永磁同步电机控制技术策略（新能源主驱永磁同步电机抗退磁仿真优化）
永磁同步电机控制技术策略（新能源主驱永磁同步电机抗退磁仿真优化）GENERAL DATA首先，按照正常的正向设计流程，设计一个接近工程实用的，额定输出“11KW，额定转速3000rpm”的工程案例，综合抗退磁和节省磁钢成本的考虑，磁钢厚度根据电机气隙5倍来考虑，功率角40度左右以保持额定输出时定转子磁场相对平衡，满足2.5~3倍的常规过载要求，额定输出时电流密度在5~6A/mm^2，按照F级的绝缘等级设计。具体见如下参数：图 1当负载从空载开始增加，图1 Pc和BH curve磁化直线的交点，也就是负载工作点开始延着带箭头的虚线，即由B点移动到退磁拐点K，如果负载不继续增加而是开始减小，退磁工作点延原路由K向B点返回，负载工作点没有发生不可逆退磁现象，如果负载到达K点后进一步增加，这个时候，负载工作点脱离原先磁化曲线方向，由K点向W点移动，到达W点后负载不继续增加，并且开始减小，则负载工作点由W点向R点移动，负载的变化已经不能让工作点回到BK线上，只要
一、前言
新能源主驱调速永磁电机电磁设计过程中，怎样保证电机转子磁钢在电机运行在恶劣工况下，不至于发生明显的不可逆退磁，是非常重要的。在电磁设计过程中考虑潜在的不可逆退磁的危险，本篇电磁设计总结将尝试结合新版本的电磁设计有限元仿真软件，秉承“有原理、有思路、易上手、能实战”原则，进行探讨、梳理和总结。
二、退磁率的定义
仿真软件采用退磁率的概念，在仿真的过程中用以评估磁钢的不可逆退磁的程度，退磁率定义具体如下：
图 1
当负载从空载开始增加，图1 Pc和BH curve磁化直线的交点，也就是负载工作点开始延着带箭头的虚线，即由B点移动到退磁拐点K，如果负载不继续增加而是开始减小，退磁工作点延原路由K向B点返回，负载工作点没有发生不可逆退磁现象，如果负载到达K点后进一步增加，这个时候，负载工作点脱离原先磁化曲线方向，由K点向W点移动，到达W点后负载不继续增加，并且开始减小，则负载工作点由W点向R点移动，负载的变化已经不能让工作点回到BK线上，只要负载的变化不会导致工作点移动到W点，工作点在负载变化时，将会在WR之间移动，这个时候电机发生了不可逆退磁。衡量不可逆退磁程度的参数就是两条BK和WR退磁磁化工作线和Y轴的交点：Br0和Br1的比值，也就是退磁率。
三、一个比较典型的电磁设计案例
首先，按照正常的正向设计流程，设计一个接近工程实用的，额定输出“11KW，额定转速3000rpm”的工程案例，综合抗退磁和节省磁钢成本的考虑，磁钢厚度根据电机气隙5倍来考虑，功率角40度左右以保持额定输出时定转子磁场相对平衡，满足2.5~3倍的常规过载要求，额定输出时电流密度在5~6A/mm^2，按照F级的绝缘等级设计。具体见如下参数：
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GENERAL DATA | |
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Rated Output Power (kW): |
11 |
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Rated Voltage (V): |
184 |
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Number of Poles: |
8 |
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Frequency (Hz): |
200 |
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Rotor Position: |
Inner |
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Type of Circuit: |
Y3 |
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Operating Temperature (C): |
100 |
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STATOR DATA | |
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Number of Stator Slots: |
48 |
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Outer Diameter of Stator (mm): |
180 |
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Inner Diameter of Stator (mm): |
108 |
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Type of Stator Slot: |
3 |
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Stator Slot | |
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hs0 (mm): |
1 |
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hs1 (mm): |
0.8 |
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hs2 (mm): |
22 |
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bs0 (mm): |
3 |
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bs1 (mm): |
3.00269 |
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bs2 (mm): |
5.8866 |
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rs (mm): |
0.5 |
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Length of Stator Core (mm): |
90 |
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Type of Steel: |
DW310_35 |
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Slot Insulation Thickness (mm): |
0.35 |
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Layer Insulation Thickness (mm): |
0.35 |
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End Length Adjustment (mm): |
10 |
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Number of Parallel Branches: |
2 |
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Number of Conductors per Slot: |
