2019年2月电工技术学报Vol.34 No. 3 第34卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2019 DOI：10.19595/s.L80389
性能分析
杨晨白保东陈德志李岱岩
（沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870）
摘要以3层磁障转子的永磁辅助同步磁阻电机为例，提出一种铁氧体与铝镍钴混合永磁的可变磁通永磁辅助同步磁阻电机转子设计方法，使永磁辅助同步磁阻电机具备记忆电机弱磁区转矩高、损耗小和调速范围宽的优点。首先给出可变磁通永磁辅助同步磁阻电机的调磁方法；然后从永磁体工作点设计的角度分析电机调磁电流和过载能力对电机性能的影响；接着介绍了永磁体排布的确定和体积比优化设计方法；最后提出一种适用于该电机的转子设计方法。仿真结果表明，采用该文提出的转子设计方法能够使电机弱磁区损耗最多降低56%，电机弱磁区的转矩和调速范围显著提高。 关键词：永磁辅助同步磁阻电机记忆电机退磁有限元
中图分类号：TM351
Design and Analysis of a Variable Flux Permanent Magnet Assisted
Synchronous Motor
Yang Chen Bai Baodong Chen Dezhi Li Daiyan
（School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China）Abstract This paper takes permanent magnet (PM) assisted synchronous motor (PMaSynRM) with three layer flux barrier rotor as an example and presents a novel rotor design method for variable-flux PMaSynRM with hybrid ferrites and alnico PMs. This method makes PMaSynRM integrates the merits of memory motor which are low loss, high torque output in flux-weaken range and wide operation range. Firstly, the method of rotor magnetic field regulate was given. Secondly, the influence of magnetic regulate current and overload capability on the machine performance was analyzed based on the design of working point of PM. Thirdly, the determination of PMs arrangement and optimization method of volume ratio between two kinds of PMs were discussed. Finally, the method of rotor design was concluded. The simulation result shows that adopting rotor design method proposed by this paper can reduce the loss of machine up to 56% and enhance torque output in flux-weaken range, operation range can also be promoted effectively.
Keywords：Permanent magnet (PM) assisted synchronous motor, memory motor, demagnetization, finite element method
0引言
永磁电机作为一种高效率、高转矩密度、宽调速范围的高性能电机，在工业、交通和航空航天等领域得到了广泛的应用[1-3]。但稀土永磁材料价格高且供应量有限，因此少稀土或无稀土的高性能电机成为众多学者研究的热点[4,5]。永磁电机还存在弱磁运行时去磁电流分量引起的损耗导致其效率降低的缺点。
收稿日期 2018-07-01 改稿日期 2018-11-13
