CN107688706A - 一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，选择一种稀土永磁电机作为基准参照电机，该基准参照电机与待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机具有相同的极槽配比、定子结构、轴长、绕组连接方式以及气隙长度，确定稀土永磁电机和待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路走向，构建两台电机的等效磁路模型；分别推导出混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料和铁氧体永磁材料的体积范围，结合有限元法，确定稀土永磁材料和铁氧体永磁材料这两种材料用量；本发明考虑到了不同永磁材料的特性、用量对电机转矩输出能力的影响，遵循励磁源等效原则，普遍适用于这类混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计。

Description

一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法

技术领域

本发明涉及一种电机的设计方法，具体是并联励磁型永磁电机的设计方法，该并联励磁型永磁电机的永磁体采用混合磁材料。

背景技术

以钕铁硼为代表的稀土永磁无刷电机具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，因此在电动汽车、混合动力汽车等领域中得以广泛应用。然而，随着稀土资源的不断开采和相关保护政策的推行，稀土价格不断上涨，这使得稀土永磁无刷电机大规模的发展与应用受到了一定的限制。因此目前以铁氧体为代表的非稀土永磁电机及采用混合永磁材料的少稀土永磁电机成为了研究热点。

从电机设计角度而言，非稀土永磁无刷电机和稀土永磁无刷电机一样，通常采用单一永磁材料励磁，其设计方法一般侧重于电机的电磁参数分析和整体结构设计。中国专利申请号为201710079279.0的文献中提出了一种基于电感解析模型的内置式永磁同步电机设计方法，通过使用一种简便的电感计算模型对电机进行快速计算，缩短了电机设计周期。中国专利申请号为201710022407.8的文献中提出了一种多相永磁电机的参数化设计方法，通过将电机的结构变量参数化以及建模计算等过程自动化，提高了电机设计效率，提供了一种任意相数、极槽配比、多种定子槽型的通用设计方法。

然而混合永磁材料少稀土永磁无刷电机相较于非稀土永磁无刷电机而言，其主要特点在于采用稀土永磁材料和非稀土永磁材料共同励磁，两种励磁源的磁路结构、永磁体材料特性都对电机的整体性能和实际加工有直接影响。从永磁体磁路角度来看，电机中的永磁材料通常有串联、并联两种磁路结构，每种磁路结构都存在各自的优缺点：(1)串联结构，磁路简单，但永磁材料之间的磁路存在互相影响；(2)并联结构，不同永磁材料中之间的磁路相互独立，但磁通损耗相对较大。考虑到两种永磁材料之间存在性能差异，为实现有效励磁，稀土永磁材料和铁氧体永磁材料常采用并联磁路结构。从永磁体材料特性来看，两种永磁材料差异很大，稀土永磁材料以典型的钕铁硼为例，剩磁为1.2T，矫顽力为890000A/m，而非稀土永磁材料如铁氧体，其剩磁和矫顽力分别为0.4T、188A/m，特性指标远低于钕铁硼。正是由于两种永磁材料的特性差异，二者的磁通密度存在相互影响。若钕铁硼磁通密度降低，则会不利于永磁利用率的提升，若铁氧体磁通密度降低，则会使铁氧体永磁的去磁风险增大，甚至会导致铁氧体永磁发生不可逆去磁。所以在电机设计过程中，如果两种永磁材料的用量配比不合理，则励磁效果反而会低于单一钕铁硼永磁材料的性能指标，影响电机的整体性能。然而目前的电机设计方法中对永磁材料用量的研究较少。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述混合磁材料并联励磁型电机中两种永磁材料的用量设计问题，提出一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，基于单一稀土永磁基准电机的励磁源等效设计，快速确定满足电机设计指标的两种永磁材料的用量配比。

为实现上述目的，本发明一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法采用的技术方案包含以下步骤：

A、选择一种稀土永磁电机作为基准参照电机，该基准参照电机与待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机具有相同的极槽配比、定子结构、轴长、绕组连接方式以及气隙长度，确定稀土永磁电机和待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路走向，构建两台电机的等效磁路模型；

B、分别推导出混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料和铁氧体永磁材料的体积范围；

C、结合有限元法，确定稀土永磁材料和铁氧体永磁材料这两种材料的体积，进行电机转矩输出性能验证。

进一步地，步骤A中，先确定混合磁材料并联励磁型永磁电机使用的稀土用量为基准电机中稀土用量的百分比m％，V_re2＝m％·V_re1，V_re1、V_re2为基准电机与混合磁材料并联励磁型永磁电机的稀土永磁用量；再根据两台电机的磁通相等Φ_m1＝Φ_m2构建等效磁路模型，Φ_m1、Φ_m2分别为基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机产生的磁通。

更进一步地，结合等效磁路模型，得到磁通 B_re1、V_re1、h_re1分别是稀土永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_re2、V_re2、h_re2分别是混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_fe2、V_fe2、h_fe2分别是混合磁材料并联励磁型永磁电机中铁氧体永磁材料的磁通密度、体积和厚度，p为两台电机的极对数。

