新型雙定子雙凸極可變磁通記憶電機(jī)設(shè)計(jì)與性能比較

王孫清,于 朝,鄭恒持,徐紀(jì)偉

(1.中國船舶科學(xué)研究中心,無錫 214082; 2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,無錫 214082;3.深海載人裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,無錫 214082)

0 引 言

永磁電機(jī)具有高驅(qū)動(dòng)效率和高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)勢,因此被廣泛應(yīng)用于電氣化交通領(lǐng)域[1]。然而,永磁體的存在限制了其轉(zhuǎn)速范圍,以及在寬速域的驅(qū)動(dòng)效率。為了解決上述問題,國內(nèi)外學(xué)者提出多種方法來調(diào)節(jié)氣隙磁場、拓寬電機(jī)的速度范圍[2-6]。其中具有代表性的方法是采用低矯頑力(以下簡稱LCF)永磁體,通過施加脈沖電流在線調(diào)節(jié)LCF永磁體的磁化水平,其勵(lì)磁銅損可以忽略不計(jì)。這種類型的電機(jī)由Ostovic V教授首次提出[7],被稱為可變磁通記憶電機(jī)(以下簡稱VFMM)。VFMM的轉(zhuǎn)子由AlNiCo永磁體、非磁性材料和鐵心組成,內(nèi)窄外寬的梯形永磁體被切向磁化,該電機(jī)結(jié)合了帶繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)與永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。為了增強(qiáng)LCF永磁體的抗退磁能力,文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出了一種切向磁化的VFMM,即在轉(zhuǎn)子中沿d軸引入多個(gè)磁障,使d軸電感大于q軸電感。文獻(xiàn)[10]將SmCo永磁體應(yīng)用于磁通增強(qiáng)型內(nèi)嵌式永磁電機(jī),該電機(jī)q軸上設(shè)置隔磁橋,d軸上引入了輔助磁通路徑,這種結(jié)構(gòu)使電機(jī)具有磁通增強(qiáng)特性。

為兼顧功率密度和調(diào)磁能力,國內(nèi)外學(xué)者提出多種混合永磁體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其中LCF永磁體提供可調(diào)節(jié)磁動(dòng)勢,而高矯頑力(以下簡稱HCF)永磁體則提供主導(dǎo)恒定磁動(dòng)勢。在文獻(xiàn)[11]中,采用雙層三角形永磁體排列和擴(kuò)展磁障,克服了永磁體意外退磁風(fēng)險(xiǎn),并減少了退磁引起諧波而造成的鐵損。為了進(jìn)一步提高電機(jī)的性能,文獻(xiàn)[12]結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)磁路,提出混合磁路的VFMM,該結(jié)構(gòu)采用雙層永磁體結(jié)構(gòu),兼具并聯(lián)結(jié)構(gòu)的寬調(diào)磁范圍和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)良抗退磁能力。文獻(xiàn)[13]采用同樣思路,設(shè)計(jì)了雙層V-U形永磁體配置,U形永磁體放置于V形永磁體下,用來穩(wěn)定在d軸附近AlNiCo永磁體的工作點(diǎn)。

文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]首次將記憶電機(jī)的概念引入到雙凸極永磁電機(jī)中,提出雙凸極記憶電機(jī),采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其中電樞繞組、調(diào)磁繞組和AlNiCo都放置在內(nèi)定子上,充分利用了電機(jī)內(nèi)部空間。在上述電機(jī)的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[15]在內(nèi)定子上采用并聯(lián)磁路的AlNiCo和NdFeB永磁體,這種新的記憶電機(jī)能夠保持高功率密度,并且可以實(shí)現(xiàn)高效的氣隙磁通控制。文獻(xiàn)[16]將磁通切換電機(jī)和記憶電機(jī)相結(jié)合,提出了混合永磁磁通切換記憶電機(jī)。該電機(jī)采用兩層定子結(jié)構(gòu),內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子構(gòu)成傳統(tǒng)磁通切換電機(jī),LCF永磁體置于U形鐵心和外定子軛部之間,通過調(diào)節(jié)LCF永磁體的磁化狀態(tài),可以有效擴(kuò)大電機(jī)的高效率區(qū)域。在該電機(jī)的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步提出分區(qū)定子結(jié)構(gòu),電樞繞組放置在外定子上,混合永磁體和調(diào)磁繞組放置在內(nèi)定子上,LCF和HCF永磁體同樣具有并聯(lián)磁路。這種結(jié)構(gòu)可以有效減少永磁體和電樞繞組之間的空間沖突,相比于單定子記憶電機(jī),該電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

