新型機械軸向變磁通永磁同步電機分析研究

劉細平， 鐘清偉， 謝清華， 黃躍飛

(1. 江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000：2. 江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000)

新型機械軸向變磁通永磁同步電機分析研究

劉細平1， 鐘清偉1， 謝清華1， 黃躍飛2

(1. 江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000：2. 江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000)

為解決傳統變磁通永磁電機在基速以上運行可靠性差和調磁困難的問題，提出一種附加機械調磁裝置的新型軸向變磁通永磁同步電機。采用有限元法對電機運行于不同轉速時的磁場分布進行分析，建立軸向變磁通永磁同步電機三維有限元仿真模型，獲得了電機在不同轉速下氣隙磁密、繞組磁鏈及空載反電勢、電感等電磁特性。分析結果表明：在基速以下時，機械調磁裝置不動作，該電機能以大轉矩運行；在基速以上時，機械裝置相應動作，電機可在寬范圍恒功率運行，調磁效果較好。通過制作樣機和構建電機系統試驗平臺，驗證了理論分析和設計的有效性。

機械變磁通；永磁同步電機；軸向磁通；電磁特性；有限元分析

0 引 言

為解決永磁同步電機反電動勢隨轉速的線性增加與電機調速范圍要求較寬[1-3]，以及在新能源發電場合中存在能源隨機性強、用戶對電能的質量要求較高的矛盾[4-5]，有規律地調節電機工作磁場強弱成為重要方法之一。為隨機發電場合的寬范圍穩壓發電及驅動電機的高效變速運行提供技術支持，探求有效調節電機磁場強弱的方式成為電機領域的研究新熱點之一。近年來，經過國內外研究學者的不懈努力，提出了多種解決方案，如混合勵磁電機、記憶永磁電機、機械變磁通永磁同步電機等多種調磁電機，并進行了深入的研究，取得了豐碩的成果[6]。然而，現有的調磁電機存在調磁控制難度高、運行可靠性低、永磁體退磁風險及功率密度低等缺點。

論文所提出的新型機械變磁通軸向磁場永磁同步電機，由雙轉子單定子軸向磁場永磁同步電機和機械調磁裝置兩部分組成，彌補了傳統電機永磁用量多、運行可靠性低等缺點，在完全無勵磁功率損耗的基礎上實現電機高效率和高功率密度。此類新型機械變磁通永磁同步電機具有結構簡單緊湊、磁力線集中和高轉矩密度，調磁控制簡單且弱磁能力強的優點，在恒功率驅動和恒壓發電等領域具有重要的應用價值。

1 電機基本結構及工作原理

1.1 電機基本結構

MVFAFPMSM所采用的軸向磁場永磁同步電機，呈扁平狀，結構簡單緊湊，如圖1所示。軸向磁場永磁同步電機采用單定子/雙轉子結構，又稱TOURS型結構，能有效地抑制單邊磁拉力現象。矩形永磁體呈周向排列表貼于轉子背軛內側；兩側永磁體相對應磁極極性相同。定子鐵心采用無槽結構，有利于抑制齒槽效應，減小轉矩波動，降低電機噪音和振動；環形電樞繞組采用集中繞組形式，以背繞方式纏繞于環形定子鐵心上，故其繞組端部較短，能有效減小端部繞組的電阻和功率損耗，有利于抑制電機的端部效應，提高電機效率。機械調磁裝置在左側轉子盤上。此處轉子盤即為MVFAFPMSM一側轉子，通過軸承與電機轉軸相裝配，可繞轉軸自由轉動。輪轂和電機另一側轉子同軸固定于電機轉軸上，可隨轉軸同步旋轉。為提高調磁裝置的運行可靠性，其采用雙凸輪結構。整個機械調磁裝置位于MVFAFPMSM外側。

圖1 電機整體結構Fig.1 Strcucture of MVFAFPMSM

1.2 電機工作原理

利用MVFAFPMSM的機械調磁裝置中凸輪的離心力和彈簧的反作用力推動連桿，可調節兩轉子間相對位置，實現機械自動調節功能。兩轉子錯開角度是機械調磁裝置的重要輸出參數，為電機本體與機械調磁裝置之間的唯一調節變量。圖2所示為機械調磁裝置工作機理示意圖。

