徐振方，王 雷，鄧隱北

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高性能內(nèi)置式鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)特性研究

徐振方1，王 雷2，鄧隱北2

（1. 河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450000；2. 河南匯德電氣有限公司，鄭州 450000）

本文闡述了一種高性能的內(nèi)置式鐵氧體永磁（IPM）電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)由4塊形狀、尺寸相同的鐵氧體磁體組成，通過對(duì)磁體尺寸及配置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該電機(jī)非常便于安裝和批量化生產(chǎn)。采用數(shù)學(xué)軟件分析方法，對(duì)兩者的效率和磁特性進(jìn)行分析比較，它們性能基本一致，但價(jià)格僅為稀土永磁釹鐵硼磁體的1/4~1/3，該電機(jī)以其優(yōu)越的性價(jià)比，有望獲得廣泛應(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)；鐵氧體磁體；磁極；轉(zhuǎn)矩

0 前言

近年來，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)能化要求的日益深化，小型、高效的永磁電動(dòng)機(jī)獲得了廣泛應(yīng)用。稀土類永磁材料是電動(dòng)機(jī)小型、高效率化必不可少的材料。稀土合金永磁材料主要有1:5型釤鈷稀土合金（SmCo5）、2:17型釤鈷稀土合金（Sm2Co17）及釹鐵硼稀土合金（Nd2Fe14B）三種，因?yàn)獒?、鈷均為昂貴的稀有金屬，屬戰(zhàn)略性物資，價(jià)格貴，故較為廣泛使用的是釹鐵硼稀土合金磁體。

釹鐵硼磁體按不同的型號(hào)和類別，一般價(jià)位大約在200~250元/kg左右，相對(duì)于數(shù)十元/kg的鐵氧體磁體，其價(jià)位仍然很高（約3~4倍），而且價(jià)格的波動(dòng)大，不易確保穩(wěn)定的供貨[1-3]。因此，在積極開發(fā)永磁電動(dòng)機(jī)的同時(shí)，本文通過對(duì)永磁電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)特性分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提出了一種高性能的內(nèi)置式鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)。

鐵氧體是由鐵的氧化物及其它配料燒結(jié)而成的，是一種具有單軸、各向異性的六角結(jié)構(gòu)化合物，主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其復(fù)合的固溶體[4-5]。鐵氧體材料充磁后，剩磁強(qiáng)度比較高，在外界磁場(chǎng)消失后磁場(chǎng)強(qiáng)度仍能長(zhǎng)時(shí)間保留，利用該性能可對(duì)外部空間產(chǎn)生較強(qiáng)穩(wěn)定磁場(chǎng)。

利用鐵氧體磁體制成各類電動(dòng)機(jī)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)不僅使電機(jī)的成本大幅下降，而且在性能上與釹鐵硼稀土永磁電動(dòng)機(jī)基本上相差不大。

1 IPM電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文提出鐵氧體永磁IPM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，如圖1所示。為擴(kuò)大磁體的表面積，采用了輪輻狀配置的磁體A，為降低漏磁配置的磁體B，以及為減少d軸電感、增大凸極比而配置的磁體C，構(gòu)成了轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中因?yàn)槌浞钟行Ю昧舜抛柁D(zhuǎn)矩，既可以提高轉(zhuǎn)矩性能和功率密度，又可以減少鐵氧體材料的用量。因此，鐵氧體永磁IPM電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的結(jié)構(gòu)和磁阻轉(zhuǎn)矩特性的對(duì)優(yōu)化鐵氧體電機(jī)性能非常重要[3]。

圖1 鐵氧體永磁IPM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

在選用電機(jī)技術(shù)參數(shù)完全相同的條件下，分別對(duì)稀土永磁電機(jī)、鐵氧體永磁電機(jī)、鐵氧體永磁電機(jī)（無鐵氧磁鋼C）三種電機(jī)在同一電流下的運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)分析，通過Mathematica軟件得到的曲線如圖2所示。鐵氧體永磁電機(jī)在同樣的電流、規(guī)格條件下，通過磁阻轉(zhuǎn)矩的充分利用，其平均轉(zhuǎn)矩能達(dá)到稀土永磁電動(dòng)機(jī)約90%，在沒有配置鐵氧體磁鋼C的情況下，平均磁轉(zhuǎn)矩約達(dá)到稀土永磁電動(dòng)機(jī)的80%。表1列出了試驗(yàn)所用電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