14 |
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Number of Layers: |
2 |
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Winding Type: |
Whole Coiled |
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Average Coil Pitch: |
5 |
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Number of Wires per Conductor: |
6 |
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Wire Diameter (mm): |
0.813 |
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Wire Wrap Thickness (mm): |
0.07 |
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Stator Slot Fill Factor (%): |
80.5032 |
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Coil Half-Turn Length (mm): |
160.932 |
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Wire Resistivity (ohm.mm^2/m): |
0.0217 |
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ROTOR DATA | |
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Minimum Air Gap (mm): |
0.8 |
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Inner Diameter (mm): |
70 |
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Length of Rotor (mm): |
90 |
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Type of Steel: |
DW315_50 |
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Bridge (mm): |
0.9 |
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Rib (mm): |
2.5 |
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Mechanical Pole Embrace: |
0.83 |
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Max. Thickness of Magnet (mm): |
4 |
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Width of Magnet (mm): |
33 |
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Type of Magnet: |
N35SH_100C |
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Type of Rotor: |
5 |
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PERMANENT MAGNET DATA | |
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Residual Flux Density (Tesla): |
1.0938 |
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Coercive Force (kA/m): |
815.118 |
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Maximum Energy Density (kJ/m^3): |
229.19 |
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STEADY STATE PARAMETERS | |
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Stator Winding Factor: |
0.933013 |
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Armature Phase Resistance R1 (ohm): |
0.06785 |
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Armature Phase Resistance at 20C (ohm): |
0.051647 |
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NO-LOAD MAGNETIC DATA | |
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Stator-Teeth Flux Density (Tesla): |
1.32623 |
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Stator-Yoke Flux Density (Tesla): |
1.1208 |
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Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): |
0.730775 |
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Air-Gap Flux Density (Tesla): |
0.705987 |
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Magnet Flux Density (Tesla): |
0.874728 |
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FULL-LOAD DATA | |
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Maximum Line Induced Voltage (V): |
245.665 |
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Root-Mean-Square Line Current (A): |
35.4044 |
