(gòu)可以有效減少齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，圖4(e)為不同磁化狀態(tài)下電機的齒槽轉(zhuǎn)矩。由于E型MSFPMMM 的定子鐵心U型硅鋼片為E型結(jié)構(gòu)，造成平均等效氣隙不均勻，因此會在一定程度上增大齒槽轉(zhuǎn)矩。但從圖4(e)可以看到電機的齒槽轉(zhuǎn)矩依然很小，并且隨著低矯頑力永磁體被弱磁，齒槽轉(zhuǎn)矩也在減小。

圖4 E型MSFPMMM空載特性

2.2 直交軸電感特性

E型MSFPMMM在增磁狀態(tài)下的直交軸電感如圖5所示。隨著直軸電流的增大，直軸電感先增大后減小，當(dāng)交軸電流增大時，直軸電感減小。由圖可知，電流對直軸電感的影響很小，這說明E型結(jié)構(gòu)的定子鐵心使定轉(zhuǎn)子齒的飽和程度減輕。與直軸電感相比，交軸電感受交軸電流的影響更大，隨著交軸電流的增大，交軸電感迅速減小，而當(dāng)直軸電流增大時，交軸電感則幾乎不變。

圖5 E型MSFPMMM直交軸電感特性

2.3 轉(zhuǎn)矩特性

圖6(a)為額定電流時電磁轉(zhuǎn)矩與電流角的關(guān)系，最大轉(zhuǎn)矩是在電流角為0°時得到，這是由于E型MSFPMMM的直交軸電感大小相近，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，可以忽略不計，這和傳統(tǒng)的開關(guān)磁鏈永磁電機相似。圖6(b)為電機在額定電流下電流角為0°時的電磁轉(zhuǎn)矩，弱磁狀態(tài)的電磁轉(zhuǎn)矩約為增磁狀態(tài)時的46%，并且該電機的轉(zhuǎn)矩脈動很小，說明了多齒結(jié)構(gòu)可以有效改善電機的轉(zhuǎn)矩特性。圖6(c)為電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流的關(guān)系，由于增磁狀態(tài)下磁路容易飽和，電磁轉(zhuǎn)矩增加的幅度隨電流增大會減小，相對地，弱磁狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流基本成正比。

圖6 E型MSFPMMM轉(zhuǎn)矩特性

3 MSFPMMM轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性對比

圖7為兩種MSFPMMM的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線與功率/轉(zhuǎn)速曲線。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)增磁狀態(tài)下， E型MSFPMMM有較大的轉(zhuǎn)矩而C型MSFPMMM有較高的轉(zhuǎn)折速度。這是由于在相同的電樞繞組電流密度與直流母線電壓時，E型MSFPMMM的永磁磁鏈與直交軸電感均大于C型MSFPMMM。這也導(dǎo)致在恒功率區(qū)相同轉(zhuǎn)速時，C型MSFPMMM的轉(zhuǎn)矩與功率略高于E型MSFPMMM。

C型與E型MSFPMMM在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩分別為1.43Nm與1.54Nm，相比C型MSFPMMM，E型MSFPMMM的最大轉(zhuǎn)矩提高了7.7%。

圖7 MSFPMMM轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性

由圖7可知，通過對低矯頑力永磁體充去磁改變其磁化狀態(tài)，可以使記憶電機工作于不同的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線，從而實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的運行范圍。因此，分析電機在不同磁化狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性對提高記憶電機的性能有重要作用。電機的弱磁能力可以通過弱磁系數(shù)Kfw體現(xiàn)[9]。

(2)

式中，Imax為電樞繞組最大電流；Ld為直軸電感；φpm為永磁磁鏈。表2為E型MSFPMMM在三種磁化狀態(tài)下的永磁磁鏈、直軸電感與弱磁系數(shù)。

表2 E型MSFPMMM電機弱磁系數(shù)

由表2可知E型MSFPMMM在不同磁化狀態(tài)下的弱磁系數(shù)均大于1，說明該電機具有極寬的恒功率運行范圍。

4 結(jié) 論

本文針對傳統(tǒng)C型MSFPMMM在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩性能低的問題，提出并設(shè)計了一種E型MSFPMMM，通過有限元法分析了該電機的電磁性能。研究發(fā)現(xiàn)E型MSFPMMM具有正弦的磁鏈與反電動勢，說明該電機適于無刷交流運行，并且轉(zhuǎn)矩脈動非常小。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，由于E型MSFPMMM的定子鐵心為E型結(jié)構(gòu)，增加了磁通通路，使得定子齒的飽和程度減輕，增大了磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩。相比C型MSFPMMM，E型MSFPMMM的最大轉(zhuǎn)矩提高了7.7%。