馬霽旻,王 杜,萬梓燦,萬子威

(湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，武漢 430068)

0 引 言

隨著高性能鐵氧體永磁材料的快速發(fā)展,用鐵氧體取代部分釹鐵硼而形成的混合永磁同步電動機越來越受到人們的廣泛關注。異步起動混合永磁同步電動機(Line-Start Hybrid Permanent Magnet Synchronous Motor,LSHPMSM)由于其特有的優(yōu)勢，近年來受到了人們的歡迎。這種電機轉子上同時存在鼠籠和永磁體，使得電機具有自起動能力。在電機轉速牽入同步之后，鼠籠不再起作用，電機運行在同步狀態(tài)。故該類電機的優(yōu)勢十分明顯，即電機既無需配置專用控制器，節(jié)約了制造成本；又能夠以同步轉速高效運行，降低了電機的運行成本。所以該類電機具有較好的應用前景。

現(xiàn)階段，異步起動混合永磁同步電動機在設計上的一個難點在于鐵氧體容易出現(xiàn)不可逆退磁，這就制約了該類電機的發(fā)展。文獻[1]研究了鐵氧體輔助同步磁阻電機的轉子結構對電機的最大平均轉矩以及轉矩波動的影響，并重點分析了鐵氧體在低溫-40℃以及常溫20℃情況下的退磁情況。文獻[2]以變頻壓縮機用無稀土永磁輔助同步磁阻電機為對象，分析了該類電機的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程，同時使用有限元軟件對比分析了永磁輔助同步磁阻電機和內(nèi)置式永磁同步電機的特點，結果發(fā)現(xiàn)永磁輔助同步磁阻電機具有高功率密度、高功率因數(shù)等優(yōu)點，且電機能效與稀土永磁同步電機相當。文獻[3]解析了異步起動永磁同步電動機在起動過程中的轉矩成分，并分析了影響各部分轉矩的電磁參數(shù)，同時將該電機與感應電機做性能比較，得出了該電機相比感應電機具有較高的功率因數(shù)和效率的結論。文獻[4]以一臺22kW，6極W形轉子結構的異步起動永磁同步電動機為例，采用瞬態(tài)有限元法分析了定轉子磁動勢對永磁體工作點的影響，并對該電機在起動過程中永磁體最大退磁點進行研究，結果表明電機的負載條件、轉子初始位置以及電機的轉動慣量等因素對電機在起動過程中的退磁情況均有較大影響。文獻[5]中分析轉子上的磁障和磁橋等因素對退磁的影響，同時提出了在轉子軛部加入雙鼠籠來改善退磁的方法。文獻[6]設計了一臺2極異步起動鐵氧體輔助同步磁阻電機，電機轉子導條為非均勻分布，該結構下的鐵氧體抗退磁能力較強。

本文以一臺3kW兩極異步起動混合永磁同步電機為例，首先分析了常規(guī)轉子結構下電機的性能和鐵氧體退磁情況，針對鐵氧體退磁嚴重問題，采用新型轉子結構來增強鐵氧體的抗退磁能力，最后將新型轉子結構下的異步起動混合永磁電機與異步起動釹鐵硼電機以及異步電動機進行綜合比較。

1 常規(guī)轉子結構

1.1 有限元模型

兩極異步起動混合永磁同步電動機可以看成是在兩極異步電動機的轉子上，通過增加多層永磁體槽并在槽內(nèi)放置永磁體制成的。由于電機的轉子上同時存在鼠籠和永磁體，使得轉子空間位置利用十分緊張，而混合永磁方案一般采用多層轉子結構，這就進一步加大了轉子空間位置分配的難度，使得轉子結構設計較為復雜。圖1為兩極異步起動混合永磁同步電動機的常規(guī)轉子結構模型圖，表1為該電機的主要設計參數(shù)。

表1 電機主要技術和設計參數(shù)

從圖1中可以看出，常規(guī)轉子結構的導條一般沿圓周呈均勻分布，永磁體放置在轉子內(nèi)側，永磁體與鼠籠之間通過空氣槽隔磁，鼠籠槽內(nèi)通過鑄鋁制成導條。在這種結構下，轉子上的永磁體設計成兩層結構較為合適，外層放置少量釹鐵硼，內(nèi)層放置大量鐵氧體，且鐵氧體厚度一般較大，使得轉子的d軸磁阻增大，提高電機的凸極比。

圖1 常規(guī)對稱結構轉子

1.2 性能分析

兩極異步起動混合永磁同步電動機的性能分析包括起動性能和同步運行性能。電機在起動過程中的轉矩成分復雜，其平均轉矩Tav為

Tav=Tc+Tg

(1)