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Root-Mean-Square Phase Current (A): |
35.4044 |
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Armature Thermal Load (A^2/mm^3): |
199.26 |
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Specific Electric Loading (A/mm): |
35.0603 |
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Armature Current Density (A/mm^2): |
5.68336 |
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Frictional and Windage Loss (W): |
0 |
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Iron-Core Loss (W): |
83.6791 |
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Armature Copper Loss (W): |
255.14 |
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Total Loss (W): |
338.819 |
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Output Power (W): |
10998.5 |
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Input Power (W): |
11337.3 |
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Efficiency (%): |
97.0115 |
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Synchronous Speed (rpm): |
3000 |
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Rated Torque (N.m): |
35.0092 |
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Torque Angle (degree): |
38.7711 |
四、确定退磁仿真和优化思路：
IPM调速永磁电机匹配的控制器，通常能实现3倍或3倍以上额定电流的最大输出，这类永磁电机调速性能好，通过弱磁可以让电机的最高转速超过额定转速的2.5倍以上，处于潜在的退磁风险的恶劣运行工况可以近似的认为是：以电机最大电流工作，而且去磁电流分量接近绕组电流，具体到上述电磁工程案例，电机绕组额定电流幅值50A左右，参照控制器3倍过流最大输出考虑，最大电流就是150A，额定电流3000rpm，弱磁运行，在7500rpm还能输出额定功率，电流和空载反电势的夹角80度左右，电流在D轴上的分量基本接近电流本身的98.5%，可以近似认为达到最大的去磁效果，同时在Q轴方向还有足够的电流分量（电流本身的17%），让电机还能输出合适的功率。没有足够功率的输出，转速高没意义。电机气隙0.8mm，磁钢厚度是间5倍，4mm。
五、磁钢退磁观察云图操作流程
1、确定电流和空载反电势的夹角80度
图 2
2、满足3倍过流150A电流幅值电流源激励
150*sin(2*pi*200*time delta)
150*sin(2*pi*200*time delta-2*pi/3)
150*sin(2*pi*200*time delta-4*pi/3)
3、磁钢材料特性要定义为非线性的B-H磁化曲线并延伸到第三象限
图 3
4、求解器设置要保存场数据
图 4
5、在模型上选中磁钢按照下列截图设置，在后处理部分，准备观察退磁仿真结果云图
图 5
6、瞬态场求解器Analysis开始仿真
7、查看结果，观察退磁颜色偏蓝的危险区域，为后续进一步仿真找位置。同时从云图上观察
图 6
六、分析上述仿真数据进一步优化电机的抗退磁性能
从仿真结果截图观察，磁钢局部区域呈现偏蓝色，退磁率最低到0.95，有局部不可逆退磁现象，不过不严重，有几种种办法改进：
第一是转子拓扑结构采样V型磁钢，
第二是增加磁钢厚度，
第三是采样抗退磁能力更强的磁钢牌号。
很显然后两者将增加磁钢的成本，能采用第一种办法解决，无疑是一个比较好的办法。
1、采用V型转子磁钢结构的退磁优化
电机转子磁钢模型采用V型，其他组件尺寸和材料特性定义保持不变，仿真结果云图如下图：
图 7
采用V型转子磁钢后，电机磁钢厚度和气隙尺寸不变，依旧是5倍关系，从仿真结果截图观察，磁钢局部区域呈现偏蓝色，退磁率由一字型磁钢结构0.95提升到0.982以上，抗退磁性能明显提升。一字型因为交轴磁路不够顺畅，一部分Q轴也就是交轴电枢反应产生的磁力线穿过磁钢，和磁钢的D轴的磁场叠加提升了转子磁钢退磁的风险，采用合适的V型角度的磁钢结构，就能比较好地解决这个问题，达到降低磁钢的不可逆退磁风险效果。
我们观察“图 7”退磁仿真结果云图截图，在退磁比较严重蓝色区域，可以设置一个观察点，显示了退磁率曲线，即显示磁场上某点随时间变化的退磁率曲线：
图 8
通过优化成V型磁钢转子结构的模型，进一步参数扫描电流源激励幅值，通过退磁率观察点更进一步观察在控制器大电流输出下，磁钢退磁薄弱点的退磁率：
图 9
电流大于3倍额定电流，也就是从电流源激励幅值155A开始（加量的蓝线），退磁率开始低于0.96，随着电流幅值得进一步增加，退磁率下降趋势更加明显。选取低于150A电流幅值放大观察：
图 10
在电流源激励幅值不超过3倍额定电流的时候，退磁率都在0.982以上，不可逆退磁几乎可以忽略。
2、采用V一型转子磁钢结构的退磁优化结果
在额定转速下，采用V一型结构后，D轴磁阻加大，抑制了D轴去磁磁通，转子磁钢不可逆退磁的风险得到更进一步的抑制。退磁率由0.892进一步提升到0.993以上。
图 11
3、接近最高转速时最大电流去磁仿真
在2.5倍额定转速7500转/分下仿真，电流幅值150A，退磁率和额定转速下几乎一样：
图 12
七、气隙参数对转子磁钢抗退磁性能的影响
采用本案例的一字型磁钢模型，把气隙参数由0.8mm减少到0.75，磁钢厚度由4mm减少到3.75mm，维持5倍的比例关系，案例其他参数不变，仿真结果云图如下：
图 13
相比较于之前气隙0.8mm，磁钢厚度4mm的方案，对比“图 6” 仿真结果云图，最低退磁率由0.95变化到0.89，发生了明显的不可逆退磁，由此可见，气隙的变化对电机转子磁钢的退磁有明显的影响，对于本案例，气隙减小导致磁阻的减少，同样的去磁电流流过绕组将产生更大的去磁磁通，导致明显的不可逆退磁，在实际的电磁设计实践中要避免的这种情况的发生，针对D轴磁阻减少导致的仿真过程中出现明显的不可逆退磁，可以适当增加下磁钢的厚度，加大D轴磁阻，提升转子磁钢在极端工况下抗退磁性能。
另外新版本仿真软件也提供了直观的确认磁钢的退磁率云图、了解整块磁铁退磁性能薄弱的位置功能，在这个功能中，同时还能筛选出退磁率大于某个数值，比如退磁率大于0.9的磁钢面积百分比。
图 14
图 15
通过“图15”仿真结果可以看到：退磁率大于0.9的磁钢面积百分比不同时刻都能超过97%。退磁率大于0.8的磁钢面积百分比几乎就是100%，只是在2.8ms的时刻，发生了一点小突变，但超过97%。
