一種帶自動弱磁裝置的混合式轉子永磁同步電機設計與研究

（江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000）

隨著環境和能源問題日益嚴峻，永磁電機行業對高效率、高功率密度和寬恒轉矩輸出范圍的要求也在不斷提高[1-2]。永磁同步電動機的轉子結構一般多為表貼式和內置式。表貼式永磁同步電動機具有動態響應快、轉矩脈動小等優點，但其功率密度低、弱磁性能差。內置式永磁同步電機具有高效、高轉矩密度、過載能力強等優點，但漏磁和轉矩波動較大。因此，專家學者們針對表貼式永磁同步電動機和內置式永磁同步電動機的優點，提出了一種混合轉子結構永磁同步電動機[3]，并對其進行了深入的研究[4-5]。

傳統的永磁同步電動機內部磁場調節困難，運行過程中永磁體容易退磁，限制了其進一步發展和應用[6-7]。近年來，為了解決傳統永磁同步電動機恒功率范圍窄、轉速范圍有限的問題，專家學者們提出了變磁通永磁同步電動機[8-10]。變磁通永磁同步電機調節磁通的方式可分為三種：直接調磁式、混合勵磁式和機械調磁式。機械式變磁通電機[11-12]通過附加的機械裝置來調節內部磁場，以達到弱磁擴速的效果，在變速驅動和工業制造方面得到了廣泛的應用。主要調整形式有調整轉子、調整氣隙、漏磁式和離心式。轉子調整式機械變磁通電機[13-14]主要通過機械裝置改變轉子或永磁體的位置，以實現弱磁效果但永磁體的利用率較低。氣隙調整式機械變磁通電機[15]通過改變軸向電機氣隙長度來實現氣隙磁鏈的調整，可靠性差。漏磁式機械變磁通電機[16]通過機械裝置與永磁體接觸來改變磁路并降低主磁通。離心式機械變磁通電機[17]通過調節不同轉速下的離心力大小來調整永磁體和定子線圈的重疊區域，以達到削弱磁通的目的。

結合離心式機械裝置簡單可靠與混合式轉子永磁同步電機高效高功率密度的優點，提出了一種帶自動弱磁裝置的混合式轉子結構永磁同步電機。本文詳細闡述和分析了永磁同步電機的設計和機械調磁裝置的弱磁原理。研究結果表明，該電機能夠較為準確地控制弱磁效果，且經過弱磁后，電機恒轉矩區域變化較為明顯。本文為新能源汽車驅動和風力發電等領域的應用提供了一定的理論參考。

1 整體模型

1.1 混合式轉子永磁同步電機結構

混合式轉子永磁同步電機定子與傳統結構相同，轉子磁極由表貼式永磁體和內置式永磁體組成，如圖1所示。每極下有3個徑向充磁的永磁體，相鄰的表貼式永磁體和內置式永磁體在每相下形成1個串聯回路。需要說明的是，表貼式永磁體是輔助磁極，它的特殊形狀可以幫助優化反電動勢波形，提高電機的轉矩性能。內置式永磁體作為主磁極，是電機勵磁的主要來源。與傳統的永磁同步電動機相比，混合式轉子永磁同步電機可以降低漏磁，全面提高電機的性能。

圖1 混合式轉子永磁同步電機拓撲結構Fig.1 Topology structure of hybrid rotor-structure PMSM

電機部分參數如下：額定功率1 kW，定子槽數48，轉子極數 8，額定轉速 750 r∕min，定子外徑269.24mm，轉子內徑110.64mm，氣隙長度0.5～1mm，每槽導體數7，繞組連接方式Y。

1.2 機械裝置結構

混合式轉子永磁同步電機機械調磁裝置主要由轉盤、滑塊、齒輪和連桿組成，結構如圖2所示。該裝置安裝在轉軸上，通過連桿與圓形內置永磁體連接，轉盤與轉子同步轉動，電機整體裝配圖如圖3所示。彈簧分別與滑塊和轉盤連接，以限制滑塊的運動。當滑塊所受離心力大小發生變化時，滑塊沿滑槽徑向滑動，使推動兩側齒輪轉動時的徑向離心力轉化為切向力。該裝置無需外力驅動，整個弱磁過程僅由滑塊所受的離心力驅動滑塊完成。該機械裝置制造簡單，調磁效果較好，可靠性高。