式中,Tc為異步起動轉矩，它由異步轉矩Ta和磁阻負序分量轉矩Tb構成；Tg為發(fā)電制動轉矩。異步起動轉矩主要受定轉子電阻、電抗等因素影響，而發(fā)電制動轉矩主要受空載反電動勢等因素的影響?；旌嫌来欧桨钢锈S鐵硼用量較少，使得電機的空載磁場較弱，電機的空載反電動勢E0較低，則在起動過程中發(fā)電制動轉矩較小。電機的轉矩成分中，磁阻轉矩占比較高。電機的弱磁場、大凸極比等特性，對電機的起動過程以及同步運行過程都有較大的影響。

圖2給出了電機的空載氣隙磁密和空載反電動勢波形。圖3給出電機空載起動和滿載起動時的轉速曲線。

圖2 空載仿真波形

圖3 轉速曲線

從圖2中可以看出，該電機的氣隙磁密比釹鐵硼電機要弱，但比鐵氧體電機稍強；空載反電動勢波形正弦性較好。從圖3中可以看出，電機空載起動和帶額定負載滿載起動時，都能到達同步轉速3000r/min，且電機在起動初期未出現(xiàn)轉速回落現(xiàn)象，在牽入同步的過程中轉速出現(xiàn)超調(diào)，這表明電機起動性能良好。電機的有限元仿真結果如表2所示。

表2 有限元仿真結果

1.3 退磁情況

電機在起動的過程中電樞反應劇烈，混合永磁方案下的鐵氧體面臨的退磁風險較大，有必要校驗鐵氧體在起動過程中的退磁情況。

混合永磁方案中鐵氧體牌號為TDK FB12H，其在常溫下(20℃)的退磁曲線如圖4所示。

圖4 FB12H常溫下退磁曲線

現(xiàn)階段為了得到每塊鐵氧體的退磁情況，可以借助瞬態(tài)有限元仿真的方法有效地對鐵氧體的退磁情況進行評估。圖5(a)和圖5(b)是永磁體上的磁密觀測點和磁密觀測線示意圖，對于一塊永磁體，可以在其四個邊角以及正中點的位置選取5個磁密觀測點，通過對這5個觀測點添加磁密計算公式，再結合瞬態(tài)有限元仿真就能得到這5個觀測點的磁密隨時間變化的曲線，從而可以近似分析永磁體的退磁情況；也可以在永磁體表面繪制多條磁密觀測線，對各條磁密觀測線添加磁密計算公式，通過瞬態(tài)有限元仿真得到每條觀測線在不同的時刻的磁密情況，從中找出磁密值最低的時刻，在該時刻下結合永磁體的退磁拐點位置，就可以得到每條觀測線的退磁區(qū)間，將所有觀測線的退磁區(qū)間連接起來形成一個區(qū)域，可以將該區(qū)域看成是永磁體的最大退磁區(qū)域。當磁密觀測線的數(shù)量越多，永磁體的最大退磁區(qū)域就越精確，但這樣會加大計算的數(shù)據(jù)量，從而導致仿真時間較長。

圖5 磁密觀測點和觀測線示意圖

采用磁密觀測點和磁密觀測線相結合的方法對常規(guī)轉子結構的鐵氧體退磁情況進行分析，首先將鐵氧體進行編號，如圖6所示。在瞬態(tài)有限元仿真的過程中，將仿真步長設置為0.002s，圖7為鐵氧體的磁密觀測點處磁密值隨時間的變化曲線。

圖6 鐵氧體編號

圖7 常規(guī)轉子結構鐵氧體磁密情況

從圖7(a)至圖7(d)可以發(fā)現(xiàn)，在電機起動的過程中，受電樞反應的影響，鐵氧體磁密多次出現(xiàn)降低的情況，在起動到70ms時刻，各磁密觀測點的磁密值降到最低，且多數(shù)觀測點的最低磁密值出現(xiàn)在0T以下，這表明常規(guī)轉子結構電機的鐵氧體在起動過程中出現(xiàn)了大范圍不可逆退磁；為了具體得到各鐵氧體的退磁面積和退磁率，采用磁密觀測線的方法對每塊鐵氧體具體評估，圖8是常規(guī)轉子結構的鐵氧體退磁區(qū)域(圖中灰色區(qū)域)，其退磁情況如表3所示。

圖8 鐵氧體退磁區(qū)域

表3 常規(guī)轉子結構鐵氧體退磁情況

鐵氧體編號1#2#3#4#退磁面積/mm238.96138.88138.6760.00退磁率/%46.596.696.468.0

結合圖8和表3可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)轉子結構中，鐵氧體退磁嚴重，單塊鐵氧體最大退磁率達到96.6%，不符合混合永磁電機的設計要求。

2 新型轉子結構

2.1 有限元模型

新型轉子結構與常規(guī)轉子結構的區(qū)別在于，導條沿圓周呈非均勻分布，且形狀不固定，整個轉子呈現(xiàn)出磁阻式結構，轉子設計更加靈活，圖9為新型轉子結構圖。

圖9 新型轉子結構圖

新型轉子結構下，可以布置三層永磁體，最外層布置少量釹鐵硼，內(nèi)層布置較厚的鐵氧體，該結構中釹鐵硼的用量比常規(guī)轉子結構中釹鐵硼用量要大幅減少，電機主要利用d，q軸磁路不對稱產(chǎn)生的磁阻轉矩。

