考慮部分退磁效應的永磁同步電動機的永磁外形設計

劉 琨

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

最近，與多極永磁同步電機（PMSM）已經發展成為一個混合動力電動汽車（HEV）的牽引電機。為了提高駕駛車輛的舒適性，它的設計應該有正弦反電動勢和低齒槽轉矩，這是低轉矩脈動的主要影響因素[1]，并有高纏繞填充因子和氣隙磁通密度以提高永磁同步電機的功率謎底。多篇以滿足目標函數的形狀優化設計的論文已發表[2]。然而，正弦氣隙磁通密度和最小體積永久磁鐵永久磁鐵的形狀優化設計對部分永久磁鐵退磁會產生負面影響。

首先，由于安裝空間的限制牽引電機必需采用緊湊的設計。因此，作為牽引電機的永磁同步電動機優化，具有較高的繞組的填充因子和高能量在其轉子的永久磁鐵。然而，車輛的工作溫度和定子繞組的磁動勢（MMF）比傳統的要高。永磁退磁的影響應被視為一個主要的設計參數。一旦局部退磁發生，高于額定電流流入定子繞組以生成相同的負載轉矩。因此，工作點的熱是越來越多的增加。

在本文中，研究了考慮局部退磁效果的永久性磁鐵的形狀設計，并使用有限元法對其進行了分析。作為一個分析模型，設計了用于高功率的車輛的外轉子永磁同步電機，如公共汽車和卡車。采用正弦反電動勢的理念設計極弧比率為80%。對由于永久磁鐵的形狀產生的部分退磁的影響進行了分析，采用4種形狀模型作為當前的故障狀態和兩種最大轉矩和負載短路狀態的角度。提出了部分退磁外轉子永磁同步電動機，齒槽轉矩，負載角曲線和反電動勢的魯棒性形狀模型。此外，部分退磁后的特性進行了分析和對測試驗證提出了方法。

1 分析模型

高功率的混合動力電動汽車的永磁同步電動機的規格如表1所示。每極定子槽數是1.5。它可以使用一個分段的核心和同心繞組。

分段齒定子和封閉槽設計旨在降低齒槽轉矩。由于在封閉槽漏磁通降低功耗的效果是最多的約2% 3%。對于一個多極電機，應該使用高頻電流，低損耗硅鋼片。

表1 分析模型參數

表2 據極形狀模型的有限元分析結果

2 永磁退磁

圖1顯示了一個永磁退磁曲線。由于永久磁鐵的溫度提高到退磁發生的拐點200℃時，在430 kA / m和0.53T時存在退磁發生的拐點。關于設計的永久磁鐵的厚度，我們可以利用操作點Hd的磁場強度和磁場強度的拐點Hknee之間的關系，如式（1）所示：

這里αi是極弧比例，ω是每相匝數，lm是磁鐵的厚度，lg是氣隙厚度，p是極對數，Is是短路電流。

圖1 永磁退磁曲線的特征

圖2 分析模型的部分永磁退磁

電機短路電流是由有限元計算為606A，極限電流設置為400 A。為了設計一種經濟的永磁同步電動機控制驅動器，我們改變成短路電流限制電流控制器。永久磁鐵工作溫度是在一個混合動力電動汽車牽引電機的情況下非常高。因此，我們應該使用磁鐵的設計厚度的200℃的值。因此，我們可以采用此電機磁體的厚度為6毫米的設計。

但是，它是不可能的分析部分退磁。根據負載角發生的故障狀態，局部退磁方面變得不同。因此，采用有限元數值分析方法來研究部分退磁。

圖3 齒槽轉矩根據形狀模型的分析結果

圖4 部分退磁的分析結果

首先，我們將永久磁鐵按區域分成一些網格，計算在每個細分網格預磁化相反方向的電流輸入定子繞組的永磁磁通密度（或通量強度）。如果在每個網格的通量密度都在磁強度拐點值下，剩磁的元素是使用反沖線改為消磁一個B點（如圖1所示）。最后，我們可以誘導比例如圖1所示的永久磁鐵的溫度系數在20℃剩磁C點。

3 部分退磁的分析

為了研究與形狀相關的部分退磁，提出4種形狀模型，有80%的極弧率，如圖2所示。表2顯示了有限元分析的特征結果。

所有模型的反電動勢的總諧波失真率（THD）均低于5%。齒槽轉矩的形狀模型1是所有模型中最小的。負載角的范圍超過95%的最大扭矩，這是關系到縮小變細的永久磁鐵的可控性。到現在為止，數篇論文給出了這些設計變量的形狀優化的研究結果。但是，我們應該考慮部分的依賴永磁退磁效應。圖3顯示了齒槽轉矩波形的形狀模型。

在最差的輸入電流和溫度的假設條件下對局部退磁進行了分析[3]。圖4顯示了在不同的負載的最大扭矩和短路情形下部分退磁200℃退磁曲線的分析結果?？梢园l現，部分退磁只在N極（或S極）的磁鐵上發生。在形狀模型4的情況下，消磁面積比別人更廣。

為了研究局部退磁的效果，我們采用形狀模型4分析如反電動勢，負載角曲線，和齒槽形狀模型退磁后的扭矩特性的變化。圖5顯示了部分退磁效應在兩種負載的角度參數分析結果。我們核實，部分退磁對電機參數的有害影響，以及功率密度。最后，我們決定采用形狀模型1作為一個魯棒的外轉子永磁同步電動機型的混合動力汽車。

圖6顯示了退磁效應的實驗裝置。為了部分消磁的永磁，我們輸入400 A的電機故障電流，電機溫度增加約200℃。之后，我們測量一個反電動勢波形為驗證提出的方法。圖7顯示了在最大扭矩負載角的退磁測試后的反電動勢。與圖5的仿真結果相比，它顯示了良好的一致性。

圖5 部分退磁后的特征

圖6 外轉子永磁同步電機的實驗設置

圖7 局部退磁最大扭矩負載角反電動勢的實驗結果

4 結論

在本文中，我們使用有限元分析兩種故障狀態永久磁鐵的部分退磁。我們提出一個有效的形狀模型，考慮局部退磁，以及齒槽轉矩和反電動勢的永久性磁鐵。在外轉子永磁同步電動機的混合動力電動汽車情況下，形狀優化的尖細永磁表面高功率的會對局部退磁產生影響。由于部分退磁惡化電機的特性嚴重，所提出的方法對牽引電機具有依賴性。

[1] K. J. Lee, K. C. Kim, S. Kim, J. S. Ahn, S. Y. Lim, and J. Lee,“Optimal magnet shape to improve torque characteristics of interior permanent magnet synchronous motor,” J. Appl.Phys., pt. 2,3, 2005, 97(10).

[2] M. F. Hsieh and Y. S. Hsu, “An investigation on influence of magnet arc shaping upon back electromotive force waveforms for design of permanent- magnet brushless motors,” IEEE Trans. Magn., 2005, 41(10).

[3] M. Rosu, J. Saitz, and A. Arkkio, “Hysteresis model for finite-element analysis of permanent-magnet demagnetization in a large synchronous motor under a fault condition,” IEEE Trans. Magn., 2005, 41(6): 2118-2123.