圖2 轉(zhuǎn)矩特性分析結(jié)果

表1 電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.1 IPM電機(jī)的效率分析

選用參數(shù)完全相同的稀土類磁鋼IPM電機(jī)和鐵氧體磁鋼IPM電機(jī)，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩者的效率曲線如圖3所示。(a)為稀土永磁電動(dòng)機(jī)、(b)鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)。從圖中能確認(rèn)的是：兩者最高效率幾乎相同[6-9]。如上所述，在同樣的電流條件下，由于鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩小，在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，增加鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)的電流，雖因銅損的增加，效率有所降低，但在高速旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)由于弱磁場(chǎng)的電流較小，效率可得到提升。

圖3 IPM電機(jī)的效率曲線圖

1.2 IPM電機(jī)的磁特性分析

通過對(duì)鐵氧體永磁與稀土永磁比較，前者的矯頑力為后者的1/3左右，故對(duì)于不可逆退磁的評(píng)價(jià)是不能缺少的。圖4為反磁場(chǎng)分布的分析結(jié)果。從圖中已能確認(rèn)鐵氧體磁鋼A的角部產(chǎn)生了大的反向磁場(chǎng)，減磁的影響，用式（1）列出的感應(yīng)電壓下降率進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如圖5所示。

式中，為感應(yīng)電壓的下降率；E為通電前的感應(yīng)電壓；E為通電后的感應(yīng)電壓。

從圖5可看到，在短時(shí)間通過額定電流的條件下，已能確認(rèn)：減磁幾乎達(dá)到可以忽視的程度，但電動(dòng)機(jī)短時(shí)通過定額以上的過電流（變換器的最大電流）的場(chǎng)合下，會(huì)產(chǎn)生約0.5%的電壓下降（低溫減磁）。

圖4 反磁場(chǎng)分布的分析結(jié)果

圖5 感應(yīng)電壓的下降率變化曲線

1.3 磁體二次磁化的分析

若要實(shí)現(xiàn)鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)的批量生產(chǎn)，必須具備二次磁化的生產(chǎn)工藝。迄今試制的電動(dòng)機(jī)是將單個(gè)磁化過的磁體逐個(gè)插入到轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)再進(jìn)行磁化的所謂二次磁化過程，按照不能完全磁化時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，有可能擴(kuò)大不完全磁化的范圍。須要對(duì)二次磁化工藝工程的完全磁化進(jìn)行分析[5]。

圖6所示為現(xiàn)行的模型中，實(shí)施了二次磁化時(shí)的分析結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)磁體在其配置方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)，然后對(duì)二次磁化進(jìn)行評(píng)價(jià)。作為完全磁化的條件，就是對(duì)欲將磁化的磁體，需施加3倍嬌頑力的磁場(chǎng)，這是必要條件。由圖6可見到，輪輻狀配置的磁鋼A內(nèi)徑側(cè)以及磁鋼B的兩端，未能滿足這一條件。箭頭所指示的是磁鋼的配置方向。產(chǎn)生的磁場(chǎng)表示在這一配置方向的值，虛線表示所需的磁場(chǎng)，磁鋼A、磁鋼B均有不滿足的地方。

圖6 磁化分析結(jié)果（現(xiàn)行模型）

2 改進(jìn)模型的分析

為了實(shí)現(xiàn)磁體的完全磁化，要對(duì)磁體的結(jié)構(gòu)、布局需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。輪輻狀配置的磁鋼A，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑側(cè)，由于磁通難于通過，所以將磁鋼A得尺寸減少，向磁通容易通過的角度方向改變[10-13]，此外，在磁鋼B的兩端和磁鋼A的內(nèi)徑側(cè)，設(shè)計(jì)有磁體磁通易于通過的空氣層（壁壘層）。改進(jìn)后的磁極采用4塊磁體全部是同一尺寸，通過試驗(yàn)可知，該結(jié)構(gòu)不僅加工、安裝方便，而且也改進(jìn)了電機(jī)的磁化特性。圖7所示為在改進(jìn)模型中實(shí)施后磁化時(shí)的分析結(jié)果。由于磁鋼A、B、C各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)均超過完全磁化所必需的磁場(chǎng)，故由改進(jìn)的模型可判斷后磁化的可能性和必要性。

