新型双凸极永磁记忆电机的特性分析

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1、新型双凸极永磁记忆电机的特性分析2012-4-1116:50:15 来源：兼职编辑 点击率：1382　　摘要：将记忆电机的概念运用到双凸极电机设计中，提出一种新型的双凸极永磁记忆电机。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

2、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(doublysalientpermanentmagnet，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

3、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;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

4、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);正由于矫顽力较低，因此避免电枢反应

5、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

6、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、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

7、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(fluxcontourequation)[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

8、，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