新型双凸极永磁记忆电机的特性分析综述Word下载.docx

1、由于该电机中采用了具有高剩磁、低矫顽力的铝镍钴，使得在几乎不产生额外损耗的情况下就可以方便地实现在线调磁，从而实现真正意义上的弱磁。同时，该双凸极永磁电机的结构特点决定了电枢反应几乎不会影响永磁体的磁化状态，保证了永磁体工作点的稳定性。该文提出一种简化磁滞模型与常规有限元时步法结合的方法，计算分析了电机各项性能，并与样机的试验结果进行比较，验证了该电机的设计思想与分析方法。0 引言相比转子永磁型电机，定子永磁型电机在永磁体散热、转子结构强度等方面具有一定优势。早在1955 年，定子永磁型交流电机便已出现1，但是受当时永磁材料的性能所限，并没有得到进一步的发展。直至 20 世纪 90 年代，随着

2、稀土永磁材料与功率器件的不断革新，定子永磁型电机的典型代表之一，双凸极永磁（doubly salient permanent magnet，DSPM）电机的概念才由 Lipo 教授提出并逐步完善起来2。DSPM 电机既具有开关磁阻电机的鲁棒性，又能通过绕组电流的双极性控制，有效改善转矩密度。近 10 年来国内外在该电机的结构设计3-7、算法理论8-10及驱动控制11-14等方面已经取得了一系列卓有成效的研究成果。特别是在电机设计上，为了增加电机的弱磁扩速能力，提出了包括机械分磁3、分裂绕组4和混合励磁5等方法，前两者通过外加装置方式旁路掉部分永磁磁通和减少绕组匝数达到扩速的效果，操作稍显复杂;

3、后者直接利用励磁绕组磁势来削弱永磁磁通，但是持续的励磁电流会产生额外的损耗，因此，如何更方便、高效地实现DSPM 电机气隙磁场较宽范围的调节是一个研究热点。为了更好地解决弱磁问题，本文把记忆电机的概念引入到 DSPM 电机的设计中。记忆电机是由Ostovic 在 2001 年首次提出的15，其设计关键点可以归纳为 2 个方面：第一，采用具有记忆功能的永磁体，所谓记忆功能就是指能够随时对永磁体进行在线反复充去磁，并根据记录的充去磁参数随时调用以满足运行目标，满足这一要求的永磁体必须具有低矫顽力的特点，同时为了得到较高的力能指标，永磁体的剩磁应尽可能大，典型的材料即为铝镍钴（AlNiCo）;正由于

4、矫顽力较低，因此避免电枢反应对永磁体工作点的扰动就成为了第 2 个要求。不同于记忆电机原型机使用电枢绕组去磁的形式，本文提出的 DSPM 记忆电机采用了混合励磁结构形式，可以更方便地调节永磁磁场;同时，由于采用了外转子结构，直流绕组可充分利用内定子轭部的空间，在结构上较紧凑;再次，永磁体与电枢槽的相对位置决定了电枢反应几乎不会对永磁体产生影响。1 电机基本结构与设计原理图1 给出了新型 DSPM 记忆电机的剖面示意图。该电机采用五相绕组形式，电机采用外转子结构，既可用作车辆轮毂电机，又可与风叶片直接耦合作为风力发电机使用，减少中间传动环节，提高效率。电机内定子由 3 部分构成，分别为电枢绕组、

5、直流调磁绕组与永磁体层。每个永磁体对应 5 个齿槽，分别放置五相集中绕组。永磁体之间的开槽既起到隔磁，减轻重量的作用，又能放置直流绕组对永磁体进行在线调磁，降低了控制难度。直流绕组采用一个全桥电路来控制，以便在需要的时候提供双向电流脉冲，对永磁体进行在线充、去磁。由于持续时间很短（100ms 左右），所引起的铜耗几乎可以忽略。如前所述，记忆电机的一个重要设计准则就是尽量避免电枢反应对永磁体的影响。本文提出的电机结构由于永磁体与电枢槽都处在定子上且中间存在电枢齿轭，电枢反应产生的磁场垂直于永磁体磁化方向，几乎不会对其产生影响。图2 给出了去除永磁体作用后的电枢反应磁场分布，更直观地表明了该设计原