圖2 機械調磁裝置的工作機理示意Fig.2 Operating mechanism diagram of mechanical device

根據機械調磁裝置的工作機理，可將MVFAFPMSM的運行狀態分為兩個階段，即：基速以下(基本工作狀態)和基速以上(弱磁狀態)。

1)基本工作狀態：此狀態下，凸輪離心力不足以克服彈簧拉力及摩擦力，機械調磁裝置無動作，未起角度調節作用(即α=0)，此時電機相當于一臺雙氣隙型軸向電機。

根據電磁感應定律，電樞繞組線圈兩側有效導體切割磁力線，產生大小和方向均相同的感應電動勢E，且在一個電周期內正反交替有規律變化，呈正弦分布[7]。此時每個線圈端部的感應電動勢e可表示為

e=2NE=2NBglvc。

(1)

式中：N為線圈匝數；Bg為軸向氣隙磁密；l為切割導體的有效長度；vc為有效導體的平均圓周線速度，可由公式(2)計算得到

(2)

式中，ω為電機旋轉角速度，Rin為電機定子內半徑。綜合公式(1)和(2)，可得

(3)

2)弱磁狀態：此狀態時，凸輪在離心力、彈簧拉力及摩擦力作用下推動連桿運動，迫使電機兩轉子間錯開一定的機械角度α(即α≠0)。對于不同的電機轉速，機械裝置將在不同的位置達到平衡，轉子間錯開的角度也發生變化。機械角度的錯開使兩側永磁磁動勢之間存在一定的相位差αe，其與機械角度的關系如下：

αe=pα。

(4)

式中，p為電機極對數。電機兩側永磁體對稱分布，故兩側軸向氣隙磁密Bg大小相等，但在弱磁狀態下氣隙磁密在空間上存在相應的相位差，且與兩側永磁磁動勢間的相位差相同。因此，兩側有效導體將感應出大小相等，相位差為αe電角度的電動勢E，如圖3所示。此時，每個線圈端部的感應電動勢e′ 可表示為

(5)

根據電機學原理[8]，電機在工作時，電樞繞組中將產生感應電動勢。結合圖3，可知線圈兩側感應電動勢間的電角度αe只能在區間(0°，180°)內變化；而此電機為8對極電機，即兩轉子間錯開的機械角度α的變化區間為(0°，22.5°)。綜上所述，MVFAFPMSM每相電樞繞組的感應電動勢表達式如下所示：

(6)

式中，mc為電機每相繞組的串聯線圈數；ω0為電機的基速(為1 800 r/min，即ω0=60π)。由式(6)可知，轉子間錯開角度α是電機實現機、電、磁三者耦合的關鍵參數。若電機的機械調磁裝置設計合理，在基速以上保持ωcos(pα/2)的值恒定， MVFAFPMSM即能實現弱磁控制，也可在寬轉速范圍內實現恒壓輸出和恒功率運行。

圖3 繞組感應電動勢矢量圖Fig.3 Vector diagram of EMF

1.3 電機主要參數

機械變磁通軸向磁場永磁同步電機主要設計參數如表1所示。

表1 MVFAFPMSM主要尺寸

2 電機特性有限元分析

2.1 電機有限元模型

將利用Solidworks建立的電機三維模型導入至Maxwell 3D中，通過定義電機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進行網格剖分等步驟。根據模型的對稱性，僅對電機四分之一模型進行仿真。圖4所示為電機本體四分之一模型的網格剖分圖。

圖4 電機網格剖分Fig.4 Mesh generation of machine

2.2 磁場分布

采用Maxwell軟件對電機進行有限元分析，不考慮渦流和磁滯作用，同時忽略電機電樞反應和電樞繞組端部的影響，MVFAFPMSM內的磁場可簡化為三維靜態磁場來分析。圖5為電機四分之一結構模型時所對應的空載三維磁密云圖。圖5(a)為轉子磁密云圖。無論電機運行在基速以下還是基速以上，兩側轉子磁密分布不隨轉子錯開角度的變化而變化。圖5(b)為電機運行于基速以下即兩轉子間未錯開角度時的定子鐵心磁密云圖。此時，由表貼在兩轉子盤上的永磁體產生電機主磁通，通過氣隙進入定子鐵心中，兩側磁通進行矢量合成。由于兩側轉子盤上的永磁體完全對稱，定子鐵心面向兩轉子內側的磁密云圖則同樣具有高度對稱性，此時，定子鐵心內的合成磁通達到峰值，鐵心中間層的磁通密度最小。

