新型兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)研究

馬霽旻,王 杜,萬梓燦,萬子威

(湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)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(dòng)機(jī)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)(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(jī)轉(zhuǎn)子上同時(shí)存在鼠籠和永磁體，使得電機(jī)具有自起動(dòng)能力。在電機(jī)轉(zhuǎn)速牽入同步之后，鼠籠不再起作用，電機(jī)運(yùn)行在同步狀態(tài)。故該類電機(jī)的優(yōu)勢十分明顯，即電機(jī)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(zhuǎn)速高效運(yùn)行，降低了電機(jī)的運(yùn)行成本。所以該類電機(jī)具有較好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)階段，異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上的一個(gè)難點(diǎn)在于鐵氧體容易出現(xiàn)不可逆退磁，這就制約了該類電機(jī)的發(fā)展。文獻(xiàn)[1]研究了鐵氧體輔助同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機(jī)的最大平均轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，并重點(diǎn)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(xiàn)[2]以變頻壓縮機(jī)用無稀土永磁輔助同步磁阻電機(jī)為對象，分析了該類電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程，同時(shí)使用有限元軟件對比分析了永磁輔助同步磁阻電機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)永磁輔助同步磁阻電機(jī)具有高功率密度、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，且電機(jī)能效與稀土永磁同步電機(jī)相當(dāng)。文獻(xiàn)[3]解析了異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩成分，并分析了影響各部分轉(zhuǎn)矩的電磁參數(shù)，同時(shí)將該電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)做性能比較，得出了該電機(jī)相比感應(yīng)電機(jī)具有較高的功率因數(shù)和效率的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]以一臺(tái)22kW，6極W形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，采用瞬態(tài)有限元法分析了定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢對永磁體工作點(diǎn)的影響，并對該電機(jī)在起動(dòng)過程中永磁體最大退磁點(diǎn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明電機(jī)的負(fù)載條件、轉(zhuǎn)子初始位置以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素對電機(jī)在起動(dòng)過程中的退磁情況均有較大影響。文獻(xiàn)[5]中分析轉(zhuǎn)子上的磁障和磁橋等因素對退磁的影響，同時(shí)提出了在轉(zhuǎn)子軛部加入雙鼠籠來改善退磁的方法。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一臺(tái)2極異步起動(dòng)鐵氧體輔助同步磁阻電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條為非均勻分布，該結(jié)構(gòu)下的鐵氧體抗退磁能力較強(qiáng)。

本文以一臺(tái)3kW兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電機(jī)為例，首先分析了常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下電機(jī)的性能和鐵氧體退磁情況，針對鐵氧體退磁嚴(yán)重問題，采用新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)鐵氧體的抗退磁能力，最后將新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的異步起動(dòng)混合永磁電機(jī)與異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)以及異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合比較。

1 常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.1 有限元模型

兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)可以看成是在兩極異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)子上同時(shí)存在鼠籠和永磁體，使得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這就進(jìn)一步加大了轉(zhuǎn)子空間位置分配的難度，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。圖1為兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)的常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型圖，表1為該電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 電機(jī)主要技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)

從圖1中可以看出，常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)條一般沿圓周呈均勻分布，永磁體放置在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，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(dǎo)條。在這種結(jié)構(gòu)下，轉(zhuǎn)子上的永磁體設(shè)計(jì)成兩層結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的d軸磁阻增大，提高電機(jī)的凸極比。

圖1 常規(guī)對稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子

1.2 性能分析

兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能分析包括起動(dòng)性能和同步運(yùn)行性能。電機(jī)在起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩成分復(fù)雜，其平均轉(zhuǎn)矩Tav為

Tav=Tc+Tg

(1)

式中,Tc為異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它由異步轉(zhuǎn)矩Ta和磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩Tb構(gòu)成；Tg為發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要受定轉(zhuǎn)子電阻、電抗等因素影響，而發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要受空載反電動(dòng)勢等因素的影響。混合永磁方案中釹鐵硼用量較少，使得電機(jī)的空載磁場較弱，電機(jī)的空載反電動(dòng)勢E0較低，則在起動(dòng)過程中發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩成分中，磁阻轉(zhuǎn)矩占比較高。電機(jī)的弱磁場、大凸極比等特性，對電機(jī)的起動(dòng)過程以及同步運(yùn)行過程都有較大的影響。

