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尼桑電機的可變磁通結(jié)構(gòu)及可變磁通的關(guān)鍵

中汽汽車電子電器信息 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-06-29 10:21 ? 次閱讀

車用驅(qū)動永磁同步電機,即強調(diào)低速高轉(zhuǎn)矩,又強調(diào)高速高功率,因此存在一對蹺蹺板矛盾。

從低速爬坡的角度出發(fā),需要大的轉(zhuǎn)矩,而不希望電流過大,那就需要提高永磁磁鏈,獲得大轉(zhuǎn)矩系數(shù)(單位電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力)。

但是如果永磁磁鏈太大了,在高速時反電動勢會高過供電電壓的,無法輸出功率。幸好后來發(fā)明了弱磁技術(shù),通過電樞繞組產(chǎn)生去磁磁場分量,去抵消掉永磁體產(chǎn)生的磁鏈。但這會帶來永磁體退磁的風(fēng)險,而且過多的去磁電流,不但不做功,還會產(chǎn)生額外的銅耗,降低效率。

其實這種矛盾是所有追求高轉(zhuǎn)速范圍工作電機的一個通病,沒辦法的,誰叫你低速和高速的范圍相差極大啊。對于永磁電機——一個勵磁磁場不可調(diào)節(jié)的系統(tǒng),這個問題就更突出了。如果不想放棄永磁電機這條技術(shù)路線,就一定要解決這個問題。很自然會想到,如果能實現(xiàn)磁通可變,在低速的時候用高磁通,高速的時候用小磁通,不就把這個扣解開了嗎,這就是尼桑電機公司研究的技術(shù)路線。

尼桑電機的可變磁通結(jié)構(gòu)

這是一款6極45槽的扁線電機,定子外徑200mm,最大轉(zhuǎn)矩280Nm,最高轉(zhuǎn)速12000rpm。它的磁鋼有三種磁化狀態(tài)。100%磁化時,最大轉(zhuǎn)矩 280NM,但轉(zhuǎn)速只能到7200rpm,而75%磁化時,轉(zhuǎn)矩224Nm,轉(zhuǎn)速可達12000rpm。50%磁化時,最大轉(zhuǎn)矩下降了一半,但工作轉(zhuǎn)速已經(jīng)遠(yuǎn)超12000rpm。如此一臺電機就相當(dāng)于三臺特性不一的電機,不同的轉(zhuǎn)速,呈現(xiàn)不同的特性。

這種變磁通的特性使它的高效區(qū)間擴大了。這是因為這種電機做到了反電動勢可調(diào),能成功回避弱磁問題。一旦反電動勢達到電壓限幅值,就調(diào)低永磁勵磁能力,如此不但不需要額外的弱磁電流了,而且能夠保證在任何速度段,都能給出最合適的反電動勢,這樣電機在很寬的范圍內(nèi)能保證高效。硬是把永磁電機玩出了,電勵磁電機的感覺。

現(xiàn)在新的問題馬上來了:“他們是怎么做到了?”

可變磁通的關(guān)鍵

其實可變磁通的原理很簡單。就是利用一些低矯頑力軟磁材料的工作點可塑性。比如所鋁鎳鈷材料,它的剩磁大概是釹鐵硼的80%,而矯頑力卻只有十分之一。但它有一個好處,就是工作點是可塑的。以一個啟動過程為例,當(dāng)剛開始啟動時,鋁鎳鈷的工作性能是100%完整的,位于A工作點。當(dāng)速度上升到中速段,需要調(diào)節(jié)反電動勢時,定子繞組給轉(zhuǎn)子磁鋼一個瞬間退磁電流,鋁鎳鈷的工作點就下降到了B,即便將這個瞬間退磁電流去掉,磁鋼的工作點也不可能回到A了。也就說磁鋼記憶住了B工作點,磁鋼的供磁能力就只有B的水平。當(dāng)?shù)搅烁咚俣危€可以給一個更大的退磁電流,讓工作點到達C甚至D,磁鋼都會記憶住這個工作點。當(dāng)從高速往下調(diào)整時,是一個反向充磁過程,電機給一個足夠大的增磁電流(磁化電流),磁鋼的工作點就會恢復(fù)到E,或者G點的水平。如此可實現(xiàn)磁通周期往復(fù)變化,采用這種技術(shù)的電機就叫著記憶電機。

