双转子双鼠笼永磁感应电机起动过程中永磁体退磁研究

上官璇峰 周敬乐 蒋思远

摘  要：针对双转子双鼠笼永磁感应电机起动过程中永磁体的退磁问题展开研究。分析了该电机的退磁机理，确定了永磁体退磁幅度最大部位。并在永磁体退磁幅度最大部位内选择一个参考点，重点讨论电机在不同条件下起动过程中参考点的退磁情况。分析了负载转矩、转动惯量和永磁转子初始位置对起动过程中永磁体退磁的影响。研究了双鼠笼绕组对定子磁场退磁的屏蔽作用。确定了电机在极端工作条件下的退磁区域，并对电机永磁体发生局部不可逆退磁前后的稳态性能进行了对比分析。研究表明：电机起动过程具有较大的退磁风险，双鼠笼绕组对永磁体退磁具有一定的抑制作用。

关键词：双转子双鼠笼永磁感应电机;起动过程;退磁分析;屏蔽作用

中图分类号：TM351

Abstract： The demagnetization of permanent magnets during the starting process of dual-rotor permanent magnet induction motor with double squirrel cage was studied. The demagnetization mechanism of the motor was analyzed， and the maximum demagnetization position of permanent magnet was determined. A reference point was selected in the maximum demagnetization part of permanent magnet， and the demagnetization of reference point during starting of motor under different conditions was discussed in detail. The effects of load torque， moment of inertia and initial position of permanent magnet rotor on demagnetization of permanent magnet during starting process were analyzed. The shielding effect of the double squirrel cage winding on the stator magnetic field was studied. The demagnetization region of the motor under extreme working conditions was determined， and the steady-state performance of the motor was compared and analyzed before and after partial irreversible demagnetization. The research shows that there is demagnetization risk in the starting process of the motor， and the double cage windings has a certain restraint effect on it.

Keywords： dual-rotor permanent magnet induction motor with double squirrel cage; start process; demagnetization analysis; shielding effect

0引  言

永磁感應电机（Permanent Magnet Induction Motor，PMIM）结合了感应电机良好的起动性能和永磁电机高效率、高功率因数和宽的经济运行范围等优点，且其特有的双转子结构使其拥有独特的应用前景，可以在双馈风力发电系统及混合动力驱动方面得以应用[1-2]。

国内外有关PMIM研究的参考文献还较有限。国外的最新研究主要由法国亚眠大学的A. M. Gazdac、A. Mpanda-Mabwe和意大利拉奎拉大学的L. D. Leonardo等学者合作进行，他们讨论了PMIM可能的拓扑结构，分析了转子鼠笼导条采用不同材料时对电机性能的影响、电机铜耗和铁耗引起的热效应，建立了PMIM的等效电路模型，提出控制策略[3-5]。国内学者刁统山、王秀和提出了PMIM的直接功率控制策略，进行了仿真研究[6]。并在PMIM的基础上，提出了新型永磁双馈发电机，研究了永磁双馈风力发电机的并网控制策略[7]。本课题组对双鼠笼PMIM进行了研究，包括电机的多目标优化、三维全域温度场分析、感应电机及自起动永磁同步电机的性能对比分析[8-11]，取得了一系列研究成果。但尚未见到对PMIM永磁体退磁研究的相关报道。

随着研究的深入，发现PMIM比自起动永磁同步电机的起动时间长，起动过程中永磁体退磁风险增大。当永磁体工作点低于退磁曲线拐点时，会发生不可逆退磁[12-14]，使电机性能恶化，最终导致电机报废。因此开展该电机退磁研究十分必要。

目前对电机永磁体退磁的研究主要围绕永磁同步电动机进行，文献[15]采用时步有限元法研究了自起动永磁同步电机在起动过程中因电枢反应引起的永磁体退磁。文献[16]研究了自起动永磁同步电机起动过程中鼠笼转子屏蔽作用，并给出了永磁体在最大退磁时刻的退磁预估场图。文献[17]分析了三种永磁转子结构（一型、V型和双层U型）永磁同步电机的永磁体退磁特点。文献[18]研究表明双鼠笼结构对退磁磁场有明显的减弱作用，降低永磁体退磁风险。

