[科普中国]-宽调速可控磁通永磁同步电机

简介

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。

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ld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。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ld的增大，交轴电流lq则相应减小，电磁转矩下降幅度较大;同时，由于ld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2。

Vlado Ostovic首先了可控磁通永磁同步电机--记忆电机的思想，其基本工作原理，可通过图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B:高但矫顽力H却很低的铝镍钴。转子上被切向磁化过的永磁体产生的磁通、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ld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Y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Z、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钻，要想获得足够的永磁气隙主磁通，则铝镍钻的厚度要求很高，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。

稀土永磁钱铁硼不仅磁性能远远超过铝镍钻，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钱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。

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钱铁硼，磁化方向如图中单箭头所示。合理选择钱铁硼长度和宽度，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，调整两块钱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钻，它可以正反两个方向磁化，如图中双箭头所示。合理选择铝镍钻长度和宽度，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。铝镍钻宽度选择的一般原则是:保证其与钱铁硼被ld脉冲同向强磁化后，不被钱铁硼再反向去磁而重新磁化，钱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，为了提高钱铁硼有效面积和磁化方向厚度，钱铁硼采用图3所示的平行四边形，磁化方向平行于平行四边形的短边，缺点是钱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，钱铁硼采用图4所示的矩形，钱铁硼与铝镍钻永磁体交接处及两块矩形钱铁硼永磁体交接处所保留的空间可以是空气，也可以是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ld脉冲，在此电流脉冲所产生的直轴电枢反应磁动势作用下，铝镍钻的磁化强弱及磁化方向就会改变，同时铝镍钻退磁回复直线的工作点也会发生变化。当铝镍钻与钱铁硼的磁化方向一致时，因铝镍钻矫顽力太低而对气隙主磁通贡献不大，并且起到将钱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，因此铝镍钻在此方向被强磁化后，电机永磁气隙主磁通最强;当铝镍钻与钱铁硼的磁化方向相反时，随着反方向磁化强度的不同，铝镍钻将钱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，铝镍钻反方向被强磁化后，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ld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。

在低速运行区，铝镍钻应在与钱铁硼磁化方向相同的方向上被强磁化，电机永磁气隙主磁通最高，电机处于恒转矩调速工作区，系统采用ld -Q矢量控制策略，电机定子电流小，电机处于比较理想的控制运行状态，力能指标高。在高速运行区，需要施加幅值可控的Z、脉冲弱磁，进行必要的永磁气隙主磁通弱磁调整，弱磁调整后，当在某一速度范围内不需大幅调整而平稳运行时，磁通不需再反复调整;当速度需要大幅调整时，只需在某些必要的特定速度下，通过施加所要求的幅值和方向均可控的ld脉冲，就可以轻易地改变铝镍钻永磁体的磁化状况及其退磁回复直线上的工作点，从而改变永磁气隙主磁通强弱，且随后保持调整后的磁化状况不变。除调整磁通时有ld脉冲外，定子电流仅有负载电流一一交轴电流lq，铜耗低，电机经济运行，同时，由于交轴电流产生的磁动势不穿过切向放置的铝镍钻永磁体，钱铁硼永磁体的矫顽磁动势很强，永磁体不会被负载电流退磁。

记忆电机运行时，可以利用数字信号处理器DSP，采用模型参考自适应方法，或特定的基于观测器的估算方法，如全阶状态观测器、降阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器等，实时地得到永磁气隙主磁通的大小，以保证永磁主磁场的控制效果和运行控制特性