根據(jù)以上分析,目前具有輔助調(diào)磁繞組的VFMM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括雙凸極型和磁通切換型。對(duì)于磁通切換型結(jié)構(gòu)的研究比較全面[18-19],而雙凸極記憶電機(jī)仍然存在轉(zhuǎn)矩密度低、驅(qū)動(dòng)效率低、反電動(dòng)勢非正弦和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等缺點(diǎn)。基于上述雙凸極記憶電機(jī)所存在的問題,本文提出了新型雙定子雙凸極可變磁通記憶電機(jī)(以下簡稱DS-DSVFMM)。在并聯(lián)磁路混合永磁體的基礎(chǔ)上,提出了3種新型DS-DSVFMM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),介紹了該電機(jī)的簡化磁路模型、電樞和勵(lì)磁繞組繞制方式,比較了3種DS-DSVFMM的電磁特性,包括調(diào)磁能力、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性和抗退磁能力,最后,試制樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 DS-DSVFMM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于定、轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)以及混合永磁體的勵(lì)磁方式,構(gòu)建了3個(gè)具有并聯(lián)磁路的基本幾何模型,調(diào)磁繞組置于LCF永磁體上,如圖1所示。根據(jù)鐵心的形狀,混合永磁體勵(lì)磁單元模塊可以分別定義為L形、T形和Π形。

圖1 并聯(lián)磁路混合永磁體的基本幾何模型

為充分利用電機(jī)的內(nèi)部空間,采用雙定子和分段式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。基于氣隙磁場調(diào)制理論,內(nèi)、外定子采用凸極結(jié)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)矩密度,考慮到消除電樞和調(diào)磁繞組之間的空間沖突和相互影響,電樞繞組可以放在外定子上,調(diào)磁繞組置于內(nèi)定子上。結(jié)合上述設(shè)計(jì)思想和理論,提出了3種具有并聯(lián)磁路的新型DS-DSVFMM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。HCF永磁體放置在內(nèi)定子軛部,采用周向磁化,LCF永磁體放置于內(nèi)定子槽中,同樣對(duì)其進(jìn)行周向磁化。根據(jù)內(nèi)定子鐵心的基本幾何模型,3種DS-DSVFMM分別被定義為L形、T形和Π形。

HCF永磁體(NdFeB)和LCF永磁體(AlNiCo)的磁滯模型如圖3所示。可以看出,NdFeB永磁體具有較大矯頑力,作為主要的激勵(lì)源來提供主磁場,提高電機(jī)功率密度和驅(qū)動(dòng)效率。AlNiCo的矯頑力相對(duì)較小,可以通過脈沖電流改變其磁化狀態(tài)。LCF永磁體的磁滯模型具有多個(gè)磁滯環(huán),包括主磁滯回線和局部磁滯回線,這些局部磁滯回線被認(rèn)為具有相同矯頑力,但具有不同的剩磁。負(fù)載線和回復(fù)線的交點(diǎn)決定了LCF永磁體工作點(diǎn),通過調(diào)磁繞組中的脈沖電流改變LCF永磁體的工作點(diǎn),因此,LCF永磁體作為輔助的激勵(lì)源,通過調(diào)整其磁化水平可以改變氣隙磁通。DS-DSVFMM可以分別實(shí)現(xiàn)低速增磁和高速弱磁狀態(tài),這將在以下內(nèi)容中進(jìn)行研究。

