基于耦合仿真的少稀土混合永磁電機(jī)的性能分析

陳云云,蔡同樂,李敏艷

(揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225100)

0 前言

稀土永磁電機(jī)具有功率密度高、調(diào)速范圍廣和轉(zhuǎn)矩能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而，受當(dāng)前不斷上漲的稀土永磁材料價(jià)格的影響，稀土永磁電機(jī)的制造成本也在不斷上升。為了降低稀土永磁材料的用量，采用非稀土鐵氧體替換部分稀土永磁材料，構(gòu)成少稀土類混合永磁電機(jī)。該類電機(jī)在控制電機(jī)成本的同時(shí)保持了稀土永磁電機(jī)的高功率密度、高轉(zhuǎn)矩輸出的優(yōu)點(diǎn)，成為了永磁電機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的新焦點(diǎn)之一。

目前針對(duì)少稀土類永磁電機(jī)的研究多圍繞于電機(jī)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁特性分析計(jì)算和電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。然而，目前電機(jī)電磁特性有限元分析計(jì)算和電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多是基于理想激勵(lì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行于額定工況下的性能評(píng)估，忽略驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)少稀土混合永磁電機(jī)實(shí)際多工況運(yùn)行的影響，造成電機(jī)運(yùn)行損耗、功率等特性的計(jì)算精度下降。同時(shí)，對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的分析，多采用基于MATLAB-Simulink的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的搭建方案，以便高效分析電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性和驗(yàn)證控制策略的可行性，然而該類模型中電機(jī)本體的電磁參數(shù)并未根據(jù)運(yùn)行工況的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，這也降低了分析結(jié)果的精度和可靠性。另外，對(duì)于混合永磁電機(jī)，由于采用了2種不同性質(zhì)的永磁材料，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段為提升非稀土鐵氧體的抗去磁性能，分析電機(jī)弱磁控制高速運(yùn)行狀態(tài)下鐵氧體的退磁狀況尤為重要。

為提高仿真分析的精度和準(zhǔn)確性，本文作者基于Maxwell和Simplorer建立了少稀土混合永磁電機(jī)本體及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，針對(duì)實(shí)際多工況運(yùn)行條件下的電機(jī)電磁特性以及驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行分析。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

少稀土混合永磁電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)整體采用了12槽10極的搭配。定子中的電樞繞組的連接方式選用了分?jǐn)?shù)槽集中式繞組。轉(zhuǎn)子內(nèi)部均勻放置混合永磁體單元，其中非稀土鐵氧體呈輪輻狀均勻內(nèi)置于轉(zhuǎn)子，稀土釹鐵硼則對(duì)稱地分布在鐵氧體的兩側(cè)或首尾頂端，在磁路上形成串并聯(lián)混合的方式，不僅能夠有效地提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，也增加了非稀土鐵氧體的抗去磁能力。此外，轉(zhuǎn)子內(nèi)部非對(duì)稱磁障的設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化電機(jī)的電感特性，使得磁阻轉(zhuǎn)矩得以充分利用以提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

圖1 少稀土混合永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

忽略鐵心飽和效應(yīng)，不計(jì)渦流和磁滯損耗，在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)dq軸坐標(biāo)系下，少稀土永磁電機(jī)的電壓方程為

(1)

式中：、、、、、分別表示定子電壓矢量、電流矢量、電感在dq軸上的分量；表示電角頻率；表示微分算子。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

=15[+(-)]

(2)

式中：表示電磁轉(zhuǎn)矩；表示磁極對(duì)數(shù)；表示永磁磁鏈。

2 基于場(chǎng)路耦合的聯(lián)合仿真模型

2.1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)框圖

少稀土混合永磁電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真框圖如圖2所示,包括電機(jī)本體模型、驅(qū)動(dòng)電路模型和控制策略的制定。

圖2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制電路框圖

2.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模型

在ANSYS Maxwell和Simplorer中搭建少稀土混合永磁電機(jī)本體的有限元模型和驅(qū)動(dòng)電路模塊，電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 少稀土永磁電機(jī)主要參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電路模型中，驅(qū)動(dòng)單元主要由空間矢量脈寬調(diào)制模塊(SVPWM)和逆變器電路模塊組成，T～T分別表示SVPWM發(fā)出的脈沖信號(hào)，這里逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了三相橋式電路，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路耦合模型如圖3所示。通過SVPWM改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來控制橋臂的通斷，進(jìn)而產(chǎn)生接近正弦波的三相電流波形。

圖3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路耦合模型

2.3 控制策略

針對(duì)所提少稀土混合永磁電機(jī)，如圖4所示，在基速區(qū)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。要實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，電機(jī)的電流矢量應(yīng)滿足

圖4 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

(3)

(4)

根據(jù)式(2)和(4)，可以得到和的關(guān)系如下

(5)

