記憶電機

記憶電機是指一種通過改變永磁體磁化水平來實現氣隙磁場調節，被稱為真正意義上的可變磁通永磁電機。電流脈衝來改變永磁體磁化狀態，以實現高效的線上調磁，被認為是一種真正意義上的可變磁通永磁電機，非常適於電動汽車、高速工具機和飛輪儲能等領域的套用。根據施加脈衝調磁電流的方式，記憶電機可以分為交流脈衝調磁型和直流脈衝調磁型兩大類。

基本介紹

• 中文名：記憶電機
• 外文名：memory motor
• 類型： 電力設備
• 分類：直流、交流脈衝調磁型
• 領域： 能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，以高效率、高功率密度為顯著特徵的永磁電機得以快速發展，在航空、航天、艦船、汽車、工具機等很多工業領域獲得了廣泛套用，不僅顯著地加快了我國實現工業現代化的步伐，而且有效地促進了我國節能減排戰略目標的實現。傳統永磁電機的氣隙磁場很難調節，這導致電動運行時，恆功率區較窄，調速範圍有限;發電運行時，電壓調節和故障滅磁困難。當需要弱磁時，通常施加持續的d軸弱磁電流來削弱氣隙磁場，此時永磁體易發生不可逆退磁，極大地限制了永磁電機在電動汽車、高速工具機和飛輪儲能等領域的套用。為此，如何實現永磁電機的氣隙磁場調節成為近年來電機領域的一個研究熱點。比較可行的方案是採用混合勵磁技術，它是在永磁電機的基礎上引入電勵磁，通過調節電勵磁電流的大小和方向來實現電機氣隙磁通的調節，具有調磁方便、效率高等優點，但同時也有一些明顯的缺點。混合勵磁電機可以採用並聯磁路或者串聯磁路，但前者永磁體漏磁較多，後者電勵磁損耗較大，此外，電機的結構相對複雜，加工製造困難，因此，混合勵磁電機並不是一個十分完美的解決方案。近幾年來，一種通過改變永磁體磁化水平來實現氣隙磁場調節，被稱為真正意義上的可變磁通永磁電機--記憶電機(memory motor MM)，正在受到越來越多學者的關注，並取得了突破性進展。該類電機採用高剩磁、低矯頑力的永磁材料，如鋁鎳鑽(aluminum-nickel-cobalt A1NiCo)，通過施加脈衝電流瞬間改變其磁化狀態，並且其磁化水平能被記J憶住，從而實現氣隙磁場的靈活調節，並幾乎沒有電勵磁損耗，是一種簡單高效的線上調磁方案。根據施加脈衝調磁電流的方式，可以將記憶電機分為交流脈衝調磁型和直流脈衝調磁型，前者在三相定子繞組通入三相交流電流形成d軸瞬時磁化脈衝來改變轉子永磁體的磁化水平;後者將脈衝調磁繞組和永磁體同置於定子上，在調磁繞組中通以直流脈衝電流來達到同樣的目的。記憶電機為永磁電機調速範圍的拓寬提供了新的途徑，並可望為電動汽車、高速工具機及飛輪儲能等套用領域提供新型的永磁電機寬調速驅動系統。

總結了現有各種結構的記憶電機，分析了它們的結構特點、工作原理和各自優缺點，據此闡述了記憶電機的關鍵共性問題。針對現有記憶電機存在的不足，將磁通切換(flux switching } FS)原理與記憶電機相結合，了一類新型的磁通切換型記憶電機(flux switching-memory motorFS-MM)旨在實現線上調磁與驅動的協調控制，同時實現感應電動勢正弦，使之適用於寬調速高精度的伺服套用。

磁化水平“記憶”機理

記憶電機的“記憶”概念源自電機中採用的A1NiCo永磁體，其磁化強度能夠通過施加短時充、去磁電流而得到改變，並且新的磁密水平能被記憶住。為了清晰地解釋該種“記憶”特性，圖1給出了A1NiCo永磁體的磁滯回線。圖中:B:表示其最大剩磁;表示矯頑力;P,為退磁曲線和負載線的交點，即永磁工作點。當施加一個負向的去磁脈衝時，永磁工作點將從P,移動到Qo;而當電流脈衝消失後，工作點沿著回複線Q，上升，並最後穩定在新工作點。