采用有限元法，针对双转子双鼠笼永磁感应电机中永磁体退磁问题展开研究。建立了电机电磁场分析模型，研究了电机起动过程中永磁体的退磁规律，进一步讨论了极端条件下永磁体退磁的特点，并得出退磁区域位置。详述了双鼠笼永磁感应电机双鼠笼转子对永磁转子退磁的保护作用。最后对比分析了永磁体发生不可逆退磁对电机整体性能的影响。

1 电机结构和原理

PMIM是传统的鼠笼式感应电机和永磁同步电机的组合。双鼠笼永磁感应电机的结构如图1所示，它由定子、鼠笼转子和永磁转子三个部分组成，有内、外两个气隙。定子电流所产生磁场与永磁转子的永磁场之间作用，产生电磁转矩，使得永磁转子同步旋转，这两者形成合成励磁磁场。合成励磁磁场与鼠笼转子之间有相对运动，在鼠笼绕组中感应出交流电流。鼠笼绕组中电流也产生同步旋转的磁场和合成励磁磁场共同产生气隙磁场，这两种磁场之间作用产生异步转矩，使鼠笼转子运转。

本文所研究的永磁感应电机创新性地采用了双鼠笼绕组，内外鼠笼间设立磁桥，永磁磁场磁通和定子磁场磁通部分地经磁桥与笼型绕组交链，改善了主磁路。所以，较传统的单鼠笼永磁感应电机，双鼠笼永磁感应电机具有更高的效率和功率因数。

2起动过程中永磁体的退磁

2.1样机参数

所分析的双转子双鼠笼永磁感应电机：3相、4极、额定电压380V（定子绕组采用Δ型联结）、额定频率50Hz、额定功率11kW，其主要结构参数见表1。

2.2 永磁体退磁分析参考点的选取

2.2.1 电机起动过程的退磁机理

定子磁势和永磁极磁势之间的夹角θ决定了电枢反应的作用是增磁或退磁作用。θ为0°时（两磁场势同向），增磁作用最强;在θ为180°时（即两磁势反向），去磁作用最强，如图2所示。

由于双鼠笼永磁感应电机额定负载起动过程较长，增加了永磁体的退磁机会和风险。

2.2.2 退磁参考点的确定

由于电机结构的对称性，仅分析一个极下的永磁极磁密。选取一块永磁体的中心和边角位置作为参考点，具有代表性，如图3中的A、B所示。

双鼠笼永磁感应电机额定负载下起动速度曲线及永磁体参考点磁密如图4所示。可以看出，起动过程中，电机转子存在明显的速度波动，该阶段定子磁场和永磁磁场速度不一，A、B两点的磁密也随时间波动明显;由于电机采用的是电压源驱动，在通电瞬间时（0s）定子电流、鼠笼转子电流的值为0，绕组磁场尚未建立，所以参考点磁密就是永磁体本身剩磁Br，另外，由于A、B两点所处电机位置的不同，磁路结构有差异，导致0s时刻B点的磁密略高于A点的磁密;在起动过程中，A点磁密呈现波动下降的趋势，是由于永磁磁场作用于定子绕组且定子绕组等效短路所产生的变频永磁发电机效应磁场，该低频磁场与永磁磁场同步且为去磁作用，使永磁体区域参考点磁密波动下降[19]。所研究电机的鼠笼转子与永磁转子转速相差很小，故忽略了永磁体对鼠笼的感应电流效应磁场。A点磁密较B点在任意时刻都低，更容易受到退磁磁场的影响，故后续将以A点为对象，研究永磁体退磁的特点。

3影响永磁体退磁的因素

保持电机起动过程中端电压和频率为额定值，研究负载转矩、鼠籠转子的转动惯量和永磁转子的初始位置，对电机起动过程中永磁体退磁的影响。并进一步讨论电机工作在极端恶劣环境下，其永磁体内磁密与转速的关系，得出极端恶劣工作环境下的退磁区域预估图。