那為什么釹鐵硼材料不能做到記憶的效果呢? 這是由兩個原因決定的。

第一:釹鐵硼材料的矯頑力太高,靠電機的的磁場沒法輕易把它永久性去磁化。一定要去磁可以把轉(zhuǎn)子拉出來,放在專用充磁頭內(nèi),靠瞬間大電流放電,產(chǎn)生2倍以上材料矯頑力強度的磁場才可以(就是轉(zhuǎn)子整體充磁機,即可充磁也可以退磁)。

第二:釹鐵硼材料的B-H曲線更像是一條直線,而鋁鎳鈷等軟磁材料的B-H曲線更像是一個曲線,有一個明顯的拐點。 當(dāng)磁鋼受到退磁磁場,工作點在拐點以上直線部分時,退磁是可逆的。這就決定了釹鐵硼磁鋼可以記憶的工作點很少,不適合做記憶磁材。

其它可變磁通結(jié)構(gòu)

當(dāng)然還存在其它變磁極結(jié)構(gòu)。下面介紹一種升級版的混合式變磁通結(jié)構(gòu)。為什么要混合?因為鋁鎳鈷、鐵氧體等軟磁材料磁能積太低,無法保證功率密度。混合式結(jié)構(gòu)就是將釹鐵硼和鋁鎳鈷材料混合起來應(yīng)用,這樣一部分磁通固定,提供較強的背景磁場,另外一部分磁通是可調(diào)的。在高功率密度和寬工作區(qū)域兩個指標(biāo)之間作了一個折中。

上圖提供了兩種混合結(jié)構(gòu),上面是串聯(lián)式,下圖是并聯(lián)式。下面那種結(jié)構(gòu)更成熟,這是因為鋁鎳鈷材料和釹鐵硼材料在轉(zhuǎn)子側(cè)磁路獨立,給鋁鎳鈷退磁時,不需要克服釹鐵硼的矯頑力。而且這種結(jié)構(gòu)還有一定的磁阻轉(zhuǎn)矩,提高了轉(zhuǎn)矩密度。

東芝公司開發(fā)成功了一款并聯(lián)式磁極結(jié)構(gòu),如下圖所示,兩翼為可變磁場方向的鋁鎳鈷磁鋼,底部為不變磁場方向的釹鐵硼磁鋼,電機有兩種大的工作狀態(tài),一種是增磁模式,鋁鎳鈷的磁場方向和釹鐵硼的相同,另外一種是消磁模式,鋁鎳鈷的磁場方向和釹鐵硼的相抵消。如此電機的磁通,可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

可變磁通結(jié)構(gòu)的問題

可變磁通結(jié)構(gòu)在工業(yè)電機中已有應(yīng)用,但在車用主驅(qū)領(lǐng)域離產(chǎn)品化還有一定距離,主要的問題有三個:

轉(zhuǎn)矩密度離普通不變磁通電機還有一定差距,需要更強的鋁鎳鈷材料開發(fā)成功;

在低速大電流工況時,稀土材料都面臨退磁的風(fēng)險,加入的軟磁材料能否起到增磁作用值得懷疑;

在什么工況下該退磁,退磁到什么程度,需要額外的控制算法,系統(tǒng)復(fù)雜度提高;

總結(jié)

記憶電機雖然不是新技術(shù),但是在新的應(yīng)用需求前,它正在煥發(fā)出旺盛的生命力。是的,雖然現(xiàn)在還有很多問題需要解決,但不用太急功近利,成功的創(chuàng)新就是要在大量試錯的基礎(chǔ)上建立起來的。

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原文標(biāo)題:分享|磁通可變電機·破除永磁電機的阿喀琉斯之踵

文章出處:【微信號:gh_f5227855ca21,微信公眾號:中汽汽車電子電器信息】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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