电机磁场有限元分析为了验证上述设想，使用ANSYS软件对一台图3所示的4极W形内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机模型进行了磁场有限元分析和计算。电机机座、定子和轴与Y 100L 1-4三相感应电机的完全相同。电机额定数据如下:额定功率为2.2kW ,额定电压为380V,额定电流为SA;定子三相双层短距分布绕组为Y形连接，每个线圈20匝，转子内径38mm，转子外径97.2mm，气隙长0.4mm，定子内径98mm，定子外径155mm，铁心长105mm。要产生必要的气隙磁场，一对极下转子硅钢片直轴磁路部分、空气隙、定子齿和骊大约需要600-700A的磁动势。取平行四边形钱铁硼长20mm，高Smm(磁化方向计算长度7.07mm，永磁体长边与电机交轴间的夹角取500，牌号为NTP264H，预计工作温度75 0C，其计算剩磁密度BY =1.074T，计算矫顽力H=817kA/m;取铝镍钻永磁体长15mm，高8mm，牌号为LNG52，剩磁密度BY=1.3T，矫顽力H}=56kA/m，考虑到在电机内部，铝镍钻可能是不饱和磁化，取其在两个磁化方向上受到最强磁化后，其最高等效退磁直线的计算剩磁密度BY；BY=0.8T和计算矫顽力H，H =160kA/m。一对极下，铝镍钻完全去磁所需磁动势为F -56x103x0.008x2=896A，而一般情况下变频驱动器都允许最大输出两倍的电机额定电流，当电机直轴电流矢量为两倍的电机额定电流时，三相定子绕组在一对极下产生的合成磁动势约为3000A，考虑充磁时在磁路其它部分的磁动势损失，最后施加在铝镍钻上的最大充磁磁动势是其完全去磁所需磁动势的2倍以上，因此有能力将铝镍钻在正反方向上重新磁化，使铝镍钻具有较高的剩磁密度。

对模型电机进行磁场有限元分析，得出的转子磁场分布图和气隙磁密曲线如图5所示。由图5 (a) ,图5(b)可见，空载时，在两种极端磁化情况下，气隙磁密大幅削弱;由图5c、图5(d)可见，电机满载，即电枢电流Z=Zg有效值为额定电流IN时，，在两种极端磁化情况下弱磁后，功角明显增大了，此时的气隙磁场是转子永磁磁场与交轴电枢反应磁动势共同作用的结果。

在上述两种极端磁化情况下，分别对Z=Zg从空载到满载以1%步长递增时的磁场进行有限元分析和傅立叶分解计算，分析出两种极端磁化情况下直、交轴气隙磁密基波随负载变化的曲线如图6所示。原则上，其中的直轴永磁主气隙磁密由永磁体产生，交轴气隙磁密由负载电枢反应磁动势产生，虽然采用了最大交轴磁阻这样的特殊磁路结构，但是直、交轴磁路还会相互影响。强磁状况下交轴电枢反应对直轴磁路影响很小，负载变化时直轴气隙磁密基波几乎不变;弱磁状况下交轴电枢反应对直轴磁路有一定的影响，负载增大时直轴气隙磁密基波有所增大，受直轴磁路部分饱和的影响，强磁状况下的交轴电枢反应产生的气隙基波磁密比弱磁状况下要低，即强磁状况下电机的交轴电感小一些。

总结在内置混合式转子可控磁通永磁同步电机中，切向放置的铝镍钻永磁体的磁化过程是完全可控的。铝镍钻可以被定子直轴电流矢量ld脉冲改变磁化的方向和强弱。调整通过铝镍钻永磁体的磁通量来控制气隙永磁磁场的强弱。铝镍钻永磁体可以将磁性能很高的钱铁硼永磁体产生的磁通推向定子，使永磁气隙主磁通最强;也可以将钱铁硼永磁体产生的磁通在转子内部部分短路，从而调控永磁气隙主磁通。定子电流仅是交轴电流分量，不会对直轴上切向放置的铝镍钻永磁体的磁化带来影响。增大交轴磁阻，可减小交轴电感，降低交轴电

抗压降，提高变频器输入电压的利用率，增大电机调速运行区，同时减少电枢反应对永磁气隙主磁通的影响。此结论同样适用于传统弱磁调速永磁同步电动机。

内置混合式转子可控磁通永磁同步电机转子铁芯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，无需隔磁处理。它应用范围宽，陛能和经济性都较好。可广泛应用于机床主轴、电动汽车要求电机转速高且宽调速的场合。

根据电机可逆运行原理，同样也可以让其工作于发电机状态，通过类似的直轴电流矢量ld脉冲控制发电机直轴永磁气隙主磁场的强弱，在很宽的转速范围内，使发电机的输出电压维持在一定数值内，将其应用于汽车发电机、永磁风力发电机等要求输入交流电压变化范围不大，且要将交流电整流成直流为蓄电池充电的场所。