相反，當施加一定的正向充磁脈衝時，永磁工作點將沿著PZRZR}P，回到原工作點。因此，通過施加不同的充、去磁脈衝電流，A1NiCo永磁體的磁化水平可以被改變並被記憶住，從而實現記憶電機氣隙磁通的靈活調節。

從圖1可以看出，A1NiCo永磁體的磁滯高度非線性導致回複線不會與退磁曲線重合，這給確定其磁化水平與充、去磁脈衝電流間的對應關係帶來了很大困難，這也是各種記憶電機磁化機理研究的一項重要內容。

記憶電機結構形式及特點

AlNiCo永磁體特殊的磁化特性使得記憶電機變成了一種新概念的可變磁通永磁電機，其拓撲結構具有多樣性。根據瞬時調磁脈衝施加的方式，記憶電機可以大體分為兩種:交流脈衝調磁型和直流脈衝調磁型。前者是通過矢量控制，在三相電樞繞組中分別施加一個存在相位差的短時脈衝電流，合成一個d軸脈衝磁動勢來改變永磁體磁化水平。定子繞組兼具驅動控制和調磁控制兩種功能，雖然這簡化了電機結構，但在實際運行過程中，電樞繞組與永磁體相對位置不斷變化，確定線上充、去磁的準確時刻十分困難，目前國內外尚無這類記憶電機實現線上調磁控制的報導。

直流脈衝調磁型記憶電機，其調磁繞組一般獨立設定，電機的驅動控制與調磁控制功能上分開，大大降低了線上調磁控制的難度，但電機結構相對複雜。考慮到要實現無刷化，這類電機多為定子永磁型，即AlNiCo永磁體和脈衝調磁繞組同置於定子上，可以與電樞繞組同處於一層定子上，也可以採用雙層定子結構形式。由於永磁體置於定子上，電機的轉子必定是凸極結構。目前，直流脈衝調磁型記憶電機主要是雙凸極記憶電機(doubly salient memory motor DSMM)。FS-MM也屬於這類記憶電機，國內外未見研究報導。

交流脈衝調磁型記憶電機

單一永磁型

記憶電機的概念最早由德國學者V. Ostovic於2001年第36屆IEEE工業套用會議上。他將線上寫極(充去磁)的理念引入到普通永磁同步電機(permanent magnet synchronous machine，PMSM)，從而發明了原型記憶電機，結構如圖2所示。電機的定子與普通交流電機相同，轉子由AlNiCo永磁體、非磁性夾層和轉子鐵心組成“三明治”結構，沿圓周方向依次壓裝在轉軸上。轉子採用切向磁化的梯形永磁體，一個極距下的氣隙主磁通由相鄰兩磁極提供，可獲得較大的每極磁通。AlNiCo永磁體產生的磁通通過氣隙進入定子形成主磁通迴路，當需要增磁或弱磁時，採用矢量控制，在三相電樞繞組中分別施加一個脈衝電流，在d軸上合成產生一個充、去磁脈衝電動勢，瞬間改變轉子上AlNiCo永磁體內部的磁化水平，進而調節氣隙主磁通。這種特殊轉子結構能夠對永磁體進行反覆可逆充去磁，幾乎沒有勵磁損耗。Ostovic製作了一台原型記憶電機樣機，實驗結果驗證了記憶電機調磁的可行性。

自記憶電機以來，國內外電機學者針對這類新型可變磁通電機展開了理論與技術研究。大連理工大學孫建忠教授探討了原型記憶電機一些設計特點，指出永磁體內部存在一個有效徑向長度和“零磁密”範圍，增大磁化方向長度可顯著增加氣隙磁密。另外，韓國Hanbat國立大學Jung Ho Lee等學者將Preisach模型和有限元技術結合，對原型記憶電機在連續重新磁化和去磁狀態下的電磁特性進行了分析研究四。針對原型記憶電機分析了永磁體形狀對該電機氣隙磁密、最大去磁安匝數、氣隙磁通和調磁方式等的影響;深入研究了原型記憶電機的調磁機理，採用有限元法分析了不同磁化電流作用下永磁體內部的磁通密度、磁場強度以及氣隙磁通等物理量的變化，獲得了電機去磁和充磁時的調磁規律，並研究了梯形磁極對去磁效果的控制機理。

此外，美國威斯康星一麥迪遜大學NateeLimsuwan和日本Takashi Kato等學者，在交軸磁路磁阻增強設計的內置式PMSM基礎上，通過變換永磁位置了兩種結構的記憶電機，其結構如圖3所示。通過合理設計漏磁路徑實現更大的磁通調節範圍，並採用有限元分析證實了該電機出色的調磁特性以及較高的運行效率。