3.1 负载的影响

保持鼠笼转子转动惯量和转子初始位置不变，不同负载转矩下起动时，电机的转速和永磁体参考点磁密的变化曲线，如图5所示。

3.2 鼠笼转子转动惯量的影响

图6是带额定负载，保持转子初始位置不变，鼠笼转子转动惯量Jr不同时，起动起动过程中电机的转速和永磁体参考点磁密的变化曲线。

由图5和图6可知，相同条件下，负载转矩或转动惯量越大，电机的起动过程越长，电枢磁场和永磁磁场方向关系变化的次数越多，参考点磁密波动的次数越多。参考点最小磁密值出现时间与负载大小、转动惯量大小和转速的关系，如表2所示。由表2数据可知，不同负载或转动惯量倍数，对起动过程中永磁体的最低磁密值并无规律性。永磁体最低点磁密在不同的负载或转动惯量倍数下，可能出现在任意转速。

3.3永磁转子初始位置的影响

保持电机带额定负载和鼠笼转子转动惯量不变，研究永磁转子以不同初始位置起动时，永磁体磁密的变化，如图7所示。选取永磁体磁化方向与三相绕组旋转磁场d轴重合时，永磁转子位置角度为0°，如图1所示，顺时针方向以30°（机械角度）为间隔，依次取六个位置作为起动初始位置。

由图7可以看出，永磁转子的初始位置不同，起动过程中参考点A的磁密最低值不同。永磁转子在30°位置起动时，参考点最低磁密为0.395T;120°位置起动时，参考点最低磁密为0.261T，两者之间相差0.134T。可见，永磁转子的初始位置对永磁体退磁也有一定影响。

3.4极端条件下的退磁研究与退磁区域预估

实际工作中，永磁电机永磁体发生不可逆退磁是由多种因素共同作用造成的[20]。若电机处于长期过载运行、环境温度较高或者冷却措施失效时，定转子电流产生强的退磁磁场可能会导致永磁体不可逆退磁。此外，当电机的工作温度过高时，永磁体的退磁曲线将在第二象限出现拐点[21]，增加了永磁体不可逆退磁的风险。本文使用的永磁材料N35SH，其退磁曲线如图8所示。

在此将对双转子双鼠笼永磁感应电机模型在极端条件下（带1.5倍额定负载和5倍转动惯量，130℃工作温度）进行模拟退磁研究，并给出该条件下的退磁区域预估。该温度下永磁体的退磁曲线拐点磁密约0.24T（参见图8），低于此拐点则认为永磁体出现不可逆退磁。极端条件下电机起动过程的转速曲线和参考点磁密变化曲线见图9。

由图9可知，极端条件下电机的起动时间较长（约1180ms），且在转速较低时，因转差率s较大，永磁体的磁密波动更快。随转速升高，退磁作用增强，在鼠笼转子转速达到67%（1005r/min）同步速时，退磁作用最强。图9（b）中，永磁体参考点最低磁密点C为0.191T，D点为次最低磁密点（0.301T）。C和D点对应时刻的退磁区域，如图10示。从图10退磁区域图中可以看出永磁体的退磁区域出现在磁极的中部。

4 双鼠笼转子的屏蔽作用分析

鼠笼绕组的屏蔽作用是指鼠笼绕组对电机退磁现象的抑制作用。为分析鼠笼绕组的屏蔽作用，本文中创新性地提出了一种利用时步有限元模拟仿真方法，该方法分为两步：

（1）电机带额定负载正常起动，获取鼠笼转子转速-时间关系和永磁体参考点磁密-时间关系。

（2）将双鼠笼导条的电阻率设为无穷大，即双鼠笼导条中没有电流。利用步骤（1）中鼠笼转子的转速-时间关系驱动鼠笼转子。永磁转子运行状态同步骤（1）。获取永磁体参考点磁密-时间关系。

步骤（1）得到额定负载下定子绕组和鼠笼绕组产生的合成磁场对永磁体区域的影響，步骤（2）得到定子磁场单独作用时对永磁体区域的影响，进而得出电机有/无转子鼠笼绕组屏蔽作用时永磁体退磁参考点磁密情况，如图11所示。可以看出，有/无鼠笼作用时起动过程中永磁体内参考点的最小磁密值分别为0.388T和0.015T，相差0.373T，在转速到达稳定后，有鼠笼绕组作用的模型，其磁密值逐渐趋向于稳定;无鼠笼绕组作用的模型，其磁密值仍会有小幅波动，可见鼠笼绕组对电机退磁有一定的抑制作用。

