新型雙定子雙凸極可變磁通記憶電機設計與性能比較

2024-01-26 02:11:56王孫清鄭恒持徐紀偉

微特電機 2024年1期

王孫清,于朝,鄭恒持,徐紀偉

(1.中國船舶科學研究中心,無錫 214082; 2.深海技術科學太湖實驗室,無錫 214082;3.深海載人裝備全國重點實驗室,無錫 214082)

0 引言

永磁電機具有高驅動效率和高轉矩密度的優勢,因此被廣泛應用于電氣化交通領域[1]。然而,永磁體的存在限制了其轉速范圍,以及在寬速域的驅動效率。為了解決上述問題,國內外學者提出多種方法來調節氣隙磁場、拓寬電機的速度范圍[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節LCF永磁體的磁化水平,其勵磁銅損可以忽略不計。這種類型的電機由Ostovic V教授首次提出[7],被稱為可變磁通記憶電機(以下簡稱VFMM)。VFMM的轉子由AlNiCo永磁體、非磁性材料和鐵心組成,內窄外寬的梯形永磁體被切向磁化,該電機結合了帶繞線轉子電機與永磁電機的優點。為了增強LCF永磁體的抗退磁能力,文獻[8]和文獻[9]提出了一種切向磁化的VFMM,即在轉子中沿d軸引入多個磁障,使d軸電感大于q軸電感。文獻[10]將SmCo永磁體應用于磁通增強型內嵌式永磁電機,該電機q軸上設置隔磁橋,d軸上引入了輔助磁通路徑,這種結構使電機具有磁通增強特性。

為兼顧功率密度和調磁能力,國內外學者提出多種混合永磁體的轉子結構,其中LCF永磁體提供可調節磁動勢,而高矯頑力(以下簡稱HCF)永磁體則提供主導恒定磁動勢。在文獻[11]中,采用雙層三角形永磁體排列和擴展磁障,克服了永磁體意外退磁風險,并減少了退磁引起諧波而造成的鐵損。為了進一步提高電機的性能,文獻[12]結合串聯和并聯磁路,提出混合磁路的VFMM,該結構采用雙層永磁體結構,兼具并聯結構的寬調磁范圍和串聯結構的優良抗退磁能力。文獻[13]采用同樣思路,設計了雙層V-U形永磁體配置,U形永磁體放置于V形永磁體下,用來穩定在d軸附近AlNiCo永磁體的工作點。

文獻[13]和文獻[14]首次將記憶電機的概念引入到雙凸極永磁電機中,提出雙凸極記憶電機,采用外轉子結構,其中電樞繞組、調磁繞組和AlNiCo都放置在內定子上,充分利用了電機內部空間。在上述電機的基礎上,文獻[15]在內定子上采用并聯磁路的AlNiCo和NdFeB永磁體,這種新的記憶電機能夠保持高功率密度,并且可以實現高效的氣隙磁通控制。文獻[16]將磁通切換電機和記憶電機相結合,提出了混合永磁磁通切換記憶電機。該電機采用兩層定子結構,內部定、轉子構成傳統磁通切換電機,LCF永磁體置于U形鐵心和外定子軛部之間,通過調節LCF永磁體的磁化狀態,可以有效擴大電機的高效率區域。在該電機的基礎上,文獻[17]進一步提出分區定子結構,電樞繞組放置在外定子上,混合永磁體和調磁繞組放置在內定子上,LCF和HCF永磁體同樣具有并聯磁路。這種結構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,該電機具有更高的轉矩輸出能力。

根據以上分析,目前具有輔助調磁繞組的VFMM拓撲結構主要包括雙凸極型和磁通切換型。對于磁通切換型結構的研究比較全面[18-19],而雙凸極記憶電機仍然存在轉矩密度低、驅動效率低、反電動勢非正弦和轉矩脈動大等缺點?；谏鲜鲭p凸極記憶電機所存在的問題,本文提出了新型雙定子雙凸極可變磁通記憶電機(以下簡稱DS-DSVFMM)。在并聯磁路混合永磁體的基礎上,提出了3種新型DS-DSVFMM拓撲結構,介紹了該電機的簡化磁路模型、電樞和勵磁繞組繞制方式,比較了3種DS-DSVFMM的電磁特性,包括調磁能力、負載轉矩特性和抗退磁能力,最后,試制樣機并進行了實驗驗證。

1 電機拓撲結構

1.1 DS-DSVFMM拓撲結構

基于定、轉子的凸極結構以及混合永磁體的勵磁方式,構建了3個具有并聯磁路的基本幾何模型,調磁繞組置于LCF永磁體上,如圖1所示。根據鐵心的形狀,混合永磁體勵磁單元模塊可以分別定義為L形、T形和Π形。

圖1 并聯磁路混合永磁體的基本幾何模型

為充分利用電機的內部空間,采用雙定子和分段式轉子結構。基于氣隙磁場調制理論,內、外定子采用凸極結構來提高轉矩密度,考慮到消除電樞和調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,調磁繞組置于內定子上。結合上述設計思想和理論,提出了3種具有并聯磁路的新型DS-DSVFMM拓撲結構,如圖2所示。HCF永磁體放置在內定子軛部,采用周向磁化,LCF永磁體放置于內定子槽中,同樣對其進行周向磁化。根據內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?？梢钥闯?NdFeB永磁體具有較大矯頑力,作為主要的激勵源來提供主磁場,提高電機功率密度和驅動效率。AlNiCo的矯頑力相對較小,可以通過脈沖電流改變其磁化狀態。LCF永磁體的磁滯模型具有多個磁滯環,包括主磁滯回線和局部磁滯回線,這些局部磁滯回線被認為具有相同矯頑力,但具有不同的剩磁。負載線和回復線的交點決定了LCF永磁體工作點,通過調磁繞組中的脈沖電流改變LCF永磁體的工作點,因此,LCF永磁體作為輔助的激勵源,通過調整其磁化水平可以改變氣隙磁通。DS-DSVFMM可以分別實現低速增磁和高速弱磁狀態,這將在以下內容中進行研究。