相比於傳統的PMSM，上述原型記憶電機和交軸磁阻增強式記憶電機繼承了前者氣隙磁場正弦的優點，可以適用於高精度的伺服控制場合;高速運行時，電樞繞組中不需施加d軸去磁電流，因此銅損較低，電機的運行效率較高。但是，它們也存在以下明顯不足:1)採用了矯頑力相對較低的A1NiCo永磁體，電機的最大氣隙磁通很難達到錢鐵硼(NdFeB)永磁電機的水平，電機力能指標不盡如人意;2)同樣由於採用了A1NiCo永磁體，為了獲得足夠的磁通，就必須採用較厚的永磁材料，而且增磁和去磁磁通又通過電機的氣隙，這就導致所需的調磁脈衝磁動勢較大，增大了電樞繞組的容量。

混合永磁型

為了彌補上述單一AlNiCo永磁記憶電機力能指標不高的缺點，在原型記憶電機的基礎上一種混合永磁記憶電機。該電機結構如圖4所示，採用加入NdFeB永磁體的混合永磁結構，通過有限元方法對施加連續去磁和充磁電流作用下永磁體的磁化特徵進行了分析，計算了在施加不同磁化電流調磁後的氣隙磁密分布、相反電動勢、每極氣隙磁通等，並設計製作樣機，進行了實驗驗證。

天津大學的陳益廣教授等了多種A1NiCo和NdFeB永磁體共同勵磁的混合永磁記憶電機，典型結構如圖5所示。其中，圖5(a)所示的4極結構將徑向充磁的NdFeB永磁體作為主勵磁源，兩塊NdFeB永磁體交接處與轉子外徑間矽鋼片磁路設計得比較窄，以增大交軸磁路的磁阻;圖5(b)所示6極結構的V形永磁轉子結構具有“聚磁”作用，可以得到較高的氣隙磁場，各個轉子磁極下直軸位置設定的隔磁橋極大地增加了轉子交軸磁阻，使交軸電感變小，減小了運行時交軸電樞反應對直軸氣隙永磁磁場的影響。圖5所示兩種結構的工作機理是:切向磁化的A1NiCo永磁體可以被d軸電流脈衝正反兩個方向磁化。因此，A1NiCo永磁體可以將NdFeB永磁體產生的磁通推向定子，從而起到增強氣隙磁通的作用;也可以將NdFeB永磁體產生的磁通在轉子內部部分短路，起到弱磁效果。

山東大學朱常青教授等了一種徑向充磁的新型並列式混合記憶電機，該電機採用兩種永磁體的兩段轉子的複合結構。NdFeB轉子段採用結構簡單的表面式轉子結構，AlNiCo轉子段結構采

用徑向帶極靴式結構以禁止交軸電樞反應對永磁體的影響，並將由神經網路建立的局部磁滯回線預測模型與AlNiCo永磁體的磁化模型相結合，建立了包括初始磁化和反覆磁化的分析模型。

直流脈衝調磁型記憶電機

雙凸極記憶電機

香港大學的鄒國棠帶領的課題組將記憶電機的理念首次引入到了定子永磁型電機中，首先了DSMM，結構如圖7所示。該記憶電機的顯著特徵是定子採用雙層結構，一層是電樞繞組，另外一層設定調磁繞組，從而有效避免了電樞反應對永磁體產生的影響。該課題組中的余創博士等針對該記憶電機的設計理論和控制方法進行了分析，對電機的動態電磁特性進行了研究，結果表明該電機能夠滿足混合動力汽車運行場合作為起動/發電機的要求;此外還研究了該電機的驅動控制方法，在基於速度、電流雙閉環驅動控制基礎上加入磁通控制單元，電路原理如圖8所示。該電路由一個BUCk變換器和H橋功率電路組成，前者用於控制充、去磁電流幅值Im的大小，後者控制磁化電流的方向D和作用時間T，具體來說，在弱磁運行階段，由電機轉速n可以推算得需要的氣隙磁通值ref，並與實測的氣隙磁通值拼進行比較以確定需施加磁化電流的方向D，而所需的充、去磁電流值Iref則通過查詢由有限元所測得氣隙磁通與磁化電流的對應關係表獲得，最後根據Iref可以調整B UCIC變換器的占空比占來確定輸出電壓值。實驗驗證了電機的弱磁擴速能力;還驗證了電機具備較強的容錯運行能力，仿真和實驗研究了該電機的雙模態(永磁雙凸極式/開關磁阻式)運行，通過磁鏈電流方程，求得了兩種模態切換的過渡點，研究了電機在兩種模態下的動態性能，並驗證了雙模態運行理論的可行性。該課題組的龔宇博士(上海大學)等採用Preisach磁滯模型與有限元時步法相結合，對雙凸極記憶電機進行了分析，並通過移相設計了一種新的換位設計方法，解決了各相磁路不對稱的問題。此外，利用這類電機中的永磁體易於完全充、去磁的特點，可以實現電機的變極運行。