490 电工技术学报 2019年2月
同步磁阻电机具有多层转子磁障，依靠转子磁路不对称产生的磁阻转矩工作。这种电机具有成本低、制造简单、转子损耗小的优点，但存在功率因数和转矩密度低以及转矩脉动较大的缺点[6,7]。为了提高这类电机的转矩和功率因数，可以在转子磁障中插入一定的低性能永磁体（铁氧体或粘接钕铁硼）辅助励磁，从而能够降低电机电流的励磁分量并产生永磁转矩，这就是永磁辅助同步磁阻电机[8]。
记忆辅助在设计磁障中的永磁体时，需要考虑永磁磁通对磁路饱和程度的影响[9]。永磁磁通过大容易引起磁路
饱和，降低转子的凸极率；而永磁磁通过小则对转矩和功率因数的提高较小。低性能永磁体虽然矫顽力较低，但其退磁曲线线性度较好，多层磁障结构能提高其抗退磁能力。多层磁障结构带来的永磁体边缘退磁效应可以通过优化磁障端部形状等方法进行改善[10]。
记忆电机具有永磁磁链可控的特点，相比传统永磁电机，其调速范围更宽、弱磁区损耗更低和转矩更高[11]。其采用的永磁体具有低矫顽力和第二象限内非线性退磁曲线的特性，电机的永磁磁链可以通过短时调磁脉冲调节，弱磁区性能良好[11,12]。记忆电机目前采用的永磁材料有铝镍钴永磁体和低矫顽力钐钴永磁体[13]。记忆电机可分为单一永磁和混合永磁两种类型，混合永磁有串联磁路和并联磁路两种结构，其特点见文献[14,15]；按调磁方式可分为交流调磁和直流调磁两种[16]。
本文将记忆电机的设计理念引入永磁辅助同步磁阻电机转子设计中。基于文献[17]提出的同步磁阻电机转子磁障设计方法提出了一种可变磁通永磁辅助同步磁阻电机转子设计方法。给出了基于两种不同铝镍钴永磁材料的4.5 kW串联磁路混合永磁可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计方案，对铝镍钴材料的选择、电机的过载能力与调磁电流对转子设计参数的影响进行了分析，并提出一种适用于这类电机的转子设计方法。仿真结果证明该设计方法能够实现提高电机弱磁区转矩和降低弱磁区损耗的目的。
1转子磁路与调磁原理
1.1 转子磁路结构
永磁辅助同步磁阻电机转矩的主要成分为磁阻转矩。转子设计首先要保证最大的转子各向异性：使转子对d轴磁通的阻碍最小，对q轴磁通的阻碍最大。以提高电机的d、q轴电感差和电感比实现电机最优的转矩和功率因数[17]。有研究指出q轴绝缘率是影响同步磁阻电机转矩输出的主要因素[18]。
图1为省略磁障端部磁桥的电机转子结构，图中给出了转子所需的设计参数。其中，S i为导磁块的厚度，W m i为永磁体的长度，W q i为q轴方向磁障宽度，W d i为d轴方向磁障宽度，下标i表示层数，α1和β为转子虚拟开槽角度，与电机的转矩脉动有关。转子的d、q轴绝缘率k wq、k wd定义为[17]
()
q
wq
wd d d
/
/
i i
i i i
k W S
k W S W
⎧=
⎪
⎨
=+
⎪⎩
∑∑
∑∑∑（1）
图1 省略磁障端部磁桥的电机转子结构Fig.1 Rotor structure neglect ribs of barrier ends
本研究中转子采用串联磁路结构，选用铝镍钴作为低矫顽力永磁体，铁氧体作为高矫顽力永磁体，以实现减少稀土消耗的目的。这种结构能够避免“并联磁路”的自退磁现象，有助于提高铝镍钴的工作点，发挥其高剩磁的特性[19]。
1.2 电机的调磁原理
可变磁通电机的本质特征是永磁磁通可调。目前，电机的调磁方式可分为直流调磁和交流调磁两类。直流调磁适用于永磁体在定子侧，调磁控制简单，不需要进行转子磁场定向。本研究中的电机属于转子永磁型，如果采用直流调磁则需要使用集电环为调磁绕组供电，导致电机结构复杂和可靠性降低。因此本研究采用交流调磁，即通过磁场定向技术向电枢绕组中注入调磁电流脉冲改变永磁体的磁化状态。
永磁辅助同步磁阻电机磁路不对称，为了探讨有效的调磁磁动势生成方法，下面对电机的d、q轴电流对永磁体工作点的影响进行分析。如图1所示，参考同步磁阻电机d、q轴方向的规定，定义磁阻最小的方向为电机的d轴，q轴超前d轴90o电角度且永磁磁链沿着负q轴方向。电机的磁链方程为
第34卷第3期
杨 晨等 可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析 491
d d d
q m q q
L i L i ψψψ=⎧⎪⎨
=−+⎪⎩ （2）
式中，ψd 、ψq 和ψm 分别为电机的d 、q 轴磁链和永磁磁链；L d 、L q 分别为电机的d 、q 轴电感；i d 、i q 分别为电机的d 、q 轴电流。
