【原】用这个转子设计方法，能改善永磁辅助同步磁阻电机性能

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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

沈阳工业大学电气工程学院的研究人员杨晨、白保东、陈德志、李岱岩，在2019年第3期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析”），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。

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。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。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。

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。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。

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。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。

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。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。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。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。

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。

图11  不同永磁磁链下电机的电磁损耗

结论

本文设计了两台3层磁障的4.5kW的可变磁通永磁辅助同步磁阻电机，并进行了对比分析。提出了适用于可变磁通永磁辅助同步磁阻电机的转子设计方法，实现了电机弱磁区转矩的提高与损耗的降低。具体结论如下：

• 1）采用铁氧体和铝镍钴混合永磁与多层磁障转子结构，能够发挥出铝镍钴的高剩磁特性，使永磁辅助同步磁阻电机具备了记忆电机的磁通可调能力。

• 2）发挥铝镍钴的高剩磁特性与提高电机的过载能力在这种设计方法中是一对矛盾体。采用这种设计方法提高电机的性能，需要铝镍钴产生足够的永磁磁链也就是发挥其高剩磁特性。因此兼具低相对回复磁导率和高剩磁特性的铝镍钴更适用于这种设计。

• 3）采用这种设计方法后，电机在弱磁运行时如果采用铜耗最低约束，在同样的转矩输出下电机的损耗最多能下降约56%；电机弱磁运行时的转矩输出能力和速度调节范围也能够得到提高。