圖3 釹鐵硼和鋁鎳鈷永磁體的磁滯模型

1.2 磁路建模

3種DS-DSVFMM的磁路模型相似,本文以L形DS-DSVFMM為例,建立等效磁路模型。在圖4中,Fml和Rml表示LCF永磁體的磁動(dòng)勢和磁阻,而Fmh和Rmh分別代表HCF永磁體的磁動(dòng)勢和磁阻,雙層氣隙等效為磁阻Rg1和Rg2。圖4(a)為增磁狀態(tài),即LCF永磁體的磁動(dòng)勢方向與HCF永磁體的方向相同。當(dāng)忽略漏磁時(shí),氣隙磁密是兩種永磁體產(chǎn)生的磁密之和。當(dāng)LCF永磁體被完全磁化時(shí),磁密達(dá)到最大值。圖4(b)為弱磁狀態(tài),LCF永磁體的磁動(dòng)勢方向與HCF永磁體相反,此時(shí)氣隙磁密是兩種永磁體產(chǎn)生的磁密之差。當(dāng)LCF永磁體達(dá)到反向全磁化狀態(tài)時(shí),氣隙磁密達(dá)到最小值。

圖4 磁路模型

增磁和弱磁狀態(tài)下的氣隙磁通Φe和Φw計(jì)算如下:

(1)

(2)

Φe和Φw的比值定義為磁化調(diào)節(jié)比kr:

(3)

hmh和hml分別代表HCF和LCF永磁體厚度;Amh和Aml分別代表HCF和LCF永磁體橫截面積;μ0是真空磁導(dǎo)率;μrh和μrl分別表示HCF和LCF永磁的相對(duì)磁導(dǎo)率;Hch和Hcl分別表示HCF和LCF永磁體矯頑力。

1.3 繞組分布

圖2中,調(diào)磁繞組置于在LCF永磁體上,電樞繞組以集中繞組的形式置于外定子上。兩種繞組單獨(dú)放置的形式可以消除空間沖突,減少彼此之間的影響。

對(duì)于L形和T形DS-DSVFMM,內(nèi)定子上的極對(duì)數(shù):

對(duì)于Π形DS-DSVFMM,內(nèi)定子中永磁體的極對(duì)數(shù):

基于氣隙場調(diào)制理論[20],外定子上電樞繞組的極對(duì)數(shù)表示:

pa=|Nr-ps|

式中:Ns和Nr分別代表定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

外定子槽中兩個(gè)相鄰線圈之間反電動(dòng)勢的電角度之差αc計(jì)算如下:

對(duì)于L形和T形DS-DSVFMM,Ns=12,Nr=10,αc為120°;對(duì)于Π型DS-DSVFMM,Ns=12,Nr=7,αc也是120°。圖5為相鄰定子槽中線圈的電動(dòng)勢星形圖和各相繞組的電動(dòng)勢矢量圖。根據(jù)電動(dòng)勢矢量圖,外定子上電樞繞組的連接方式如圖2所示。

圖5 DS-DSVFMM電樞繞組布局

2 電磁性能對(duì)比

比較3種DS-DSVFMM的電磁特性,為保證對(duì)比的公平性,3個(gè)DS-DSVFMM的內(nèi)、外定子以及內(nèi)、外氣隙等尺寸相同。DS-DSVFMM的主要設(shè)計(jì)參數(shù)通過非支配排序遺傳算法-II(NSGA-II)算法進(jìn)行優(yōu)化,包括多個(gè)優(yōu)化目標(biāo):平均扭矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵心損耗。優(yōu)化后DS-DSVFMM的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 DS-DSVFMM的關(guān)鍵參數(shù)

2.1 調(diào)磁性能

圖6顯示了3種DS-DSVFMM在增磁和弱磁狀態(tài)下的開路磁通和磁場分布情況。可以看出,相比于弱磁狀態(tài),在增磁狀態(tài)下,通過氣隙和分塊轉(zhuǎn)子流向外定子的磁通量更多。在弱磁狀態(tài)下,內(nèi)定子的磁通密度較大,原因在于大部分永磁體的磁通量流向了內(nèi)定子。圖7為DS-DSVFMM的開路反電動(dòng)勢波形和相應(yīng)的諧波譜。