圖5(c)為定子鐵心在轉子錯開位置時的磁密云圖。相對于對齊位置，由于機械調整裝置的作用使轉子盤旋轉，兩轉子之間產生相對位移，此時相應永磁體之間錯開一定角度。根據最小磁阻原理，靠近定子鐵心外表面兩側的磁通密度最大，由外向內逐漸減小，中間部分磁通密度最小[9]。與對齊位置不同，此時定子兩側的磁通密度不再對稱。由于僅兩轉子錯開角度，而其它參數不變，故轉子錯開后磁通回路的磁阻不變，且永磁體產生的總磁通與氣隙磁通密度均不會發生變化。然而兩轉子間的角位移將相應減少定子鐵心中的合成磁通，實現了對電機的弱磁。

3 電磁特性分析

3.1 氣隙磁密

電機主磁路由氣隙、定轉子鐵心等構成，氣隙磁通由表貼在轉子盤上的永磁體產生，電機內磁場呈軸向分布[10]。由于該電機為雙轉子結構，故有兩個氣隙，為方便分析，定義機械調磁裝置所在轉子盤為左側，另一側為右側。圖6(a)所示為轉子對齊位置時電機左側空載氣隙磁密分布圖。電機內的氣隙磁密幅值相等，左右兩側氣隙磁密波形呈周期性有規律對稱分布，且諧波含量少。圖6(b)給出了轉子錯開15°時左側氣隙的空載氣隙磁密分布圖。當轉子錯開位置時，氣隙磁密的幅值不會發生變化，電機右側氣隙磁密不會發生變化，分布與相對位置時一致，而電機左側的氣隙磁密波形偏移了一定角度。此時，兩側氣隙磁密產生一個相位角，線圈有效邊切割磁場產生的感應電動勢也將相應地產生一個相位角，通過矢量合成后可對電機產生弱磁效果。

圖5 磁密云圖分布Fig.5 Flux density distribution in stator

3.2 繞組磁鏈及空載反電勢

MVFAFPMSM采用集中繞組，電機旋轉時繞組有效邊切割磁力線，在定子中形成兩條磁通回路。定子采用無槽鐵心結構，可有效降低諧波畸變率，提高電機繞組磁鏈的正弦度。

圖6 氣隙磁密分布圖Fig.6 Distribution of airgap flux density

利用傅里葉變換對繞組磁鏈進行諧波分析。圖7為A相繞組磁鏈的各次諧波分量柱狀圖，經計算分析，在電機處于1 800 r/min的工況下，電機繞組磁鏈的基波含量為0.036 7 Wb。分析表明，MVFAFPMSM繞組磁鏈諧波含量較少，有利于提高電機電樞繞組磁鏈的正弦度。

圖7 諧波分量柱狀圖Fig.7 Histogram of harmonic

圖8(a)所示為電機在基速時三相繞組磁鏈波形。在基速以下時，三相繞組磁鏈的波形對稱性好，周期隨轉速的上升而變小。圖8(b)為電機運行在3 000 r/min時三相繞組磁鏈波形圖。此時，電機進入弱磁控制階段，繞組磁鏈周期縮短為2.5ms，峰值較對齊位置時有顯著降低，弱磁效果明顯。

圖8 不同轉速下三相繞組磁鏈波形Fig. 8 Three phase coil flux linkage waveforms at different rotating speed

圖9為電機不同轉速下反電勢波形圖。當電機工作在基速下時，電機轉子處于對齊位置，隨著電機轉速的升高，反電勢幅值也隨之增大，呈線性上升關系，且在1 800 r/min時，反電勢達到最大，如圖9(a)所示。當電機轉速超過1 800 r/min時，兩轉子開始錯開角度，電機進入弱磁控制環節，繞組感應電動勢的峰值并沒有增加，而與基速(1 800 r/min)時相等，約為50 V左右，可實現了穩壓的效果，如圖9(b)所示。

