三種類型電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及材料成本

摘要：永磁磁阻同步電機(jī)同時利用永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩，具有功率密度高、調(diào)速范圍寬和效率高等優(yōu)點(diǎn)。文章利用有限元仿真法，對永磁磁阻同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成進(jìn)行了研究，分析了電機(jī)的材料成本，對比了混合永磁型和單一鐵氧體永磁型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能。結(jié)果表明，在同等轉(zhuǎn)矩密度要求下，混合永磁型永磁磁阻同步電機(jī)的稀土永磁用量僅為傳統(tǒng)稀土永磁同步電機(jī)的50%，電機(jī)材料成本可下降30%。在空間不受限的低性能應(yīng)用場合，可采用鐵氧體永磁型永磁磁阻同步電機(jī)，由于不使用稀土永磁材料，電機(jī)材料成本僅為傳統(tǒng)稀土永磁同步電機(jī)的35%。

關(guān)鍵詞：永磁磁阻同步電機(jī)混合永磁型單一永磁型材料成本

0引言

稀土永磁型同步電機(jī)以其高功率密度和高效率的優(yōu)秀性能，在諸如電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)等高端應(yīng)用領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用[1]。大量使用稀土永磁材料使得稀土永磁型電機(jī)的材料成本居高不下，在對成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域中推廣受限[2]。稀土材料價格波動大，不利于電機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行長期的成本控制，進(jìn)一步限制了稀土永磁型電機(jī)的推廣[3]。

在探索降低電機(jī)材料成本的過程中，永磁磁阻同步電機(jī)因其低廉的材料成本和良好的性能得到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)的廣泛關(guān)注[4]。鐵氧體永磁材料代替了稀土永磁材料，電機(jī)的材料成本得到了大幅度降低。美國得克薩斯州T&M大學(xué)的Hamid A. Toilyat課題組對一臺三層磁障式鐵氧體永磁型電機(jī)的磁障數(shù)量、位置和形狀進(jìn)行了研究，提出了用轉(zhuǎn)子鐵芯“絕緣率”的指標(biāo)來指導(dǎo)該種電機(jī)的設(shè)計[5]。日本大阪大學(xué)的Shigeo Morimoto課題組通過研究永磁體用量，對永磁磁阻電機(jī)的效率和調(diào)速范圍進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[6]。意大利帕多瓦大學(xué)Bianchi Nicola課題組與澳大利亞阿德萊德大學(xué)Wen L. Soong課題組聯(lián)合對多層磁障式永磁磁阻同步電機(jī)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)通過合理的選取永磁用量，可以使電機(jī)的功率密度、功率因數(shù)和調(diào)速范圍得到優(yōu)化[7]。東南大學(xué)林明耀教授課題組對磁障式永磁磁阻同步電機(jī)的不可逆退磁特性進(jìn)行了研究，并提出了一種提高永磁磁阻同步電機(jī)抗不可逆退磁性能的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[8]，通過改進(jìn)磁障形狀和位置，提高了永磁磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度[9]。上述研究均基于單一鐵氧體永磁型電機(jī)展開，電機(jī)性能不能達(dá)到稀土永磁型的等級，且未見針對電機(jī)材料成本進(jìn)行詳細(xì)分析的報道。

本文對稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型電機(jī)的材料成本進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩構(gòu)成的角度對比了三種電機(jī)的性能和材料成本，給出了三種電機(jī)的設(shè)計原則和適用場合。

（a）稀土永磁型

（b）混合永磁型

（c）鐵氧體永磁型 圖1 永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.1 Topologies of the permanent magnet in the rotor 1永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型電機(jī)的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示?；旌嫌来判秃丸F氧體永磁型永磁磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯中沿徑向設(shè)置有兩層U型磁障，磁障中嵌有永磁體，周向相鄰磁障中的永磁體極性相反?；旌嫌来判驮赨型磁障的底部嵌入稀土永磁體，側(cè)翼中嵌入鐵氧體永磁，兩種永磁體的磁路為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。鐵氧體永磁型在U型磁障中全部嵌入單一的鐵氧體永磁，為增大永磁磁通和提高永磁體工作點(diǎn)，U型磁障底部厚度相比混合永磁型有所加大。 表1給出了兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)，混合永磁型和鐵氧體永磁型的額定功率分別為3kW和2.2kW。 表1 電機(jī)的設(shè)計參數(shù)與性能指標(biāo) Tab.1The parameters of the electric machines

2材料成本對比 圖2給出了各種電機(jī)的材料成本對比柱狀圖，可以看出，混合永磁型永磁磁阻同步電機(jī)相比傳統(tǒng)稀土永磁同步電機(jī)的材料成本大幅降低，其中稀土永磁材料的用量下降達(dá)50%，材料總成本可降低30%。鐵氧體永磁型電機(jī)無需稀土永磁材料，材料成本最低，分別為傳統(tǒng)稀土永磁型和混合永磁型的35%和50%。