2.2 性能分析

在保證電機定子部分不變的情況下，對新型轉子結構的混合永磁電機進行有限元仿真，圖10為電機的轉速曲線，具體仿真結果如表4所示。

圖10 轉速曲線

表4 有限元仿真結果

名稱數(shù)值空載氣隙磁密基波幅值/T0.126畸變率39.6%空載反電動勢基波有效值/V86.3畸變率20.1%滿載起動輸出轉矩/Nm9.55轉矩脈動率36.62%相電流/A5.83效率88.7%功率因數(shù)0.91

由于轉子導條分布不規(guī)則，且導條數(shù)量較少，電機的起動能力比常規(guī)轉子結構稍弱，從圖10中可以看到，電機滿載起動時較為順利，但是在牽入同步的過程中出現(xiàn)明顯的轉速回落現(xiàn)象。結合表4可以發(fā)現(xiàn)，在該結構下，電機氣隙磁場分布不均勻，氣隙磁密基波幅值比常規(guī)結構要小，且畸變率較大。電機滿載同步運行的相電流為5.83A，比常規(guī)結構電機的相電流大了0.46A，電機效率和功率因數(shù)都比常規(guī)結構要低，這是因為該結構下電機的永磁體用量較少，空載反電動勢比常規(guī)結構大幅降低，雖然能夠充分利用磁阻轉矩，但是永磁轉矩大幅減少，故電機性能比常規(guī)結構要稍弱。

2.3 退磁情況

同樣采用磁密觀測點和磁密觀測線相結合的方法對新型轉子結構電機的鐵氧體退磁情況進行分析，鐵氧體編號如圖11所示。圖12為鐵氧體的磁密觀測點處磁密值隨時間的變化曲線。

圖11 鐵氧體編號

圖12 新型轉子結構鐵氧體磁密情況

從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，電機起動過程中鐵氧體的磁密值大部分都在0T以上，只有少部分的磁密觀測點出現(xiàn)了磁密為0T以下的情況，這表明鐵氧體退磁情況良好，退磁最嚴重的時刻為170ms。圖13給出了鐵氧體在170ms時刻的退磁區(qū)域，具體退磁情況如表5所示。

表5 新型轉子結構鐵氧體退磁情況

結合圖13和表5可以發(fā)現(xiàn)，新型轉子結構下，鐵氧體的退磁情況大幅改善，其中1#鐵氧體沒有出現(xiàn)退磁，2#和3#鐵氧體只是在內(nèi)側邊角處有小范圍退磁，整體退磁情況符合電機設計的要求。

圖13 鐵氧體退磁區(qū)域

3 綜合比較分析

下面將新型轉子結構的異步起動混合永磁電機與同功率等級下的異步起動釹鐵硼電機、工業(yè)異步電動機就性價比方面進行比較。

圖14為三種電機的有限元仿真模型，表6給出了三種電機性能仿真結果和成本估算。

圖14 有限元仿真模型

從表6中可以看出，混合永磁電機的軸向長度比釹鐵硼電機以及異步電機略有增加，其每槽導體數(shù)比異步電機有所減少。從電機性能上看，釹鐵硼電機的效率和功率因數(shù)最高，混合永磁電機的性能比釹鐵硼電機要低，但是都大幅領先異步電機。從材料消耗和預估成本來看，釹鐵硼電機的材料成本最大，其主要成本在于釹鐵硼和漆包線，異步電機的材料成本最低，混合永磁電機的材料成本位于兩者中間。由于混合永磁電機的釹鐵硼用量較少，其轉子上的永磁體主要是鐵氧體，所以混合永磁電機的永磁體材料成本比釹鐵硼電機要低，即使漆包線和定轉子鐵心的成本較釹鐵硼電機略高，但在總材料成本上仍比釹鐵硼電機要低大約42.7元/臺。綜合來看，混合永磁電機具有較好的性價比。

表6 三種電機性能仿真結果與成本估算

另一方面，混合永磁電機采用多層轉子結構，其在制造工藝上的難度比釹鐵硼電機的單層轉子結構要大，且新型轉子結構下的混合永磁電機導條分布不均勻，在端環(huán)的制作上面也有一定難度，這些都是混合永磁電機需要解決的地方。

4 結 論

(1)常規(guī)轉子結構下的兩極異步起動混合永磁同步電動機的起動和同步運行性能較好，但是其鐵氧體的退磁情況嚴重，不符合電機的設計要求。

(2)新型轉子結構電機比常規(guī)轉子結構電機在起動和同步運行性能上稍弱，但是該結構下鐵氧體抗退磁能力較強，鐵氧體的退磁率較低，符合電機設計的要求。

(3)新型轉子結構的混合永磁電機比釹鐵硼電機的材料成本要低，比異步電機的性能要好，整體來看性價比較優(yōu)，在該類電機中有一定的競爭優(yōu)勢。