图2为幅值相同的电枢绕组d 、q 轴电流单独作用下，电机内部的磁力线和磁场分布情况。为了清晰显示d 、q 轴电流的作用效果，在仿真时将永磁体的剩磁设为0 T ，此时磁通均由电枢绕组产生。可以看出，电机d 轴电流产生的磁通均沿导磁块闭合，不穿过磁障和永磁体；q 轴电流产生的磁通除小部分通过转子磁桥闭合外，大部分穿过磁障。这是由于d 轴电流作用下每层磁障两端磁位不同，磁通沿磁阻最小的导磁块闭合。而q 轴磁通作用下，每层磁障两端磁动势相等，磁通只能沿具有磁位差的方向穿越磁障和永磁体闭合。
图2 磁力线和磁场分布
Fig.2 Distribution of flux line and flux density
电机设计的额定电流为14.2 A ，图3为不同d 、q 轴去磁电流下第3层磁障中铁氧体的工作点。可见在幅值为1~3倍额定电流的d 、q 轴去磁电流下，d 轴电流使铁氧体的工作点变化不到1%，而同样的q 轴电流下其变化范围超过50%。因此采用q 轴电流对永磁体磁链的调节比较合理。
图3 不同d 、q 轴去磁电流下铁氧体的工作点
Fig.3 Working point of ferrites under different d-axis and
q-axis demagnetization current
图4为三类永磁材料在第二象限内的退磁曲线。
其中：NKS-550H 和Arnold Alnico9（以下简写为Alnico9）为两种铝镍钴永磁体，剩磁分别为0.93 T 和1.15 T ，回复线的相对磁导率分别为1.46和2.45，矫顽力分别为112 kA/m 和118 kA/m ；NMF-12F 为铁氧体；NdFeB 为钕铁硼。
图4 不同永磁材料的退磁曲线
Fig.4 Demagnetization curve of different PMs
对比三类材料的回复线可以看出：铁氧体和钕铁硼每条回复线对应的永磁体剩磁变化范围很大，可供记忆的磁化状态少，而铝镍钴每条回复线对应的剩磁变化范围较小，可供记忆的磁化状态多，因此铝镍钴比较适合用于记忆电机。串联磁路混合永磁结构中可变磁通永磁体工作点在充退磁控制下的变化过程见文献[19]。 2 转子的设计
2.1 过载能力对调磁范围的影响
电机的过载能力是电机的重要指标，可以认为是电机短时间内承受大电流的能力，在过载工况下，电机需要保证温升在安全范围内且永磁体不发生退磁。本文只研究永磁体退磁对电机过载能力的限制。
电机的电流会影响铝镍钴负载线与退磁曲线的交点。为了保证电机在过载电流下铝镍钴不会退磁，需要预加最大退磁电流（令最大过载电流只含q 轴分量）使铝镍钴的工作点处于其负载线与退磁曲线交点所对应的回复线上。本文定义这个交点的磁通密度为铝镍钴的最大可用剩磁，这时铝镍钴的磁化状态为最大可用磁化状态。因此电机的过载能力决定铝镍钴的最大可用剩磁。电机过载能力越强，所需承受的过载电流倍数越大，图5a 中铝镍钴的负载线也就向左移动越多，导致铝镍钴最大可用剩磁越低。
铝镍钴产生的磁链减少会降低电机的转矩和永磁磁链调节范围。电机的调磁电流大于过载电流，铁氧体在最大调磁电流下需要不发生退磁，也就能够承受过载电流，因此铁氧体对电机过载能力无需考虑。
492 电工技术学报 2019年2月
图5 永磁体的回复线及磁化状态
Fig.5 Recoil line and magnetization status of PMs
为了减少稀土消耗，每极下采用一块铝镍钴和两块铁氧体。因此对于本文研究的两种铝镍钴材料可行的永磁体排布只有三种，即铝镍钴分别处于第1、2、3层。如图5a所示，当电机设计的过载能力为1.5倍时，对应的电流幅值为30 A，当Alnico9分别处于第1、2、3层磁障中，在幅值为30 A的q轴电流下，其最大可用剩磁分别为0.862 T、0.62 T和0.352 T；对于NKS-550H在同样条件下的最大可用剩磁分别为0.32 T、0.26 T和0.232 T。从提高电机过载能力的角度考虑，铝镍钴适合放置于接近转轴的磁障中，且不适于放置于第3层磁障中，否则无法利用铝镍钴的高剩磁特性。2.2电机的调磁电流
电机的调磁电流会影响所需的变频器容量与铁氧体的抗退磁能力。与分析过载能力的方法相同，当铝镍钴分别处于不同层磁障时，使其完全退磁所需的调磁电流不同，越靠近转轴时需要的调磁电流越大。
越大的调磁电流意味着更高的成本，同时也意味着铁氧体需要更强的抗退磁能力。这对于电机的设计是不利的。因此在设计电机时过载能力与调磁电流在一定程度上是矛盾的。
当铝镍钴分别处于第1、2层磁障中时，使其完全退磁的调磁电流幅值分别为Alnico9的64 A、44 A 和NKS-550H的132 A、72 A。这是由于NKS-550H 的退磁曲线非线性段斜率低，所需的完全退磁磁场较强，导致调磁电流较大。