鄒國棠教授還了一種混合永磁DSMM以增強其電磁特性，其結構如圖9所示。有限元仿真驗證了該電機適合作為起/發電機運行，對兩種永磁體在不同用量比時的電磁特性進行了分析，研究了電機在A1NiCo永磁體不同磁化狀態下的運行特性。當對其進行充磁以致其磁化方向和NdFeB永磁體保持一致時，電機達到最大的氣隙磁密;在輕載或需要高速運行時，可以對其去磁乃至反向磁化，以降低甚至抵消兩側NdFeB永磁體產生的磁通，進而達到弱磁擴速的效果。

徑軸向磁路混合永磁記憶電機

日本學者Kazuto Sakai等通過巧妙的空間設計了一種徑軸向磁路混合永磁記憶電機。將AIN1Co永磁體嵌入兩段結構上互補的NdFeB永磁體同步電機的中間，組成一個三明治結構，正反面的NdFeB永磁體極性相反，置於定子上的調磁繞組施加軸向磁場以改變A1NiCo永磁體磁化水平，從而調節電機氣隙主磁通。有限元分析證實了該記憶電機可以通過線上調磁以獲得較大輸出轉矩，帶載情況下具有極寬的磁通調控範圍。然而，該記憶電機具有軸向磁路，機殼必須採用導磁材料，電機結構相對複雜，製造難度也較大;調磁繞組的磁路較長，且通過氣隙，容量要求大。

在直流脈衝調磁型記憶電機方面，目前的研究大都集中在DSMM方面。正如雙凸極電機一樣，DSMM定轉子鐵心中的磁密變化規律複雜，如何通過一種較為準確的磁滯模型以分析並掌握A1NiCo永磁體磁化水平精確控制，則是未來的研究重點。

記憶電機關鍵共性問題

記憶電機調磁機理

記憶電機的氣隙磁通調節機理核心在於A1NiCo永磁體獨特的磁滯特性，其較低的矯頑力使其線上調磁成為可能。如圖1所示，A1NiCo的磁化曲線不僅具有強非線性，而且電機運行過程中永磁體處於頻繁的充、去磁過程，其工作點不僅僅取決於空間磁場的強弱，也依賴於其記錄的充去磁參數。目前，大部分有限元計算軟體對永磁體的處理都簡化在第二象限，而A1NiCo的工作點理論上可以分布在四象限，因此，如何針對其磁滯特性進行準確數學建模，併兼顧磁滯特性真實性和數值擬合的運算效率已成為分析記憶電機的關鍵技術。

Ostovic根據原型機的結構特點，採用磁路法對記憶電機原型機進行了分析，但是等效磁路法無法精確考慮鐵心飽和的影響，計算結果存在較大偏差。綜合現有，目前國內外電機學者針對記憶電機的研究普遍採用兩種磁滯模型:一種是Preisach磁滯模型;另一種是將A1NiCo磁滯特性分段線性化處理的平行四邊形磁滯模型

Preisach磁滯模型

Preisach模型是目前套用最為廣泛的一種磁滯模型。其主要思想是把鐵磁材料看成是磁偶極子的集合，而每個磁偶極子均具有相類似的矩形磁滯特性。

在記憶電機的磁場計算中，韓國學者H. B. Lim等通過有限元與Preisach模型相結合對原型記憶電機的線上充磁的磁場分布進行了較為精確的靜態分析，然而該方法需要大量的實驗數據，所用分布函式的確定較為複雜。圖11表示的是一種基於函式轉換的Preisach模型，該模型磁通密度的上升和下降軌跡均可以直接由B-H的極限磁滯回線插值計算得到，避免了大量實驗，降低了數值計算的難度，該模型在程式編制時只需一個堆疊即可實現。上海大學的龔宇博士將該模型與時步有限元法進