3.3 電感特性

繞組電感是電機電磁性能的重要指標之一。計算電機電感包括以下幾類：1)電樞繞組電感；2)勵磁繞組電感；3)電樞繞組和勵磁繞組之間的互感。由于MVFAFPMSM利用機械裝置進行調磁，電機無勵磁繞組。圖10(a)和圖10(b)分別給出了MVFAFPMSM的三相電樞繞組自感和互感，從圖中電樞電感的波形可知，電樞自感和電樞互感均具有較好的對稱性，不同相位的自感和互感波動較小，幅值也相差不大。

圖9 不同轉速下反電勢波形Fig.9 Three phase EMF waveforms at different rotating speed

圖10 電機三相繞組自感與互感Fig.10 Induction waveforms of three phase windings

表2給出了電樞繞組電感均值。

表2 電樞繞組電感均值

4 樣機與測試平臺

根據上述電機基本結構參數，制作了一臺試驗樣機，用以驗證機械調磁的可行性，如圖11所示。

圖11 樣機實物圖Fig. 11 Physical map of phototype

圖12所示為搭建得樣機試驗測試平臺。通過原動機驅動MVFAFPMSM電機，展開其發電實驗研究，測試其空載反電勢。圖13和圖14所示為電機在不同轉速下A相繞組的空載感應電動勢有限元仿真波形和試驗波形。由于盤式電機制造工藝、材料屬性及工況環境的局限性，在電機裝配過程中兩側氣隙長度難以控制，最終導致測試結果會發生輕微偏移，使兩者結果之間存在一定的誤差。由圖13可知，電機在1 800 r/min時，A相感應電動勢的仿真波形峰值約為50.4 V，試驗波形峰值約為49.5 V，兩者相差甚小；同理，3 000 r/min的仿真值與試驗值也較接近，誤差較小，表明樣機的設計研制較為合理。

圖12 樣機實驗測試平臺Fig.12 Prototype experimental test platform

對比圖13和圖14中可知，相對于電機工作在1 800 r/min時的感應電動勢波形，轉速為3 000 r/min時得波形有明顯變化，這是由于電機在3 000 r/min時，機械調磁裝置迫使兩轉子錯開了一定角度，改變了電機內部的磁場分布，從而導致感應電動勢中的諧波含量有所增加，波形正弦度降低；而在1 800 r/min時，電機兩轉子處于對齊位置，工作磁場中諧波含量較少，感應電動勢波形的正弦度較高。

5 電機調磁特性

圖15所示為樣機空載運行于3 000 r/min時機械調磁能力的試驗結果，N和Y分別表示電機在無和采用機械調磁裝置情況下的感應電動勢試驗波形。與有限元仿真波形對比可知，樣機試驗結果與仿真數據大致相同，誤差在允許范圍內，驗證了機械調磁理念的可行性和仿真研究的正確性。

圖14 A相空載感應電動勢仿真與試驗波形(轉速為3 000 r/min)Fig.14 Simulation and experimental waveforms of A phase EMF (operating at 3 000 r/min)

圖15 機械弱磁能力試驗結果Fig.15 Result of flux weakening ability test

表3所示為繞組磁鏈與錯開角度的數值關系表。

表3 繞組磁鏈與錯開角度的數值關系表

從表中可知，電機弱磁程度隨兩轉子盤錯開角度的增加近似線性增大。當錯開角度為20°時，弱磁效果可達到84%。當錯開角度達到360°/16=22.5°時，理論上弱磁效果可以達到百分之百。上述研究結果表明，此類電機僅通過附加在轉盤外側的機械調整裝置，調節兩轉子間錯開角度即可改變電機內部的磁場分布及電磁特性，降低電機的相感應電動勢，達到弱磁效果；當兩轉子錯開角度越大，弱磁效果越明顯。

6 總結

本文通過建立MVFAFPMSM的有限元結構模型，計算了電機的靜態磁場的分布規律，獲得了氣隙磁密和電磁特性，制作了一臺樣機驗證電機設計的可行性，獲得了以下結論：

1)機械調磁裝置可隨電機轉速變化產生有規律運動，不同的轉子錯開角度，無需額外控制裝置，可靠性高。

2)電機在基速以下時，機構無弱磁作用，電機以較大轉矩運行；基速以上時，電機進入弱磁階段，能實現寬范圍恒功率運行和穩壓輸出。

3)弱磁效果明顯。在轉子錯開角度達到20°時，弱磁效果約為84%。在恒壓發電及恒功率寬轉速范圍驅動領域具有廣闊的應用前景。

[1] 王鳳翔． 永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展趨向[J]．電工技術學報，2012，27(3)：12-24． WANG Fengxiang. Application and development tendency of PM machine in wind power generation system [J]. Transations of China Electrotechnical Society,2012,27(3):12-24.