6、则。由于记忆电机永磁体较低的矫顽力，因此必须保证永磁体具有一定的厚度，否则将使工作点下降，永磁体利用率降低。Ostovic 基于磁路法原理建立了磁通轮廓方程（flux contour equation）15，可以方便地分析一定永磁体尺寸下能提供的最大气隙磁密及完全去磁所需的磁动势之间的关系，但是存在较大的精度误差。为了更精确地对这种新型电机进行分析，本文提出一种基于常规有限元与平行四边形磁滞模型相结合的分析方法。2 计算方法常规稀土永磁特别是钕铁硼（NdFeB）的磁化曲线可以近似用一条直线表示，并且其工作区间处于第二象限中。记忆电机永磁体的磁化曲线具有很强的非线性，而且频繁的调磁使其呈四象限运

7、行，要想较为准确地分析必须采用新的处理方法。本文提出一种简化的分段线性磁滞模型来处理这种四象限运行的磁滞特性。如图 3 所示，根据铝镍钴的磁滞回线特性，拟合成一组等宽平行四边形。这样，整个磁滞回线可以用 2 组具有不同斜率的直线表示：式中：0为真空磁导率;r为铝镍钴相对磁导率;Hm为正向磁场强度饱和点;Brk为第 k 次磁滞回线的剩磁;正负号分别对应左右两条平行线。通过式（1）、（2）可以得出任意时刻的 k 次磁滞回线在第二象限的交点横坐标 Hk，以此作为工作点调整的判断依据。当初始时刻加载电流脉冲时，运用常规有限元法，根据 B=0rH 计算出没有永磁体作用时的各永磁体单元的（B, H）值，根

8、据式（4）分配每一个永磁体单元的剩磁，然后返回根据式（1）计算永磁体工作点，再根据式（5）判断是否需要调整。在每一步牛顿拉斐逊迭代后运用欠松弛法调整 Brk，直至收敛。3 特性分析表 1 列出了 DSPM 记忆电机的基本设计参数，在此基础上建立了有限元模型，运用上述分析方法计算了电机的各项性能。图 4 给出了不同磁化状态下永磁体的气隙磁密分布情况。由于饱和的作用，当充磁电流达到 8A 以上时，气隙磁密幅值基本稳定在0.7T左右，且永磁体各单元工作点稳定在0.91.1 T 之间。图中的负电流是指在饱和充磁后的去磁电流。可以看出，该 DSPM 记忆电机容易实现气隙磁场的调节。图 5、6 分别给出了

9、与之对应的反电势和齿槽转矩波形。值得指出的是，记忆电机的齿槽转矩随弱磁程度的增加而相应减小，有利于保持弱磁扩速运行时的转矩平稳性。为了考虑由于永磁体的存在而引起的饱和特性，DSPM 电机的电感计算通常采用通一相电流时的总磁链减去空载永磁磁链再除以电流得到。图 7为 5A 电流下某相磁链、自感及互感曲线。由于采用了集中绕组，相间互感较小。图 8 为自感随转子位置及电流大小的变化趋势，增磁时，由于饱和作用，电感随定转子齿面耦合程度的增大反而略为下降;去磁时，电感曲线基本随转子位置线性变化。由此产生的磁阻转矩是造成转矩脉动的原因之一。需要指出的是虽然理论上 DSPM 记忆电机可以很方便地实现完全弱磁

10、，但是当弱磁到一定程度时，DSPM 双极性的通电方式将使磁阻转矩占电磁转矩的比重增大，从而使转矩波动加大，因此实际弱磁程度应以满足具体设计要求为准。为了进一步计算电机的弱磁扩速性能，本文继续采用平行四边形磁滞模型与场路耦合有限元时步法相结合的方法对记忆电机弱磁扩速进行瞬态仿真。首先把电机的负载转矩设为额定转矩，初始起动时限流 15A，在到达恒转矩运行并维持一定时间后进行弱磁（去磁一半）扩速。图 9、10 分别为该过程中电磁转矩和转速的变化情况。由图 9中可以看出弱磁后的电磁转矩波动小于恒转矩运行时的波动。4 实验结果图11上方为搭建的DSPM记忆电机测试平台，空载时电机由直流电机带动旋转，负载

