宽调速可控磁通永磁同步电机磁路设计和有限元分析

第 20 期
陈益广等： 宽调速可控磁通永磁同步电机磁路设计和有限元分析
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图 3 小机座号内置混合式转子可控磁通 永磁同步电机横向剖面图
Fig. 3 Crass-sectional view an interior composite-rotor controllable-flux PWSM with small base
图 4 大机座号内置混合式转子可控磁通 永磁同步电机横向剖面图
Fig. 4 Crass-sectional view an interior composite-rotor controllable-flux PWSM with large base
能增强电机机械强度的不导磁材料，起隔磁作用。 电机运行时，在短时间（如一个电流变化周波
ABSTRACT: A interior composite-rotor controllable-flux permanent magnet synchronous machine (PMSM) for true wide-speed operation is proposed. The radial-set magnets are NdFeB that has high remanent flux density Br and high coercive force Hc. The tangential-set magnets are AlNiCo that has high Br and low Hc. The magnetizing intensity and direction of AlNiCo controlled by a stator d-axis current vector pulse. The flux created by NdFeB is repelled by AlNiCo to stator and the air-gap PM-flux is intensified. Or the flux created by NdFeB is partially bypassed by AlNiCo in the rotor and the air-gap PM-flux is weakened. The dimension of permanent magnets and magnetic circuit structure are demonstrated. When the q-axis larger magnetic resistance and smaller inductance are designed, the result of flux-weakening will be better, and the influence of armature reaction on air-gap PM-flux is weakened. The internal magnetic field distribution in two ultra magnetized situations was analyzed by finite element analysis, and the proposed assumption is proved viable.
学科分类号：470·40
宽调速可控磁通永磁同步电机磁路 设计和有限元分析
陈益广 1，王 颖 1，沈勇环 1，唐任远 2
（1．天津大学电气与自动化工程学院，天津市 南开区 300072； 2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁省 沈阳市 110123）
MAGNETIC CIRCUIT DESIGN AND FINITE ELEMENT ANALYSIS
OF WIDE-SPEED CONTROLLABLE-FLUX PMSM
CHEN Yi-guang1, WANG Ying1, SHEN Yong-huan1, TANG Ren-yuan2 （1. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110123, Liaoning Province, China）
Φmax
Φmax
图 1 完全磁化时可控磁通永磁电机横向剖面图 Fig. 1 Crass-sectional view a fully magnetized
variable-flux memory motor
Φ
Φ
r0
图 2 部分反磁化时可控磁通永磁电机横向剖面图 Fig. 2 Crass-sectional view a partially magnetized variable-flux memory motor
KEY WORDS: Controllable-flux PMSM; Memory motors; Interior composite-rotor; Finite element analysis; Magnetic circuit design
摘要：提出了一种内置混合式转子可控磁通永磁同步电机， 是真正意义上的宽调速电机。其径向永磁体采用剩磁密度和 矫顽力都很高的钕铁硼，而切向永磁体采用剩磁密度高但矫 顽力却很低的铝镍钴。通过定子直轴电流矢量脉冲控制铝镍 钴的磁化方向和强弱，使钕铁硼产生的磁通部分穿过气隙， 部分被铝镍钴在转子内部旁路，使永磁气隙主磁通受控。给 出了永磁体尺寸和磁路结构尺寸的选取原则，特别是将交轴
2 内置混合式转子可控磁通永磁同步电机