更进一步地，对混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料用量k_r和铁氧体永磁材料用量k_f进行标幺化处理：得到H_re1、H_re2、H_fe2分别表示稀土永磁电机中稀土永磁的磁场强度、混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁的磁场强度和铁氧体永磁的磁场强度。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、相较于传统的电机设计方法，本发明考虑到了不同永磁材料的特性、用量对电机转矩输出能力的影响，以永磁材料为设计切入点，遵循励磁源等效原则，普遍适用于这类混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计。

2、本发明选择具有高转矩密度、高效率的单一稀土永磁电机作为基准电机，以其永磁体用量，输出转矩作为设计参照，有利于在设计过程中定量地分析比较混合磁材料并联励磁型永磁电机的永磁体用量和转矩输出性能。

3、本发明所提出的设计方法从永磁材料设计入手，考虑了不同永磁材料的特性、用量对电机转矩输出能力的影响，一方面减少了混合磁材料并联励磁型永磁电机的稀土永磁材料用量，一方面保证了两种永磁材料同时处于相对较高的磁通密度，使得电机能够达到转矩输出要求，具有较好的电磁性能。

附图说明

图1是本发明一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法的流程图；

图2是实施例中选定作为基准电机的稀土永磁电机结构图；

图3是设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机的结构图；

图4是稀土永磁电机的磁路图；

图5是混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路图；

图6是稀土永磁电机的等效磁路模型；

图7是混合磁材料并联励磁型永磁电机的等效磁路模型；

图8是混合磁材料并联励磁型永磁电机与稀土永磁电机的输出转矩性能比较。

具体实施方式

参见图1，首先选择具有高转矩密度、高效率的稀土永磁电机作为基准参照电机，并确定稀土永磁电机和待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路走向，混合磁材料并联励磁型永磁电机中的永磁体由稀土永磁材料和铁氧体永磁材料制成，构建两台电机的等效磁路模型。然后基于等效励磁源原则，分别推导出混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料和铁氧体永磁材料的体积范围。再结合有限元法，进一步确定两种永磁体材料的体积，最终进行电机转矩输出性能验证。具体实施方式如下：

步骤一：选择一台具有高转矩密度的稀土永磁电机为基准电机，将其输出转矩、永磁体用量作为混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计参照值，且两台电机具有相同的极槽配比、定子结构、轴长、绕组连接方式以及气隙长度。

为使混合磁材料并联励磁型永磁电机在提供与基准电机相同输出转矩的同时，减少稀土永磁材料用量，设定混合磁材料并联励磁型永磁电机使用的稀土用量为基准电机中稀土用量的m％,即：

V_re2＝m％·V_re1

其中，V_re1、V_re2分别为基准电机、混合磁材料并联励磁型永磁电机的稀土永磁用量。

步骤二：确定基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机磁路图，并构建两台电机的等效磁路模型。混合磁材料并联励磁型永磁电机需达到与基准电机相同的输出转矩，则根据等效励磁源原则，当忽略漏磁时，两台电机对外提供的磁通相等，即：

Φ_m1＝Φ_m2

其中，Φ_m1、Φ_m2分别为基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机产生的磁通，结合具体的等效磁路模型，可推导出两台电机的磁通密度、永磁体体积及永磁体厚度之间的关系。

另外，根据励磁源等效原则，两台电机的磁动势也相等：

F_m1＝F_m2

F_m1、F_m2分别为基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁动势。

结合以上公式，可推导出混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料和铁氧体永磁材料的用量配比。

步骤三：验证电机转矩输出性能。

为了更加清楚直观地描述本发明，下面结合附图和一个实施例对本发明进行描述：实施例

参见图2，图2中所示为选定作为基准电机的一台12槽10极的单一稀土永磁电机结构图，主要包括定子1，转子2，钕铁硼永磁体3，磁障4和和转轴6。钕铁硼永磁体呈“V”形放置，能够充分利用转子2内部结构。

参见图3，图3中所示为一台12槽10极的混合磁材料并联励磁型永磁电机的结构图。主要包括定子1、转子2、钕铁硼永磁体3、铁氧体永磁体4、磁障5和转轴6。此外，该电机的定子1结构、绕组连接方式、轴长和气隙长度与稀土永磁电机的相同。转子2中钕铁硼永磁体3呈“V”形放置，产生的磁通与铁氧体永磁体4并联。

参见图4和图5，分别为基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路走向图，根据磁路图可得到两台电机的等效磁路模型，如图6、图7所示。方框中表示两台电机永磁体产生的磁通。其中，R_δ、R_σ为气隙磁阻和漏磁磁阻，Φ_m1、F_re1、R_re1表示稀土永磁电机中稀土永磁永磁产生的磁通、磁动势和磁阻，Φ_m2、F_re2、R_re2分别为混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁产生的磁通、磁动势和磁阻，F_fe2、R_fe2表示混合磁材料并联励磁型永磁电机中铁氧体永磁产生的磁动势和磁阻。

