分享|磁通可变电机·破除永磁电机的阿喀琉斯之踵

原标题:分享|磁通可变电机·破除永磁电机的阿喀琉斯之踵

车用驱动永磁同步电机,即强调低速高转矩,又强调高速高功率,因此存在一对跷跷板矛盾。

从低速爬坡的角度出发,需要大的转矩,而不希望电流过大,那就需要提高永磁磁链,获得大转矩系数(单位电流产生转矩的能力)。

但是如果永磁磁链太大了,在高速时反电动势会高过供电电压的,无法输出功率。幸好后来发明了弱磁技术,通过电枢绕组产生去磁磁场分量,去抵消掉永磁体产生的磁链。但这会带来永磁体退磁的风险,而且过多的去磁电流,不但不做功,还会产生额外的铜耗,降低效率。

其实这种矛盾是所有追求高转速范围工作电机的一个通病,没办法的,谁叫你低速和高速的范围相差极大啊。对于永磁电机——一个励磁磁场不可调节的系统,这个问题就更突出了。如果不想放弃永磁电机这条技术路线,就一定要解决这个问题。很自然会想到,如果能实现磁通可变,在低速的时候用高磁通,高速的时候用小磁通,不就把这个扣解开了吗,这就是尼桑电机公司研究的技术路线。

尼桑电机的可变磁通结构

这是一款6极45槽的扁线电机,定子外径200mm,最大转矩280Nm,最高转速12000rpm。它的磁钢有三种磁化状态。100%磁化时,最大转矩 280NM,但转速只能到7200rpm,而75%磁化时,转矩224Nm,转速可达12000rpm。50%磁化时,最大转矩下降了一半,但工作转速已经远超12000rpm。如此一台电机就相当于三台特性不一的电机,不同的转速,呈现不同的特性。

这种变磁通的特性使它的高效区间扩大了。这是因为这种电机做到了反电动势可调,能成功回避弱磁问题。一旦反电动势达到电压限幅值,就调低永磁励磁能力,如此不但不需要额外的弱磁电流了,而且能够保证在任何速度段,都能给出最合适的反电动势,这样电机在很宽的范围内能保证高效。硬是把永磁电机玩出了,电励磁电机的感觉。

现在新的问题马上来了:“他们是怎么做到了?”

可变磁通的关键

其实可变磁通的原理很简单。就是利用一些低矫顽力软磁材料的工作点可塑性。比如所铝镍钴材料,它的剩磁大概是钕铁硼的80%,而矫顽力却只有十分之一。但它有一个好处,就是工作点是可塑的。以一个启动过程为例,当刚开始启动时,铝镍钴的工作性能是100%完整的,位于A工作点。当速度上升到中速段,需要调节反电动势时,定子绕组给转子磁钢一个瞬间退磁电流,铝镍钴的工作点就下降到了B,即便将这个瞬间退磁电流去掉,磁钢的工作点也不可能回到A了。也就说磁钢记忆住了B工作点,磁钢的供磁能力就只有B的水平。当到了高速段,还可以给一个更大的退磁电流,让工作点到达C甚至D,磁钢都会记忆住这个工作点。当从高速往下调整时,是一个反向充磁过程,电机给一个足够大的增磁电流(磁化电流),磁钢的工作点就会恢复到E,或者G点的水平。如此可实现磁通周期往复变化,采用这种技术的电机就叫着记忆电机。

那为什么钕铁硼材料不能做到记忆的效果呢? 这是由两个原因决定的。

第一:钕铁硼材料的矫顽力太高,靠电机的的磁场没法轻易把它永久性去磁化。一定要去磁可以把转子拉出来,放在专用充磁头内,靠瞬间大电流放电,产生2倍以上材料矫顽力强度的磁场才可以(就是转子整体充磁机,即可充磁也可以退磁)。

第二:钕铁硼材料的B-H曲线更像是一条直线,而铝镍钴等软磁材料的B-H曲线更像是一个曲线,有一个明显的拐点。 当磁钢受到退磁磁场,工作点在拐点以上直线部分时,退磁是可逆的。这就决定了钕铁硼磁钢可以记忆的工作点很少,不适合做记忆磁材。

其它可变磁通结构

当然还存在其它变磁极结构。下面介绍一种升级版的混合式变磁通结构。为什么要混合?因为铝镍钴、铁氧体等软磁材料磁能积太低,无法保证功率密度。混合式结构就是将钕铁硼和铝镍钴材料混合起来应用,这样一部分磁通固定,提供较强的背景磁场,另外一部分磁通是可调的。在高功率密度和宽工作区域两个指标之间作了一个折中。

上图提供了两种混合结构,上面是串联式,下图是并联式。下面那种结构更成熟,这是因为铝镍钴材料和钕铁硼材料在转子侧磁路独立,给铝镍钴退磁时,不需要克服钕铁硼的矫顽力。而且这种结构还有一定的磁阻转矩,提高了转矩密度。

东芝公司开发成功了一款并联式磁极结构,如下图所示,两翼为可变磁场方向的铝镍钴磁钢,底部为不变磁场方向的钕铁硼磁钢,电机有两种大的工作状态,一种是增磁模式,铝镍钴的磁场方向和钕铁硼的相同,另外一种是消磁模式,铝镍钴的磁场方向和钕铁硼的相抵消。如此电机的磁通,可以在大范围内调节。

可变磁通结构的问题

可变磁通结构在工业电机中已有应用,但在车用主驱领域离产品化还有一定距离,主要的问题有三个:

总结

记忆电机虽然不是新技术,但是在新的应用需求前,它正在焕发出旺盛的生命力。是的,虽然现在还有很多问题需要解决,但不用太急功近利,成功的创新就是要在大量试错的基础上建立起来的。

(来源:电机产品技术前哨/L)

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