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永磁體的磁動勢和磁阻,而Fmh和Rmh分別代表HCF永磁體的磁動勢和磁阻,雙層氣隙等效為磁阻Rg1和Rg2。圖4(a)為增磁狀態,即LCF永磁體的磁動勢方向與HCF永磁體的方向相同。當忽略漏磁時,氣隙磁密是兩種永磁體產生的磁密之和。當LCF永磁體被完全磁化時,磁密達到最大值。圖4(b)為弱磁狀態,LCF永磁體的磁動勢方向與HCF永磁體相反,此時氣隙磁密是兩種永磁體產生的磁密之差。當LCF永磁體達到反向全磁化狀態時,氣隙磁密達到最小值。

圖4 磁路模型

增磁和弱磁狀態下的氣隙磁通Φe和Φw計算如下:

(1)

(2)

Φe和Φw的比值定義為磁化調節比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是真空磁導率;μrh和μrl分別表示HCF和LCF永磁的相對磁導率;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。兩種繞組單獨放置的形式可以消除空間沖突,減少彼此之間的影響。

對于L形和T形DS-DSVFMM,內定子上的極對數:

對于Π形DS-DSVFMM,內定子中永磁體的極對數:

基于氣隙場調制理論[20],外定子上電樞繞組的極對數表示:

pa=|Nr-ps|

式中:Ns和Nr分別代表定、轉子齒數。

外定子槽中兩個相鄰線圈之間反電動勢的電角度之差αc計算如下:

對于L形和T形DS-DSVFMM,Ns=12,Nr=10,αc為120°;對于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勢星形圖和各相繞組的電動勢矢量圖。根據電動勢矢量圖,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 電磁性能對比

比較3種DS-DSVFMM的電磁特性,為保證對比的公平性,3個DS-DSVFMM的內、外定子以及內、外氣隙等尺寸相同。DS-DSVFMM的主要設計參數通過非支配排序遺傳算法-II(NSGA-II)算法進行優化,包括多個優化目標:平均扭矩、轉矩脈動和鐵心損耗。優化后DS-DSVFMM的主要設計參數如表1所示。

表1 DS-DSVFMM的關鍵參數

2.1 調磁性能

圖6顯示了3種DS-DSVFMM在增磁和弱磁狀態下的開路磁通和磁場分布情況?？梢钥闯?相比于弱磁狀態,在增磁狀態下,通過氣隙和分塊轉子流向外定子的磁通量更多。在弱磁狀態下,內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定子。圖7為DS-DSVFMM的開路反電動勢波形和相應的諧波譜。

圖6 在增磁和弱磁狀態下的開路磁通和磁場分布

圖7 開路反電動勢

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勢和更少的高次諧波含量。

圖8給出了基波反電動勢隨調磁電流幅值變化的情況?？梢钥闯?對于這3種電機,相比于完全弱磁狀態,實現完全增磁狀態需要更大的電流脈沖幅值。此外,這3種電機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擁有最好的調磁能力,其基波反電動勢幅值可以在11 V到30 V左右變化。與Π形DS-DSVFMM相比,L形DS-DSVFMM在完全弱磁狀態下具有相似的基波反電動勢幅值,但在完全增磁狀態下則具有更大的基波反電動勢振幅,因此L形DS-DSVFMM比Π形DS-DSVFMM具有更好的調磁性能。

圖8 反電動勢基波隨調磁電流的幅值變化

前面定義的磁化調節比kr也可以通過開路反電動勢來近似計算:

(4)

式中:Uen_amp和Uwe_amp分別是增磁和弱磁狀態下的反電動勢幅值。

反電動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種電機調磁能力和反電動勢THD的比較?？梢钥闯?T形DS-DSVFMM具有最好的調磁性能,L形DS-DSVFMM具有最小反電動勢THD。

表2 3種DS-DSVFMM的調磁能力和反電動勢THD的對比

2.2 轉矩性能

圖9對3種DS-DSVFMM的齒槽轉矩進行比較。與其他兩種電機相比,T形DS-DSVFMM擁有最小的轉矩脈動。圖10(a)比較了3種DS-DSVFMM的穩態轉矩,可以注意到,T形DS-DSVFMM的輸出轉矩最大,轉矩脈動最小,而Π形DS-DSVFMM顯示出最小的輸出轉矩和最大的轉矩脈動。圖10(b)給出了平均轉矩與q軸電流之間的關系,當q軸電流大于45 A時,3種電機的平均轉矩趨于平緩,電機飽和。3種DS-DSVFMM的電磁轉矩特性總結如表3所示。可以看出,T形DS-DSVFMM的輸出轉矩性能最好。

表3 3種DS-DSVFMM轉矩性能比較

圖9 齒槽轉矩的對比

圖10 增磁狀態下轉矩特性對比

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載工作狀態下的工作點軌跡和磁通密度。可以看出,由于HCF永磁體對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永磁體的工作點與另外兩種電機相比最低。還可以看出,在額定負載狀態下,工作點略有不同,但均沒有出現明顯退磁現象,這證明3種DS-DSVFMM具有良好的抗退磁能力。