根据求出的最大调磁电流，计算铁氧体的最大去磁工作点，选出满足至少一块铁氧体不发生退磁的方案。采用Alnico9时，当Alnico9分别置于第1层和第2层磁障内，第2，3层磁障和第1，3层磁障中的铁氧体在最大调磁电流下的磁通密度最小为0.115 T，均高于铁氧体退磁曲线膝点0.098 T，铁氧体不会发生退磁，因此这两种设计方案均能够满足设计要求；采用NKS550H时，当NKS550H置于第1层磁障内，在最大调磁电流下第2层和第3层磁障中的铁氧体均发生退磁，当NKS550H置于第2层磁障中时只有第1层磁障中的铁氧体不会发生退磁。综合考虑电机的过载能力与调磁电流，对于两种铝镍钴材料，选出的两种设计方案如下。
1）方案1。第1层磁障Alnico9，第2、3层磁障NMF-12F。
2）方案2。第1层磁障NMF-12F，第2层磁障NKS-550H，第3层空置。
图5b为采用方案1时，施加不同退磁电流后永磁体的磁化状态。在幅值为3.2倍额定电流的q轴电流下，铝镍钴基本处于完全失磁状态，且第2、3层中的铁氧体不会退磁。在确定完永磁体排布后，在永磁体总体积为q轴磁障容积的80%的限制下，通过改变铝镍钴与铁氧体的体积比优化磁通调节范围和气隙磁通密度基波幅值。
两种设计方案下铝镍钴比例的优化结果如图6所示，可见随着铝镍钴的体积比增加调磁范围增大，这是因为永磁磁链可变部分是由铝镍钴决定的，其占比越高，永磁磁链调节范围越大。而对于气隙磁通密度，随着铝镍钴的体积比增加，采用Alnico9时气隙磁通密度先增大后减小。
这是由于铝镍钴可
第34卷第3期杨晨等可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析 493
用剩磁较高，在铝镍钴占比较低时，永磁体的工作
点能够被矫顽力高的铁氧体增强[19]。而在一定程
度时，铝镍钴占比继续提高会导致铁氧体对铝镍钴
磁通增强程度减弱，导致气隙磁通密度略有下降。
而采用NKS-550H时，铝镍钴的可用剩磁低于铁氧
体，导致其占比越大，气隙磁通密度越低。优化过
程中铝镍钴的体积比不同是由于采用NKS550H时，
第3层磁障中无法放置磁体，而每层磁障长度有限，
铝镍钴占比低会导致铁氧体没有足够的安装空间。最终确定方案1和方案2分别采用0.88和0.6的体积比。
图6 两种永磁体体积比优化
Fig.6 Optimization of volume ratio of two kinds of PMs
2.3 电机转子设计流程
本文提出的电机转子设计流程如图7所示。首先进行转子磁障参数优化。对于图1的转子磁障结构来说，虚拟开槽角会影响电机的转矩脉动，而q 轴和d轴绝缘率影响电机的转矩平均值[14]。因此在优化d、q轴绝缘率时，首先保持虚拟开槽角β、α1不变，在保持k wd为k wq的一半的情况下，得出最优的k wq的值；在最优的k wq下优化电机的k wd，并求出对应的设计参数[14]。
图8为d、q轴绝缘率对磁阻转矩的影响，在选取绝缘率时，在转矩相差不大的情况下应优先选择q轴绝缘率较大的值。这是由于插入磁障的永磁体厚度与q轴磁障的宽度相等。较大的q轴绝缘率能
图7 电机转子设计流程
Fig.7 Flowchart of motor rotor design
够提高磁障的宽度也就是永磁体的厚度，有利于提高永磁体的工作点，保证电机的过载能力和工作的稳定性。本文选取k wq、k wd分别为0.6和0.5。
图8 d、q轴绝缘率优化
Fig.8 Optimization of k wq and k wd
在确定转子磁障的尺寸后，对永磁体进行设计。首先列出可行的永磁体排布，计算最大过载电流下铝镍钴的最大可用剩磁，选出铝镍钴最大可用剩磁较高的设计方案。随后计算选出的设计方案下电机的最大调磁电流，分析铁氧体能否承受最大调磁电流，综合选出最优的永磁体排布。如果最大调磁电流下铁氧体工作点略低于退磁曲线膝点，可通过增加铁氧体厚度同时减小铝镍钴的厚度，实现在保持转子q轴绝缘率的同时减小调磁电流，并提高铁氧体的工作点的目的；如果铁氧体退磁严重，则对应的磁障中可以选择不安装铁氧体，或选用矫顽力更高的永磁体。最后优化铝镍钴与铁氧体的体积比，实现电机气隙磁通密度和磁通调节范围的最优化。
3电机性能分析
表1列出了电机的主要设计参数。方案1和方案2对应的电机机械特性如图9所示。可以看出方案2只在极高的转速下，调磁后电机的转矩会有所提高，这种设计对电机性能改善很小，这是由于铝
镍钴产生的永磁磁链过小，磁链的调节对电机性能
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