圖6 在增磁和弱磁狀態(tài)下的開路磁通和磁場分布

圖7 開路反電動(dòng)勢

由圖7可以看到,T形DS-DSVFMM使用了最多的永磁體而具有最大的基波反電動(dòng)勢。雖然L形和Π形DS-DSVFMM具有相同的永磁體用量,但與Π形DS-DSVFMM相比,L形DS-DSVFMM顯示出更大的基波反電動(dòng)勢和更少的高次諧波含量。

圖8給出了基波反電動(dòng)勢隨調(diào)磁電流幅值變化的情況。可以看出,對(duì)于這3種電機(jī),相比于完全弱磁狀態(tài),實(shí)現(xiàn)完全增磁狀態(tài)需要更大的電流脈沖幅值。此外,這3種電機(jī)的全磁化和去磁化電流幅值相似,分別為58 A和-40 A。T形DS-DSVFMM擁有最好的調(diào)磁能力,其基波反電動(dòng)勢幅值可以在11 V到30 V左右變化。與Π形DS-DSVFMM相比,L形DS-DSVFMM在完全弱磁狀態(tài)下具有相似的基波反電動(dòng)勢幅值,但在完全增磁狀態(tài)下則具有更大的基波反電動(dòng)勢振幅,因此L形DS-DSVFMM比Π形DS-DSVFMM具有更好的調(diào)磁性能。

圖8 反電動(dòng)勢基波隨調(diào)磁電流的幅值變化

前面定義的磁化調(diào)節(jié)比kr也可以通過開路反電動(dòng)勢來近似計(jì)算:

(4)

式中:Uen_amp和Uwe_amp分別是增磁和弱磁狀態(tài)下的反電動(dòng)勢幅值。

反電動(dòng)勢的總諧波失真定義:

(5)

式中:Un是第n次諧波電壓;U1是基波電壓。

表2為3種電機(jī)調(diào)磁能力和反電動(dòng)勢THD的比較。可以看出,T形DS-DSVFMM具有最好的調(diào)磁性能,L形DS-DSVFMM具有最小反電動(dòng)勢THD。

表2 3種DS-DSVFMM的調(diào)磁能力和反電動(dòng)勢THD的對(duì)比

2.2 轉(zhuǎn)矩性能

圖9對(duì)3種DS-DSVFMM的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較。與其他兩種電機(jī)相比,T形DS-DSVFMM擁有最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖10(a)比較了3種DS-DSVFMM的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩,可以注意到,T形DS-DSVFMM的輸出轉(zhuǎn)矩最大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小,而Π形DS-DSVFMM顯示出最小的輸出轉(zhuǎn)矩和最大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖10(b)給出了平均轉(zhuǎn)矩與q軸電流之間的關(guān)系,當(dāng)q軸電流大于45 A時(shí),3種電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩趨于平緩,電機(jī)飽和。3種DS-DSVFMM的電磁轉(zhuǎn)矩特性總結(jié)如表3所示。可以看出,T形DS-DSVFMM的輸出轉(zhuǎn)矩性能最好。

表3 3種DS-DSVFMM轉(zhuǎn)矩性能比較

圖9 齒槽轉(zhuǎn)矩的對(duì)比

圖10 增磁狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比

2.3 抗退磁性能

圖11研究了3種DS-DSVFMM中LCF永磁體的抗退磁能力。圖11分別給出了LCF永磁在開路和額定負(fù)載工作狀態(tài)下的工作點(diǎn)軌跡和磁通密度。可以看出,由于HCF永磁體對(duì)LCF永磁體的影響較大,T形DS-DSVFMM的LCF永磁體的磁通密度最小,即T形DS-DSVFMM中的LCF永磁體的工作點(diǎn)與另外兩種電機(jī)相比最低。還可以看出,在額定負(fù)載狀態(tài)下,工作點(diǎn)略有不同,但均沒有出現(xiàn)明顯退磁現(xiàn)象,這證明3種DS-DSVFMM具有良好的抗退磁能力。