4 极内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的 横向剖面图如图 3、图 4 所示。转子由硅钢片冲剪、 叠压而成，永磁体嵌入 W 形槽中，无特殊工艺要 求，转子铁心为一个相互完全贯通的整体结构，机 械强度相对较高，制做方便。径向放置的永磁体采 用剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼，磁化方向如 图中单箭头所示。合理选择钕铁硼长度和宽度，使 其尽可能多地贡献磁通量，电机永磁气隙主磁通主 要由其产生。特别应该注意的是，调整两块钕铁硼 交接处与转子外径间硅钢片磁路的宽窄，可以有效 地改变交轴磁路的磁阻；变窄，交轴电感减小，降 低交轴电抗压降，变频器输入电压的利用率提高， 电机调速运行区宽；还会减少电枢反应对永磁磁场 的影响。切向放置的永磁体采用剩磁密度较高但矫 顽力很低的铝镍钴，它可以正反两个方向磁化，如 图中双箭头所示。合理选择铝镍钴长度和宽度，可 有效地调整电机可控磁通量的大小，以调整电机的 弱磁范围。铝镍钴宽度选择的一般原则是：保证其 与钕铁硼被 id 脉冲同向强磁化后，不被钕铁硼再反 向去磁而重新磁化，钕铁硼与转轴之间的最窄处尺 寸的选取以保证那里的磁场不太饱和为宜。对于小 机座号电机，由于受转子空间限制，为了提高钕铁 硼有效面积和磁化方向厚度，钕铁硼采用图 3 所示 的平行四边形，磁化方向平行于平行四边形的短 边，缺点是钕铁硼永磁体加工时的利用率较低；对 于大机座号电机，转子可利用空间大，为提高永磁 体加工时的利用率，钕铁硼采用图 4 所示的矩形， 钕铁硼与铝镍钴永磁体交接处及两块矩形钕铁硼 永磁体交接处所保留的空间可以是空气，也可以是
磁路磁阻设计的较大，交轴电感较小时，弱磁效果会更好， 还能减少电枢反应对永磁气隙主磁通的影响。对两种极端磁 化状况下模型电机内部磁场的分布进行了有限元分析，说明 所提出的设想是可行的。
关键词：可控磁通永磁同步电机；记忆电机；内置混合式转 子；有限元分析；磁路设计
1 引言
传统的永磁同步电机在转子磁路设计和永磁 体尺寸确定时，都考虑防止永磁体退磁，永磁体厚 度大得足以使极端情况下最强的电枢反应去磁动 势低于永磁体的矫顽磁动势，否则，永磁体一旦退 磁再重新磁化是做不到的[1-2]。
传统的永磁同步电机若想宽调速，大都采用矢 量控制策略，通过控制直轴电流矢量 id 产生的直轴 去磁磁动势削弱永磁磁场，维持高速运行时电机端 电压的平衡，实现弱磁调速，通常希望直轴电感大 一些[3-4]。但是，由于直轴上存在磁阻较大的永磁体， 直轴电感较小，弱磁能力有限，调速范围窄。定子 总电流是受限的，弱磁调速时，随着直轴电流 id 的 增大，交轴电流 iq 则相应减小，电磁转矩下降幅度 较大；同时，由于 id 一直存在，定子铜耗较大，特 别是对于变频器，若弱磁时出现逆变失败，系统失 去弱磁控制能力，高速旋转的永磁磁场会在电机绕 组中感应出过高电压，可能损坏变频器功率器件。
Vlado Ostovic 首先提出了可控磁通永磁同步 电机——记忆电机的思想[5-7]，其基本工作原理，可
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中国电机工程学报
第 25 卷
Fra Baidu bibliotek
通过图 1、图 2 加以说明。图 1 给出了一台 4 极可 控磁通记忆电机的横向剖面图，永磁体选用剩磁密 度 Br 高但矫顽力 Hc 却很低的铝镍钴[8]。转子上被 切向磁化过的永磁体产生的磁通Φmax 经过气隙进 入定子，永磁气隙主磁通最强。由永磁体（两相邻 深颜色部分）、软铁（永磁体两侧）和非磁性材料 （软铁之间三角部分）做成如同三明治夹层结构的 永磁转子，用机械的方法固定在一根非磁性的轴 上，转子外表面用非导磁圆筒固定。在定子上施加 一个与原磁化方向相反的直轴电流矢量 id 脉冲后， 转子永磁体被部分去磁，如图 2 所示。在永磁体到 轴表面之间有一段距离 r0 处产生一个分界面，使得 每块永磁体被分成磁化方向不同的两个区域，穿过 气隙的永磁主磁通减小了。此种电机因其可以通过 id 脉冲改变永磁体的磁化强度，且对磁通密度的改 变具有记忆性，因而称为记忆电机。记忆电机最大 的优点是：可以在很宽的调速范围内运行，而没有 过多的电枢损耗，并且不会牺牲电机的其它特性。
切向式转子磁路结构的优点在于一个极距下 的永磁气隙主磁通由相邻两个磁极永磁体并联提 供，每极都可以得到较大的磁通，尤其是当电机极 对数较多、径向式转子磁路结构下不能提供足够的 每极磁通时，这种结构的优势显得更为突出。但上 述转子结构也有其不足之处。首先，虽然切向磁路 结构适合于极数较多的电机，但永磁体选用的是铝 镍钴，要想获得足够的永磁气隙主磁通，则铝镍钴 的厚度要求很高，不易实现；其次，为了防止转子 轴漏磁，还需采用相应的隔磁措施；再次，记忆电
第 25 卷 第 20 期 2005 年 10 月
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
文章编号：0258-8013（2005）20-0157-05 中图分类号：TM351 文献标识码：A
Vol.25 No.20 Oct. 2005 ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng.
机最适合于需要宽调速的场合（如机床主轴、电动 汽车），电机极对数最好为 4，采用上述结构，电机 永磁气隙主磁通不高，电机力能指标也不好。
稀土永磁钕铁硼不仅磁性能远远超过铝镍钴， 而且价格相对较低，我国又是稀土资源大国，因此 在记忆电机中使用钕铁硼永磁既提高电机性能，又 降低成本。一般要保证电机工作在低速恒转矩区时 永磁气隙主磁通足够高，且有较高的力能指标，而 电机工作在高速恒功率区时永磁气隙主磁通足够 低，电机将有较宽的调速范围。基上述原则，本文 提出了内置混合式转子磁路结构的可控磁通永磁 同步电机。
的时间）内向在三相定子绕组中施加一个幅值和方 向可控的 id 脉冲，在此电流脉冲所产生的直轴电枢 反应磁动势作用下，铝镍钴的磁化强弱及磁化方向 就会改变，同时铝镍钴退磁回复直线的工作点也会 发生变化。当铝镍钴与钕铁硼的磁化方向一致时， 因铝镍钴矫顽力太低而对气隙主磁通贡献不大，并 且起到将钕铁硼产生的磁通推向定子而使永磁气 隙主磁通增强的作用，因此铝镍钴在此方向被强磁 化后，电机永磁气隙主磁通最强；当铝镍钴与钕铁 硼的磁化方向相反时，随着反方向磁化强度的不 同，铝镍钴将钕铁硼产生的磁通在转子内旁路的数 量也随之不同，从而将永磁气隙主磁通小部分或者 大部分减弱，铝镍钴反方向被强磁化后，永磁气隙 主磁通最弱。记忆电机不像传统永磁电机弱磁方式 那样需要持续加起去磁作用的 id 矢量来实现弱磁调 速，是真正宽速运行的永磁同步电机，而且电机转 子轴为普通中碳钢轴，不需要隔磁处理。