3 結(jié)論

本文對(duì)內(nèi)置式鐵氧體永磁電動(dòng)機(jī)IPM的電磁特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型改進(jìn)前后結(jié)果比較，充分利用鐵氧體磁阻轉(zhuǎn)矩特性，使鐵氧體磁體IPM電動(dòng)機(jī)在性價(jià)比上有很大的提高，通過優(yōu)化IPM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造安裝工藝，在性能上基本接近稀土永磁電動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步提升IPM電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性、效率以及模型的改進(jìn)，使鐵氧體磁體IPM電動(dòng)機(jī)不斷推向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是目前大力發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)[14-15]。

[1] Radovanovic P V, Gamelin D R. High-temperature ferromagnetism in Ni2+-doped ZnO aggregates prepared from colloidal diluted magnetic semiconductor quantum dots[J]. Phys Rev Lett, 2003, 91(15): 157202(1-4).

[2] Keisuke Matsuo,Daiki Matsuhashi,Hitoshi Fujihara,Isamu Takeda. 高性能フェライト磁石モ一タの實(shí)用化開發(fā)[J]. 2014, 4(345):15-18.

[3] 鄧锎, 鄧隱北. 高性能的內(nèi)置式鐵氧體永磁（IPM）電動(dòng)機(jī)[P]. 2015, 10:1-3.

[4] Wu J J, Liu S C, Yang M H. Room-temperature ferromagnetism in well-aligned Zn1–xCoxO nanorods[J]. Appl Phys Lett, 2004, 85(6): 1027-1029.

[5] Ronning C, Gao P X, Ding Y, et al. Optically detected heavy- and light-hole anti-crossing in GaAs quantum wells under pulsed magnetic fields[J]. Appl Phys Lett, 2004, 84(5): 783-785.

[6] Makhlouf S A, Parker F T, Spada F E, et al. Magnetic anomalies in NiO nanoparticles[J]. J Appl Phys, 1997, 81(8): 5561-5563.

[7] 張磊, 高春俠. 永磁同步電機(jī)磁鋼渦流損耗模型及其衡量指標(biāo)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013, 17(7):34-35.

[8] 魏欣, 陳大躍, 趙春宇. 一種基于占空比控制技術(shù)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(14):93-97．

[9] Xu Z, Rahman M F. An Improved Stator Flux Estimation for a Variable Structure Direct Torque Controlled IPM Synchronous MotorDrive Using a Sliding Observer[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 38(1):2484-2490．

[10] 曹承志, 時(shí)洪圖. 基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制新方案[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2008, 21(21):5928-5930.

[11] 徐艷平, 鐘彥儒. 基于空間矢量PWM的新型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007, 19(2):344-347．

[12] 周華偉, 溫旭輝, 趙峰,等. 一種抑制VSI零電流箝位效應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2011, 15(1):26-32．

[13] 郭新華, 溫旭輝, 趙峰,等. 基于電磁轉(zhuǎn)矩反饋補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)新型IP速度控制器[J]. 電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(27):7-12．

[14] 徐志捷, 趙峰, 溫旭輝. 永磁磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制[J]. 微電機(jī), 2004, 37(5):18-20．

[15] 張磊, 高春俠. 永磁同步電機(jī)磁鋼渦流損耗模型及其衡量指標(biāo)電機(jī)與控制學(xué)報(bào)[J]. 2013, 17(7):214-217．

Research on the Characteristics of High Performance Ferrite Interior Permanent Magnet Motor

XU Zhenfang1, WANG Lei2, DENG Yinbei2

(1. College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, China; 2. Henan Hui De Electric Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

In this paper, a high performance of the ferrite interior permanent magnet (IPM) motor, the structure of the magnetic pole of the rotor is composed by four pieces of the same shape and size ferrite body magnet, by optimizing the design of magnet size and configuration structure, the motor is very easy to installation and mass production. Using mathematical software analysis method, comparative analysis, their performance are basically the same for both efficiency and magnetic properties, but the price is only for rare earth permanent magnet NdFeB magnets 1/4 to1/3, the motor with its advantages of price, is expected to receive wide application.

motor; ferrite magnet; magnetic pole; torque

TM351

A

1000-3983(2018)01-0019-04

2017-04-30

徐振方（1976-），2005年7月畢業(yè)于大連海洋大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械與控制工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事電子與科學(xué)專業(yè)技術(shù)研究工作，副教授。

河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（142102210407）；鄭州市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20130657）