圖11 LCF永磁體在開路和額定負(fù)載狀態(tài)下的工作點(diǎn)變化

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論和仿真分析的正確性,加工了T形DS-DSVFMM樣機(jī),樣機(jī)和測試平臺(tái)如圖12所示。樣機(jī)主要包括外定子、內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子,HCF永磁體和LCF永磁體都在內(nèi)定子中。采用磁粉制動(dòng)器給電機(jī)加載,樣機(jī)和測功機(jī)之間安裝轉(zhuǎn)矩傳感器,測量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

圖12 樣機(jī)和測試平臺(tái)

在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下,增磁和弱磁狀態(tài)的反電動(dòng)勢如圖13所示。從圖13可以看出:在增磁狀態(tài)下,反電動(dòng)勢幅值可以達(dá)到30 V左右;在弱磁狀態(tài)下,反電動(dòng)勢幅值只有10 V左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致,因此,本文提出的DS-DSVFMM具有良好的調(diào)磁能力。

圖13 實(shí)測反電動(dòng)勢波形

在不同增磁和退磁電流下的反電動(dòng)勢幅值波形如圖14所示,測量結(jié)果與有限元計(jì)算的結(jié)果吻合。可以看出,相比于完全退磁狀態(tài),電機(jī)達(dá)到完全增磁狀態(tài)需要更大的脈沖電流。

圖14 實(shí)測不同增磁和退磁電流下反電動(dòng)勢的變化

電機(jī)三相電流和轉(zhuǎn)矩的波形如圖15所示,相電流幅值約為32 A,平均轉(zhuǎn)矩約為12 N·m。可以看出,T形DS-DSVFMM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小。

圖15 實(shí)測轉(zhuǎn)矩和三相電流波形

圖16為在增磁狀態(tài)下,有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測試的輸出平均轉(zhuǎn)速隨q軸電流變化的關(guān)系曲線。仿真和實(shí)測結(jié)果之間有微小差異,主要原因是仿真分析中沒有考慮端部效應(yīng)和機(jī)械安裝誤差。還可以注意到,當(dāng)電流大于30 A時(shí),樣機(jī)趨于飽和。

圖16 q軸電流變化時(shí)仿真與實(shí)測的轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比

4 結(jié) 語

本文提出了3種新型DS-DSVFMM,具有雙凸極、雙定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及并聯(lián)磁路混合永磁體的特點(diǎn)。通過有限元分析和實(shí)測驗(yàn)證了DS-DSVFMM的電磁特性,得出以下結(jié)論:

1)根據(jù)鐵心的形狀,3中DS-DSVFMM可分為L形、T形和Π形。通過調(diào)節(jié)LCF永磁體的磁化狀態(tài),可以對(duì)這3種電機(jī)進(jìn)行在線調(diào)磁。

2)T形DS-DSVFMM擁有最優(yōu)的調(diào)磁性能和最大的反電動(dòng)勢。相比于Π形DS-DSVFMM、L形DS-DSVFMM,T形DS-DSVFMM具有更大的基波反電動(dòng)勢和更少的高次諧波含量。

3)T形DS-DSVFMM的平均轉(zhuǎn)矩最大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。Π形DS-DSVFMM在3種電機(jī)中具有最小的輸出轉(zhuǎn)矩和最大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4)T形DS-DSVFMM中LCF永磁體的工作點(diǎn)低于其他兩種電機(jī),并且在額定負(fù)載狀態(tài)下3種電機(jī)工作點(diǎn)略有不同。本文提出的DS-DSVFMM均具有良好的抗退磁能力。

5)對(duì)T形樣機(jī)進(jìn)行加工和測試,實(shí)測結(jié)果與有限元分析相吻合,驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提出的DS-DSVFMM的性能優(yōu)勢。