[2] CHAU K T,JIANG J Z,Liu C H,et al. A new efficient permanent-magnet vernier machine for wind power generation [J]. IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(6):1475-1478.

[3] 劉細平，鄭愛華，王晨.雙定子混合勵磁同步發電機電磁設計分析與實驗研究[J].電機與控制學報，2012,16(7)：23-28. LIU Xiping,ZHENG Aihua,WANG Chen. Electromagnetic design analysis and experiment of a dual-stator hybrid excitation synchronous generator [J]. Electric Machines and Control,2012,16(7):23-28.

[4] CAO W P,MECRO B C,ATKINSON G J,et al. Overview of electric motor technologies used for more electric aircraft (MEA) [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(9):3523-3531.

[5] CHEN Y，ZHU Z Q，HOWE D．Three-dimensional lumped-parameter magnetic circuit analysis of single-phase flux-switching permanent-magnet motor [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(6)：1701-1710.

[6] ZHU Z Q．永磁電機研究的新進展[J]．電工技術學報，2012，27(3)：1-11． ZHU Z Q. Recent advances on permanent magnet machines [J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(3):1-11.

[7] 劉細平，林鶴云，楊成峰．新型雙定子混合勵磁風力發電機三維有限元分析及實驗研究[J]．中國電機工程學報，2008，28(20)：142-146． LIU Xiping,LIN Heyun,YANG Chengfeng. 3-D FEA and experiment study of novel dual-stator hybrid excited wind generator [J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(20):142-146.

[8] 湯蘊璆，史乃．電機學[M]．北京：機械工業出版社，2011．

[9] FABIO G C,GIULIO D D,FEDERICO C．Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48(6)：2120-2205．

[10] 劉細平，鄭愛華，王晨.定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機三維有限元分析預實驗研究[J].電工技術學報，2012,27(10)：106-113. LIU Xiping,ZHENG Aihua,WANG Chen. 3-D finite element analysis and experiment study of stator-separated axial flux-switching hybrid excitation synchronous machine [J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(10):106-113.

(編輯：劉素菊)

Analysis of a mechanical axial variable flux permanent magnet synchronous machine

LIU Xi-ping1， ZHONG Qing-wei1， XIE Qing-hua1， HUANG Yue-fei2

(1.School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

For overcoming the low reliability and difficultly of flux-adjusting for the traditional variable-flux permanent magnet machine above the basic speed,a variable-flux axial field permanent magnet synchronous machine (MVFAFPMSM) with additional mechanical device is proposed. The magnetic field distribution of MVFAFPMSM operating at different speeds was analysed by finite element method. Some electromagnetic characteristics including air-gap flux density,flux linkage,EMF at no-load,and winding inductance,etc.at different speeds were investigated by establishing the 3-D finite element model of MVFAFPMSM. The analysis results show that MVFAFPMSM can run at the high torque without the action of the mechanism device,and it can operate at constant power over a wide range above base speed by the corresponding action of mechanical device. A good field control ability was obtained. The prototype machine and its system platform verify the validation of theoretical analysis.

mechanically variable-flux；permanent magnet synchronous machine；axial flux；electromagnetic characteristics；finite element analysis

2016-01-22

國家自然科學基金(51267006、51007033)；江西省科技計劃(20151BBE50109、20151442040049)；江西理工大學清江拔尖人才項目；江西省研究生創新專項基金項目(YC2015-S282)

劉細平(1976—)，男，博士，教授，研究生導師，研究方向為稀土永磁電機設計、風力發電及其相關控制； 鐘清偉(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為稀土永磁電機設計與控制； 謝清華(1991—)，男，碩士，研究方向為稀土永磁電機設計及機電聯合仿真分析； 黃躍飛(1975—)，男，碩士，研究方向為機械動力學仿真。

鐘清偉

10.15938/j.emc.2017.06.004

TM 315

A

1007-449X(2017)06-0026-08