在電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)給定的情況下，交直軸電流與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可以通過實(shí)時(shí)在線運(yùn)算得到，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于基速時(shí)，電機(jī)進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)，這里選用變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁法，如圖5所示。變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁法的電壓指令與逆變器輸出電壓直接對(duì)應(yīng)，易于規(guī)劃弱磁軌跡，而且交軸電壓由直軸電壓和極限電壓給定，提高了電壓利用率。

圖5 變交軸電壓?jiǎn)坞娏髡{(diào)節(jié)器弱磁控制

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 電磁性能

設(shè)置仿真時(shí)間為50 ms，50 ms內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升，此時(shí)少稀土混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率如圖6所示。初始時(shí)刻，電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩約為38 N·m，輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而不斷增大。20 ms后，電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速，開始進(jìn)入恒功率區(qū)，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升而降低，電機(jī)的輸出功率則穩(wěn)定在4.6 kW，略低于額定功率(5 kW)。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)矩及輸出功率 圖7 永磁體退磁狀況

永磁電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，鐵耗和銅耗增加，永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)加劇，圖7給出了混合永磁電機(jī)在7倍額定轉(zhuǎn)速(8 400 r/min)時(shí)的永磁體退磁狀況。其中，定義退磁后的剩余磁通密度與初始時(shí)刻永磁材料剩余磁通密度的比值1/0，該值低于相應(yīng)閾值意為發(fā)生退磁，縱坐標(biāo)表示永磁材料中退磁部分的體積占比。從圖7可以看出：閾值小于0.9時(shí)，永磁材料中發(fā)生退磁的部分只占總磁鋼的20%左右，而低于閾值0.8的部分只占不到10%，這表明所提少稀土混合永磁電機(jī)具有較好的抗去磁性能，在高速運(yùn)行下也只產(chǎn)生了輕微的退磁。

3.2 驅(qū)動(dòng)性能

初始時(shí)刻，給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 200 r/min，40 ms后，目標(biāo)轉(zhuǎn)速變?yōu)? 400 r/min，圖8給出了電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)運(yùn)行過程中交直軸電感的變化。從圖8(a)可以看出電機(jī)具有良好的提速能力，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到并穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并且基速區(qū)和弱磁調(diào)速區(qū)間的切換較為平滑，沒有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速尖峰，表現(xiàn)出了電機(jī)良好的驅(qū)動(dòng)性能。圖8(b)體現(xiàn)了電機(jī)在調(diào)速過程中交直軸電感的變化，可以看出:電機(jī)在基速區(qū)內(nèi)的交直軸電感變化差異不大，圍繞固定值波動(dòng);進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)后，電機(jī)的直軸電感開始下降，交軸電感開始上升，而交直軸電感的變化必然會(huì)對(duì)電機(jī)的性能帶來一定的影響。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能及交直軸電感變化

因參數(shù)設(shè)置的差異性，MATLAB-Simulink驅(qū)動(dòng)控制仿真分析法與耦合仿真分析法雖然無對(duì)比性，但仍然具有參考價(jià)值。電機(jī)低速運(yùn)行過程中，2種仿真平臺(tái)下結(jié)果相似，不存在明顯差異。繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，圖9(a)給出了2種不同仿真方法下電機(jī)高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)速曲線。可以看出:雖然2種仿真方式下，電機(jī)最終都達(dá)到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速，但是在2種仿真平臺(tái)下的升速時(shí)間明顯不同。Simplorer平臺(tái)充分考慮了耦合情況下電磁參數(shù)變化的影響，對(duì)于此電機(jī)和控制系統(tǒng)，電機(jī)的電磁參數(shù)變化和到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速(8 400 r/min)所用時(shí)間如圖9(b)(c)(d)所示。從圖9(c)中可以看出，交軸電感對(duì)升速時(shí)間的影響可以忽略。如圖9(b)、(d)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，直軸電感的下降有助于抵消永磁磁鏈下降所帶來的升速時(shí)間的影響；但當(dāng)電機(jī)進(jìn)入高速區(qū)時(shí)，此時(shí)直軸電感對(duì)降低升速時(shí)間的影響可以忽略，永磁磁鏈的持續(xù)下降使升速時(shí)間變長(zhǎng)。而MATLAB平臺(tái)由于采用了固定的永磁磁鏈及交直軸電感，忽略了參數(shù)變化的影響，所以在一定程度上，場(chǎng)路耦合仿真的仿真結(jié)果更具有準(zhǔn)確性。

圖9 相關(guān)電磁參數(shù)對(duì)電機(jī)升速時(shí)間的影響

4 結(jié)論

引入了場(chǎng)路耦合分析法，通過Maxwell和Simplorer搭建了少稀土混合永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模型，分析了少稀土混合永磁電機(jī)的電磁性能和驅(qū)動(dòng)性能，研究了相關(guān)電磁參數(shù)對(duì)升速時(shí)間的影響，并將驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果與MATLAB平臺(tái)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：由于Simplorer充分考慮了電磁參數(shù)變化的影響，Simplorer平臺(tái)的仿真結(jié)果相比于MATLAB平臺(tái)具有更高的可信度，有利于提高電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。