考虑到混合磁材料并联励磁型永磁电机一方面减少稀土永磁材料用量，另一方面要达到转矩输出要求，此处混合磁材料并联励磁型永磁电机使用的稀土用量设定为稀土永磁电机中稀土用量的40％，即：

V_re2＝0.4·V_re1 (1)

其中，V_re1、V_re2分别为基准电机、混合磁材料并联励磁型永磁电机的稀土永磁用量。

此外，根据励磁源等效原则，当忽略漏磁时，两台电机永磁体产生的磁通相等：

Φ_m1＝Φ_m2 (2)

结合等效磁路图可知，Φ_m1由两块“V”形放置的稀土永磁材料产生，Φ_m2由稀土永磁材料和分裂式的铁氧体永磁材料共同产生。Φ_m1、Φ_m2可进一步表示为：

其中，B_re1、V_re1、h_re1分别表示稀土永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_re2、V_re2、h_re2分别表示混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_fe2、V_fe2、h_fe2分别为混合磁材料并联励磁型永磁电机中铁氧体永磁材料的磁通密度、体积和厚度，p为两台电机的极对数。

为了更清楚地表达混合磁材料并联励磁型永磁电机中两种永磁材料的用量，接下来以单一稀土永磁基准电机中稀土永磁材料的体积为基准，对混合磁材料并联励磁型永磁电机中两种永磁材料的用量进行标幺化处理：

k_r是混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料用量，k_f是混合磁材料并联励磁型永磁电机中铁氧体永磁材料用量。

结合公式(1)～公式(6)，可推导出公式(7)：

此外，根据励磁源等效原则可知，两台电机的磁动势也相等，又由于混合磁材料并联励磁型永磁电机中，稀土永磁与铁氧体永磁磁路并联，磁动势相等，即：

F_re1＝F_re2＝F_fe2(8)

公式(8)可被进一步表示为：

2H_re1·h_re1＝2H_re2·h_re2＝H_fe2·h_fe2 (9)

其中，H_re1、H_re2、H_fe2分别表示稀土永磁电机中稀土永磁的磁场强度，混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁的磁场强度和铁氧体永磁的磁场强度。结合公式(7)～公式(9)，可得公式(10)：

为了确保两种永磁材料处于较高的磁通密度，此处B_re1、B_re2取1.0T，B_fe2取0.3T。由公式(10)可以推得：k_f＝4.3，即得到混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁用量为基准参照电机稀土电机中永磁用量的0.4倍，铁氧体永磁材料用量为稀土电机中永磁材料用量的4.3倍。

参见图8，两种永磁材料设计完成之后，为了验证该设计方法的合理性和可行性，混合磁材料并联励磁型永磁电机的输出转矩与稀土永磁电机的进行了比较。从图8中可见，混合磁材料并联励磁型永磁电机的平均输出转矩达到了40.1Nm，与稀土永磁电机产生的转矩相近，满足转矩输出要求。

Claims (4)

1.一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，混合磁材料并联励磁型永磁电机中的永磁体由稀土永磁材料和铁氧体永磁材料制成，其特征是包括以下步骤：

A、选择一种稀土永磁电机作为基准参照电机，该基准参照电机与待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机具有相同的极槽配比、定子结构、轴长、绕组连接方式以及气隙长度，确定稀土永磁电机和待设计的混合磁材料并联励磁型永磁电机的磁路走向，构建两台电机的等效磁路模型；

B、分别推导出混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料和铁氧体永磁材料的体积范围；

C、结合有限元法，确定稀土永磁材料和铁氧体永磁材料这两种材料的体积，进行电机转矩输出性能验证。

2.根据权利要求1所述的一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，其特征是：步骤A中，先确定混合磁材料并联励磁型永磁电机使用的稀土用量为基准电机中稀土用量的百分比m％，V_re2＝m％·V_re1，V_re1、V_re2为基准电机与混合磁材料并联励磁型永磁电机的稀土永磁用量；再根据两台电机的磁通相等Φ_m1＝Φ_m2构建等效磁路模型，Φ_m1、Φ_m2分别为基准电机和混合磁材料并联励磁型永磁电机产生的磁通。

3.根据权利要求2所述的一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，其特征是：结合等效磁路模型，得到磁通B_re1、V_re1、h_re1分别是稀土永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_re2、V_re2、h_re2分别是混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料的磁通密度、体积和厚度，B_fe2、V_fe2、h_fe2分别是混合磁材料并联励磁型永磁电机中铁氧体永磁材料的磁通密度、体积和厚度，p为两台电机的极对数。

4.根据权利要求2所述的一种混合磁材料并联励磁型永磁电机的设计方法，其特征是：对混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁材料用量k_r和铁氧体永磁材料用量k_f进行标幺化处理：得到H_re1、H_re2、H_fe2分别表示稀土永磁电机中稀土永磁的磁场强度、混合磁材料并联励磁型永磁电机中稀土永磁的磁场强度和铁氧体永磁的磁场强度。