图11中，E点为无鼠笼绕组作用时，永磁体参考点磁密出现最低值的时刻，F点为电机到达同步速的稳态时刻;图12表示E、F点对应时刻的磁密分布云图（左侧为有鼠笼绕组作用，右侧为无鼠笼作用）。从图12（a）中可以看出，永磁体区域较低磁密值都出现在磁极的中部，无鼠笼绕组的屏蔽作用时，磁极区域的磁密相对更低;由图12（b），电机稳态运行时磁极上的磁密值近乎相同，是因为，鼠笼绕组屏蔽作用相对小。

5永磁体退磁对电机性能的影响

为分析永磁体退磁对电机性能的影响，利用3.4节退磁后的模型，对比分析电机的气隙磁密、功效以及温升等关键因素。

5.1 永磁体退磁后模型的建立

参考3.4中的极端条件下的退磁预估结论，将永磁体不可逆退磁区域的材料的矫顽力设为0，不可逆退磁区域颜色同背景色（白色），如图13所示。电机的其他参数均为初始额定参数，正常起动。

5.2 退磁前后永磁场气隙磁密对比

永磁体退磁后，永磁场外气隙磁密和总的合成外气隙磁密，以及它们的谐波对比，如图14所示。由图可知，永磁体退磁前后合成磁场外气隙磁密接近一致，而退磁后的永磁磁场磁密是下降的，说明退磁后励磁电流增大，效率和功率因数降低，温度升高。

5.3退磁前后电机性能比较

将退磁后的电机模型进行有限元仿真并计算，并将退磁前后的电机性能参数做对比，如表3所示。永磁体部分退磁后，为确保电机仍能维持恒定的转矩，定子绕组电流增大，电机损耗增加，效率下降，功率因数也因励磁电流增大而大幅下降。同时，电流增大，会使退磁磁场更为严重。这样恶性循环的结果将导致电机彻底报废。

5.4退磁前后电机温度场分析

对永磁体退磁前后的电机模型在环境温度为常温（20℃），额定负载的情况下进行了温度场分析。退磁前后电机的温度分布如图15所示。

就退磁前后电机整体温度场分布而言，退磁后的整体温升明显高于退磁前。这是因为永磁体退磁后，永磁磁场励磁作用减弱，定子绕组励磁电流增大，电机损耗增加，效率下降，温度升高。永磁体退磁前后，定子绕组上的最高温度分别为65.93°C和89.3°C，鼠笼转子导条上的最高温度分别为77.30°C和108°C，永磁体上的最高温度分别为69.15°C和95.2°C。永磁体退磁后，各部件的温度较退磁前均上升了23°C以上，电机温度更高，将导致永磁体的二次不可逆退磁。

6 结 论

（1）分析了负载转矩、转动惯量和永磁转子初始位置对电机起动过程中永磁体退磁的影响。负载转矩倍数或鼠笼转子转动惯量倍数越大，永磁体磁密波动的次数越多，但最小磁密值呈现出无规律性，可能出现在任意转速时刻;永磁转子的初始位置不同，对参考点A的磁密最低值及波动次数均有影响。

（2）高温重载条件下，永磁体发生不可逆退磁的位置最先出现在磁极的中间部位。

（3）分别就电机有/无鼠笼绕组屏蔽作用时永磁体磁密情况进行了详细讨论。起动过程中，无鼠笼绕组屏蔽作用时，磁极参考点磁密值更低;达到稳定速度后，鼠笼绕组屏蔽作用减小，有/无鼠笼绕组屏蔽的电机永磁体磁密值近乎相同，但无鼠笼时参考点磁密波动较大。双鼠笼绕组的屏蔽作用可显著降低永磁体发生不可逆退磁的风险。

（4）建立了永磁体退磁后的电机模型，永磁体退磁后，由于永磁磁场的助磁作用减弱，导致定子绕组励磁电流明显增大，电机稳态运行性能变差，温升加剧，将导致永磁体二次不可逆退磁，甚至导致电机报废。

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