圖2給出了電機(jī)的空載氣隙磁密和空載反電動(dòng)勢波形。圖3給出電機(jī)空載起動(dòng)和滿載起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線。

圖2 空載仿真波形

圖3 轉(zhuǎn)速曲線

從圖2中可以看出，該電機(jī)的氣隙磁密比釹鐵硼電機(jī)要弱，但比鐵氧體電機(jī)稍強(qiáng)；空載反電動(dòng)勢波形正弦性較好。從圖3中可以看出，電機(jī)空載起動(dòng)和帶額定負(fù)載滿載起動(dòng)時(shí)，都能到達(dá)同步轉(zhuǎn)速3000r/min，且電機(jī)在起動(dòng)初期未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速回落現(xiàn)象，在牽入同步的過程中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)，這表明電機(jī)起動(dòng)性能良好。電機(jī)的有限元仿真結(jié)果如表2所示。

表2 有限元仿真結(jié)果

1.3 退磁情況

電機(jī)在起動(dòng)的過程中電樞反應(yīng)劇烈，混合永磁方案下的鐵氧體面臨的退磁風(fēng)險(xiǎn)較大，有必要校驗(yàn)鐵氧體在起動(dòng)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(jìn)行評估。圖5(a)和圖5(b)是永磁體上的磁密觀測點(diǎn)和磁密觀測線示意圖，對于一塊永磁體，可以在其四個(gè)邊角以及正中點(diǎn)的位置選取5個(gè)磁密觀測點(diǎn)，通過對這5個(gè)觀測點(diǎn)添加磁密計(jì)算公式，再結(jié)合瞬態(tài)有限元仿真就能得到這5個(gè)觀測點(diǎn)的磁密隨時(shí)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(jì)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(shí)刻的磁密情況，從中找出磁密值最低的時(shí)刻，在該時(shí)刻下結(jié)合永磁體的退磁拐點(diǎn)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(gè)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(dāng)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(huì)加大計(jì)算的數(shù)據(jù)量，從而導(dǎo)致仿真時(shí)間較長。

圖5 磁密觀測點(diǎn)和觀測線示意圖

采用磁密觀測點(diǎn)和磁密觀測線相結(jié)合的方法對常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的鐵氧體退磁情況進(jìn)行分析，首先將鐵氧體進(jìn)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(shè)置為0.002s，圖7為鐵氧體的磁密觀測點(diǎn)處磁密值隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 鐵氧體編號

圖7 常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鐵氧體磁密情況

從圖7(a)至圖7(d)可以發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)起動(dòng)的過程中，受電樞反應(yīng)的影響，鐵氧體磁密多次出現(xiàn)降低的情況，在起動(dòng)到70ms時(shí)刻，各磁密觀測點(diǎn)的磁密值降到最低，且多數(shù)觀測點(diǎn)的最低磁密值出現(xiàn)在0T以下，這表明常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵氧體在起動(dòng)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)合圖8和表3可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，鐵氧體退磁嚴(yán)重，單塊鐵氧體最大退磁率達(dá)到96.6%，不符合混合永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

2 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.1 有限元模型

新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，導(dǎo)條沿圓周呈非均勻分布，且形狀不固定，整個(gè)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)出磁阻式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)更加靈活，圖9為新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。

圖9 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中釹鐵硼的用量比常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中釹鐵硼用量要大幅減少，電機(jī)主要利用d，q軸磁路不對稱產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。

2.2 性能分析

在保證電機(jī)定子部分不變的情況下，對新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的混合永磁電機(jī)進(jìn)行有限元仿真，圖10為電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，具體仿真結(jié)果如表4所示。

圖10 轉(zhuǎn)速曲線

表4 有限元仿真結(jié)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(dòng)勢基波有效值/V86.3畸變率20.1%滿載起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩/Nm9.55轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率36.62%相電流/A5.83效率88.7%功率因數(shù)0.91

