高性能內置式鐵氧體永磁電動機特性研究

徐振方，王 雷，鄧隱北

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高性能內置式鐵氧體永磁電動機特性研究

徐振方1，王 雷2，鄧隱北2

（1. 河南工業大學電氣工程學院，鄭州 450000；2. 河南匯德電氣有限公司，鄭州 450000）

本文闡述了一種高性能的內置式鐵氧體永磁（IPM）電動機，其轉子磁極結構由4塊形狀、尺寸相同的鐵氧體磁體組成，通過對磁體尺寸及配置結構的優化設計，該電機非常便于安裝和批量化生產。采用數學軟件分析方法，對兩者的效率和磁特性進行分析比較，它們性能基本一致，但價格僅為稀土永磁釹鐵硼磁體的1/4~1/3，該電機以其優越的性價比，有望獲得廣泛應用。

電動機；鐵氧體磁體；磁極；轉矩

0 前言

近年來，隨著對環境保護和節能化要求的日益深化，小型、高效的永磁電動機獲得了廣泛應用。稀土類永磁材料是電動機小型、高效率化必不可少的材料。稀土合金永磁材料主要有1:5型釤鈷稀土合金（SmCo5）、2:17型釤鈷稀土合金（Sm2Co17）及釹鐵硼稀土合金（Nd2Fe14B）三種，因為釤、鈷均為昂貴的稀有金屬，屬戰略性物資，價格貴，故較為廣泛使用的是釹鐵硼稀土合金磁體。

釹鐵硼磁體按不同的型號和類別，一般價位大約在200~250元/kg左右，相對于數十元/kg的鐵氧體磁體，其價位仍然很高（約3~4倍），而且價格的波動大，不易確保穩定的供貨[1-3]。因此，在積極開發永磁電動機的同時，本文通過對永磁電機參數的優化設計、磁場特性分析和結構改進，提出了一種高性能的內置式鐵氧體永磁電動機。

鐵氧體是由鐵的氧化物及其它配料燒結而成的，是一種具有單軸、各向異性的六角結構化合物，主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其復合的固溶體[4-5]。鐵氧體材料充磁后，剩磁強度比較高，在外界磁場消失后磁場強度仍能長時間保留，利用該性能可對外部空間產生較強穩定磁場。

利用鐵氧體磁體制成各類電動機，通過優化設計、結構改進不僅使電機的成本大幅下降，而且在性能上與釹鐵硼稀土永磁電動機基本上相差不大。

1 IPM電動機轉子的優化設計

本文提出鐵氧體永磁IPM電動機的結構改進方案，如圖1所示。為擴大磁體的表面積，采用了輪輻狀配置的磁體A，為降低漏磁配置的磁體B，以及為減少d軸電感、增大凸極比而配置的磁體C，構成了轉子磁極結構。在這一結構中因為充分有效利用了磁阻轉矩，既可以提高轉矩性能和功率密度，又可以減少鐵氧體材料的用量。因此，鐵氧體永磁IPM電動機轉子磁極的結構和磁阻轉矩特性的對優化鐵氧體電機性能非常重要[3]。

圖1 鐵氧體永磁IPM電動機的結構

在選用電機技術參數完全相同的條件下，分別對稀土永磁電機、鐵氧體永磁電機、鐵氧體永磁電機（無鐵氧磁鋼C）三種電機在同一電流下的運行試驗測得的數據分析，通過Mathematica軟件得到的曲線如圖2所示。鐵氧體永磁電機在同樣的電流、規格條件下，通過磁阻轉矩的充分利用，其平均轉矩能達到稀土永磁電動機約90%，在沒有配置鐵氧體磁鋼C的情況下，平均磁轉矩約達到稀土永磁電動機的80%。表1列出了試驗所用電機的各項技術參數。

圖2 轉矩特性分析結果

表1 電動機技術參數

1.1 IPM電機的效率分析

選用參數完全相同的稀土類磁鋼IPM電機和鐵氧體磁鋼IPM電機，對不同轉速下測得的轉矩進行數據分析，兩者的效率曲線如圖3所示。(a)為稀土永磁電動機、(b)鐵氧體永磁電動機。從圖中能確認的是：兩者最高效率幾乎相同[6-9]。如上所述，在同樣的電流條件下，由于鐵氧體永磁電動機的轉矩小，在低速大轉矩范圍內，增加鐵氧體永磁電動機的電流，雖因銅損的增加，效率有所降低，但在高速旋轉范圍內由于弱磁場的電流較小，效率可得到提升。