圖2 電機(jī)材料成本對比 Fig.2 Comparisons of the material costs 傳統(tǒng)稀土永磁同步電機(jī)和混合永磁型永磁磁阻同步電機(jī)的主要材料成本依然來自稀土永磁材料，銅和鐵的成本基本相當(dāng)。如圖3所示，相比傳統(tǒng)稀土永磁型電機(jī)，銅和鐵在混合永磁型電機(jī)中的占比提高，分別為22%和23%。在鐵氧體永磁型電機(jī)中，銅和鐵的成本在材料總成本中的占比均超過了40%，為主要材料成本。 銅和鐵材料成本比重的提高，意味著在永磁磁阻同步電機(jī)中的設(shè)計中應(yīng)合理平衡電負(fù)荷與磁負(fù)荷，以獲得成本低廉和性能優(yōu)異的設(shè)計方案。

（a）稀土永磁型

（b）混合永磁型

（c）鐵氧體永磁型 圖3 電機(jī)材料成本構(gòu)成分析 Fig.3 Components of the material costs 3電機(jī)性能對比 為比較各種電機(jī)的性能，對電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行分析與對比。為便于對比，三種類型的電機(jī)外徑和鐵芯軸向長度均相等，具體參數(shù)如表1所示。

3.1平均輸出轉(zhuǎn)矩

在電樞繞組中通入有效值為16A的三相正弦電流，按照最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略分配電流角度，稀土永磁型、混合永磁型和鐵氧體永磁型的電流角度分別為9°、27°和39°。 三種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，混合永磁型電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩與稀土永磁型電機(jī)的相等，均為4.8Nm。根據(jù)前面的材料成本分析，在混合永磁型和稀土永磁型電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度均相等的情況下，前者材料總成本僅為后者的70%。鐵氧體永磁型電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩為3.6Nm，為混合永磁型和稀土永磁型的73%。

圖4 輸出轉(zhuǎn)矩波形 Fig.4 Waveform of the output torque 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略充分利用了電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩，三種類型電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成如圖5所示。稀土永磁型電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩絕大部分為稀土永磁轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩僅占12%。稀土永磁型電機(jī)大量使用稀土材料，永磁轉(zhuǎn)矩大，磁阻轉(zhuǎn)矩比例小。除此以外，由于永磁轉(zhuǎn)矩分量較大，最大輸出轉(zhuǎn)矩電流角與磁阻轉(zhuǎn)矩最大電流角相差較大，并未充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩分量，這為進(jìn)一步開發(fā)電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩和減小稀土永磁用量提供了條件。混合永磁型電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩平均值與稀土永磁型相等，成分更豐富，由稀土永磁轉(zhuǎn)矩、鐵氧體永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩三部分組成，三部分的大小基本相等，各占輸出轉(zhuǎn)矩平均值的1/3。根據(jù)表1的尺寸數(shù)據(jù)可以得到，稀土永磁材料和鐵氧體永磁材料的體積比例為1:4時，可以獲得11的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成。

圖5輸出轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成成分 Fig.5 Components of the output torque

3.2轉(zhuǎn)矩脈動

從圖4所示的輸出轉(zhuǎn)矩波形可以得到三種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動值，稀土永磁型為0.7Nm，混合永磁型為0.9Nm，鐵氧體永磁型為1.3Nm。 隨著輸出轉(zhuǎn)矩中磁阻轉(zhuǎn)矩分量的增加，轉(zhuǎn)矩脈動隨之增大。為獲取磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵芯中開有大量磁障通槽，在提高了電機(jī)凸極比的同時也使得氣隙周圍磁阻分布不均，引起了大量磁動勢諧波，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩脈動增大。 4結(jié)論 本文介紹了稀土永磁型同步電機(jī)、混合永磁型和鐵氧體永磁型永磁磁阻同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了三種類型電機(jī)的性能與材料成本。通過對比電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩構(gòu)成成分可以得到結(jié)論，混合永磁型永磁磁阻同步電機(jī)能夠以稀土永磁型電機(jī)70%的材料成本達(dá)到相同的轉(zhuǎn)矩和功率密度，鐵氧體永磁型電機(jī)僅以稀土永磁型電機(jī)35%的材料成本可達(dá)到其73%的輸出性能。當(dāng)稀土永磁和鐵氧體永磁用量為1:4時，混合永磁型永磁磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩中稀土永磁轉(zhuǎn)矩、鐵氧體永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩成分基本相等。在降低材料成本的同時，磁阻轉(zhuǎn)矩的引入使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動也隨之增加。