由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條分布不規(guī)則，且導(dǎo)條數(shù)量較少，電機(jī)的起動(dòng)能力比常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稍弱，從圖10中可以看到，電機(jī)滿載起動(dòng)時(shí)較為順利，但是在牽入同步的過程中出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)速回落現(xiàn)象。結(jié)合表4可以發(fā)現(xiàn)，在該結(jié)構(gòu)下，電機(jī)氣隙磁場分布不均勻，氣隙磁密基波幅值比常規(guī)結(jié)構(gòu)要小，且畸變率較大。電機(jī)滿載同步運(yùn)行的相電流為5.83A，比常規(guī)結(jié)構(gòu)電機(jī)的相電流大了0.46A，電機(jī)效率和功率因數(shù)都比常規(guī)結(jié)構(gòu)要低，這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)下電機(jī)的永磁體用量較少，空載反電動(dòng)勢比常規(guī)結(jié)構(gòu)大幅降低，雖然能夠充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，但是永磁轉(zhuǎn)矩大幅減少，故電機(jī)性能比常規(guī)結(jié)構(gòu)要稍弱。

2.3 退磁情況

同樣采用磁密觀測點(diǎn)和磁密觀測線相結(jié)合的方法對新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵氧體退磁情況進(jìn)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(diǎn)處磁密值隨時(shí)間的變化曲線。

圖11 鐵氧體編號

圖12 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鐵氧體磁密情況

從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)起動(dòng)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(diǎn)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(yán)重的時(shí)刻為170ms。圖13給出了鐵氧體在170ms時(shí)刻的退磁區(qū)域，具體退磁情況如表5所示。

表5 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鐵氧體退磁情況

結(jié)合圖13和表5可以發(fā)現(xiàn)，新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(cè)邊角處有小范圍退磁，整體退磁情況符合電機(jī)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的異步起動(dòng)混合永磁電機(jī)與同功率等級下的異步起動(dòng)釹鐵硼電機(jī)、工業(yè)異步電動(dòng)機(jī)就性價(jià)比方面進(jìn)行比較。

圖14為三種電機(jī)的有限元仿真模型，表6給出了三種電機(jī)性能仿真結(jié)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(jī)的軸向長度比釹鐵硼電機(jī)以及異步電機(jī)略有增加，其每槽導(dǎo)體數(shù)比異步電機(jī)有所減少。從電機(jī)性能上看，釹鐵硼電機(jī)的效率和功率因數(shù)最高，混合永磁電機(jī)的性能比釹鐵硼電機(jī)要低，但是都大幅領(lǐng)先異步電機(jī)。從材料消耗和預(yù)估成本來看，釹鐵硼電機(jī)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(jī)的材料成本最低，混合永磁電機(jī)的材料成本位于兩者中間。由于混合永磁電機(jī)的釹鐵硼用量較少，其轉(zhuǎn)子上的永磁體主要是鐵氧體，所以混合永磁電機(jī)的永磁體材料成本比釹鐵硼電機(jī)要低，即使漆包線和定轉(zhuǎn)子鐵心的成本較釹鐵硼電機(jī)略高，但在總材料成本上仍比釹鐵硼電機(jī)要低大約42.7元/臺(tái)。綜合來看，混合永磁電機(jī)具有較好的性價(jià)比。

表6 三種電機(jī)性能仿真結(jié)果與成本估算

另一方面，混合永磁電機(jī)采用多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其在制造工藝上的難度比釹鐵硼電機(jī)的單層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)要大，且新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的混合永磁電機(jī)導(dǎo)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(jī)需要解決的地方。

4 結(jié) 論

(1)常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的兩極異步起動(dòng)混合永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和同步運(yùn)行性能較好，但是其鐵氧體的退磁情況嚴(yán)重，不符合電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

(2)新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)比常規(guī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)在起動(dòng)和同步運(yùn)行性能上稍弱，但是該結(jié)構(gòu)下鐵氧體抗退磁能力較強(qiáng)，鐵氧體的退磁率較低，符合電機(jī)設(shè)計(jì)的要求。

(3)新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的混合永磁電機(jī)比釹鐵硼電機(jī)的材料成本要低，比異步電機(jī)的性能要好，整體來看性價(jià)比較優(yōu)，在該類電機(jī)中有一定的競爭優(yōu)勢。