圖3 IPM電機的效率曲線圖

1.2 IPM電機的磁特性分析

通過對鐵氧體永磁與稀土永磁比較，前者的矯頑力為后者的1/3左右，故對于不可逆退磁的評價是不能缺少的。圖4為反磁場分布的分析結果。從圖中已能確認鐵氧體磁鋼A的角部產生了大的反向磁場，減磁的影響，用式（1）列出的感應電壓下降率進行評價，其結果如圖5所示。

式中，為感應電壓的下降率；E為通電前的感應電壓；E為通電后的感應電壓。

從圖5可看到，在短時間通過額定電流的條件下，已能確認：減磁幾乎達到可以忽視的程度，但電動機短時通過定額以上的過電流（變換器的最大電流）的場合下，會產生約0.5%的電壓下降（低溫減磁）。

圖4 反磁場分布的分析結果

圖5 感應電壓的下降率變化曲線

1.3 磁體二次磁化的分析

若要實現鐵氧體永磁電動機的批量生產，必須具備二次磁化的生產工藝。迄今試制的電動機是將單個磁化過的磁體逐個插入到轉子鐵心內再進行磁化的所謂二次磁化過程，按照不能完全磁化時的運轉條件，有可能擴大不完全磁化的范圍。須要對二次磁化工藝工程的完全磁化進行分析[5]。

圖6所示為現行的模型中，實施了二次磁化時的分析結果，計算出各個磁體在其配置方向產生的磁場，然后對二次磁化進行評價。作為完全磁化的條件，就是對欲將磁化的磁體，需施加3倍嬌頑力的磁場，這是必要條件。由圖6可見到，輪輻狀配置的磁鋼A內徑側以及磁鋼B的兩端，未能滿足這一條件。箭頭所指示的是磁鋼的配置方向。產生的磁場表示在這一配置方向的值，虛線表示所需的磁場，磁鋼A、磁鋼B均有不滿足的地方。

圖6 磁化分析結果（現行模型）

2 改進模型的分析

為了實現磁體的完全磁化，要對磁體的結構、布局需要進行改進設計。輪輻狀配置的磁鋼A，在轉子的內徑側，由于磁通難于通過，所以將磁鋼A得尺寸減少，向磁通容易通過的角度方向改變[10-13]，此外，在磁鋼B的兩端和磁鋼A的內徑側，設計有磁體磁通易于通過的空氣層（壁壘層）。改進后的磁極采用4塊磁體全部是同一尺寸，通過試驗可知，該結構不僅加工、安裝方便，而且也改進了電機的磁化特性。圖7所示為在改進模型中實施后磁化時的分析結果。由于磁鋼A、B、C各自產生的磁場均超過完全磁化所必需的磁場，故由改進的模型可判斷后磁化的可能性和必要性。

3 結論

本文對內置式鐵氧體永磁電動機IPM的電磁特性、轉子結構優化、模型改進前后結果比較，充分利用鐵氧體磁阻轉矩特性，使鐵氧體磁體IPM電動機在性價比上有很大的提高，通過優化IPM電動機的結構、制造安裝工藝，在性能上基本接近稀土永磁電動機，進一步提升IPM電機轉矩特性、效率以及模型的改進，使鐵氧體磁體IPM電動機不斷推向更廣泛的應用領域，特別是目前大力發展的電動汽車行業[14-15]。

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Research on the Characteristics of High Performance Ferrite Interior Permanent Magnet Motor

XU Zhenfang1, WANG Lei2, DENG Yinbei2

(1. College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, China; 2. Henan Hui De Electric Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

In this paper, a high performance of the ferrite interior permanent magnet (IPM) motor, the structure of the magnetic pole of the rotor is composed by four pieces of the same shape and size ferrite body magnet, by optimizing the design of magnet size and configuration structure, the motor is very easy to installation and mass production. Using mathematical software analysis method, comparative analysis, their performance are basically the same for both efficiency and magnetic properties, but the price is only for rare earth permanent magnet NdFeB magnets 1/4 to1/3, the motor with its advantages of price, is expected to receive wide application.

motor; ferrite magnet; magnetic pole; torque

TM351

A

1000-3983(2018)01-0019-04

2017-04-30

徐振方（1976-），2005年7月畢業于大連海洋大學機電學院機械與控制工程專業，碩士學位，現從事電子與科學專業技術研究工作，副教授。

河南省自然科學基金資助項目（142102210407）；鄭州市自然科學基金資助項目（20130657）