行動態藕合，對DSMM的電磁特性進行了分析，並通過與樣機實測結果比較驗證了Preisach磁滯模型的有效性

平行四邊形磁滯模型

AlNiCo永磁體的實際磁滯曲線，可以近似擬合為上下邊做平行移動的一簇等寬的平行四邊形，如圖12所示。其中極限磁滯回線和局部磁滯回線假設具有相同的矯頑力從，但有不同大小的剩磁B，並且初始磁化曲線被近似為部分與磁滯回線重合的折線。這種簡化的分段線性數值擬合方式既考慮了AlNiCo的實際磁滯模型，又極大降低了磁場計算的複雜性

線上調磁與驅動協調控制技術

記憶電機是一種全新理念的可變磁通型永磁電機，它是一個十分複雜的多變數、強藕合和高度非線性的系統，其機電能量轉換原理以及矢量控制技術與傳統永磁電機實質上是一樣的，其特色在於實現了電機線上調磁與驅動協調控制。

目前，針對交流脈衝調磁型記憶電機，包括記憶電機的發明人Ostovic在內的國內外學者都試圖採用磁場定向的矢量控制驅動技術，正常運行時採用Zd=控制方式，線上調磁時需要從驅動模式短時切換到調磁模式，而且要準確計算定子磁場到達d軸的時刻，空載且低速運行時這種切換對電機的運行影響不大，但負載或高速運行時則影響較大，也很難實現協調控制。直流脈衝調磁型記憶電機，由於其結構與混合勵磁電機結構類似，存在電樞和調磁兩套繞組，可以分別對它們的電流進行獨立控制，線上調磁難度大大降低。對於脈衝調磁繞組，採用一個H橋功率電路和一個可控電源即可。但是該電機由於採用雙層定子以放置電樞和調磁繞組，結構比較複雜，電機的製造工藝難度遠大於普通PMSM。而如何實現調磁和驅動兩種模組的線上協調控制也值得進一步深入研究。

轉子位置和氣隙磁通精確檢測技術

無論交流還是直流脈衝調磁型記憶電機，其充、去磁的時機以及轉子位置對調磁磁路的影響都會對電機的驅動性能產生影響，因此實現記憶電機轉子位置的精確檢測也是構建電機線上調磁與驅動協調控制的關鍵。另一方面，為了實現電機的準確調磁，設計一個用於精確測量氣隙磁通的模組將變得十分必要。儘管目前許多用於磁通檢測的裝置被，但均是針對傳統PMSM直接轉矩控制策略，因此，在設計記憶電機的控制系統時，可以通過設定附加檢測線圈，利用電壓感測器測得電機反電動勢，並通過智慧型運算模組估算氣隙磁通，與既

定性能指標所要求的參考值進行比較，採用事先實驗測得的數據表來確定下一步充、去磁的策略，即施加脈衝電流的方向和大小，這樣才能實現記憶電機的高效準確調磁控制。

總結

記憶電機作為一種新概念的真正意義上的可變磁通永磁電機，在電動汽車、高速工具機及飛輪儲能等領域具有廣闊的套用前景。（2按照交、直流脈衝調磁型分類分析了現有的各種記憶電機的結構特點、工作原理以及優缺點，並得到以下結論:

1)對於交流脈衝調磁型記憶電機，電樞繞組兼具脈衝調磁與矢量控制驅動功能，其有效的控制策略研究及相應的控制系統研發還有待完成。

2)對於直流調磁型記憶電機，其拓撲結構有待進一步擴展，採用較為準確的磁滯模型以分析並掌握該電機的磁化水平精確控制值得研究。

3)在今後記憶電機發展過程中，AlNiCo永磁體的磁滯建模，轉子位置和氣隙磁通的精確檢測技術，以及線上調磁與驅動協調控制技術是必須解決的關鍵共性問題。

針對現有直流調磁型記憶電機存在的反電勢非正弦、轉矩脈動大等問題，為了實現記憶電機的高效調磁，並使之適用於高精度的伺服控制，磁通切換型記憶電機具有反電動勢正弦度高、定位力矩和轉矩脈動小、功率密度大和容錯運行能力強等優勢。這類新型記憶電機的拓展了記憶電機的新原理和新結構，豐富了其科技內涵。