11、时直流电机外接电阻箱作为负载运行;下方为驱动板和基于模拟电路的控制板。记忆电机的直流绕组通过一个H桥智能功率模块来实现双向数字在线调磁。图 12 给出了 3 组不同磁化状态下转速为200 r/min 的空载反电势波形，分别与图 5 相对应。可以看出计算值比实测值略大，这是由平行四边形磁滞模型的误差所致，特别是其第二象限的工作点相较实际情况要略高。为了进一步表明记忆电机的瞬态充去磁过程，另外测试了 2 个极端情况：饱和充磁与完全去磁，分别如图 13、14 所示。其中电机转速维持在100 r/min。图 13 为电机在初始未磁化状态下充磁的过程，充磁电流为 10A。由于饱和，即使充磁电流继续增大，

12、稳定运行后的永磁体工作点也将维持在一定的范围内。图 14 为饱和充磁后再去磁到零的瞬态过程。由于永磁体的磁化特性，去磁相对充磁要容易很多，如图中所示，只需 2.3A 电流即可完全去磁。在以上充去磁过程中，由于直流绕组匝数较多，电感较大。充去磁电流脉冲存在一定的滞后效应，同时还受限于电源等级，因此必须保证一定的加载时间。本例中，充磁电压为 300V，去磁电压为 36V，加载时间均为 100ms。空载情况下的测试主要说明了充去磁脉冲对反电势的影响情况，因此转速设定较低以更方便示波器观测。为了进一步验证记忆电机可以实现真正意义上的弱磁扩速，本文继续在额定转速 600r/min下进行弱磁扩速实验（如图

13、 15 所示）。图中下方为去磁电流脉冲，幅值为 1.5A，根据前面对空载反电势的研究结果，1.5A 电流脉冲可以弱磁一半左右;上方是与之对应的转速变化情况。可以看出，该记忆电机能够实现较宽范围的恒功率运行。5 结论本文将记忆电机的概念运用到 DSPM 电机设计中，提出并分析了一种新型的外转子五相 DSPM记忆电机。这种新型电机的主要特点如下：1）由于记忆永磁体的矫顽力较低，且电枢反应对永磁体几乎没有影响，因此可以通过几个直流脉冲实现在线调磁。2）针对记忆永磁体磁化特性具有强非线性，多值性的特点，采用基于平行四边形磁滞模型与常规有限元时步法相结合的方法能够较为准确地计算电机各项性能。3）基于实验

14、结果，该 DSPM 记忆电机具有广阔的应用前景：作为电动机运行可以实现在线弱磁扩速，有效运行在较宽的恒功率区，且没有额外铜耗;作为发电机运行则可以通过在线调磁实现恒压输出。致 谢感谢香港大学电机与电子工程系电气传动与电动汽车研究组支持并提供第一作者一年研究助理（RA）机会。参考文献1 Rauch S E ， Johnson L J . Design principles of flux-switching alternatorsJ.AIEE Transactions，1955，74（3）：1261-1268.2 Liao Y，Liang F，Lipo T A.A novel permanent

15、 magnet motor with doubly salient structureC.Industry Applications Society Annual Meeting，Phoenix，USA，1992.3 Shakal A，Liao Y，Lipo T A.A permanent magnet AC machine structure with true field weakening capabilityJ.Electric Machine sand Power Systems，1996，24（5）：497-509.4 Cheng M，Chau K T，Chan C C. Design and analysis of a new doubly salient permanent magnet motorJ.IEEE Transactions on Magnetics，2001，37（4）：3012-3020.5 李永斌，江建中，邹国棠.新型定子双馈双凸极永磁电机研究J.中国电机工程学报，2005，25（1）：119-123.Li