圖2 機械調磁裝置結構Fig.2 The structure of the mechanical flux-adjusting device

圖3 電機整體裝配圖Fig.3 The explosion view of the motor

2 工作原理

2.1 電機工作原理

混合式轉子永磁同步電機的工作原理是通過機械裝置調整圓形內置永磁體的旋轉角度來改變磁極的磁化方向，從而改變合成磁勢的大小，如圖4所示。磁鏈隨內置永磁體旋轉角度的變化而變化，通過調整氣隙磁場的強度來達到弱磁擴速的效果。

圖4 電機工作原理Fig.4 The principle of motor operation

圖5 永磁體磁化方向Fig.5 The magnetization direction of permanent magnet

利用Clark變換和Park變換將三相靜止坐標系轉換為兩相旋轉坐標系，從而得到d軸的磁鏈如下式所示：

式中：Ψd為d軸磁鏈；Ψq為q軸磁鏈；id為d軸等效電流；iq為q軸等效電流；Ψpm為永磁磁鏈的幅值。

當電機在基速下運行時，定子電壓方程如下：

式中：Ra為電樞繞組電阻；ωr為轉子電角速度。

當電機運行在基速以上時，磁通量大小隨永磁體旋轉角度而改變，直角坐標系下電機的定子電壓方程可以表示為

式中：θ為永磁體的旋轉角。

2.2 調磁裝置工作原理

滑塊在機械調磁裝置中的相對位置由離心力Fc和彈簧反作用力Fs決定。

由下式可知，滑塊的離心力Fc與轉盤的角速度ω、滑塊的質量m以及滑塊質心與轉軸的距離r有關。不同轉速下滑塊與齒輪的相對位置不同，滑塊所受離心力大小取決于電機轉速。

電機運行時有3種狀態：基速以下、基速和基速以上。為了更好地解釋機械調磁裝置運行的原理，假設調磁過程發生在理想狀態下?；瑝K只受離心力和彈簧反作用力的作用，忽略了滑塊、齒輪和轉盤之間的摩擦力。圖6為機械調磁裝置在不同狀態下的運行情況。

圖6 機械調磁裝置運行情況Fig.6 The operation of mechanical flux-adjusting device

當電機運行在基速以下時，如圖6a所示。轉盤勻速旋轉，滑塊的離心力等于彈簧反作用力，方向相反，此時彈簧變形程度最小，滑塊受力平衡，幾乎不發生位移。

當電機以基速運行時，如圖6b所示。當電機從低速升高至基速時，滑塊的離心力增大，受力不平衡，滑塊沿滑槽向外滑動，直至與齒輪接觸，但不產生使齒輪旋轉的切向力。

當電機在基速以上的情況下運行時，如圖6c所示。此時，作用在滑塊上的離心力變大，彈簧形變程度較高，滑塊所受離心力大于彈簧的反作用力，迫使滑塊推動兩側齒輪轉動，齒輪通過連桿帶動圓形內置永磁體轉動，左側齒輪逆時針轉動，右側齒輪順時針轉動，永磁體合成磁動勢的方向不變。當轉速從基速降到基速以下時，彈簧反作用力大于離心力，滑塊沿滑槽向轉盤中心滑動，左側齒輪順時針轉動，右側齒輪逆時針轉動。當滑塊移回至圖6b的位置時，內置圓形永磁體的磁化方向回到初始位置，此時合成磁動勢達到最大值。

3 機械動力學分析

3.1 虛擬樣機模型

機械裝置隨轉子同步旋轉而產生的離心力是實現混合式轉子永磁同步電機調磁的關鍵。機械動力學仿真主要是分析機械調磁裝置在不同轉速下的運行特性和調磁過程中齒輪的旋轉角度，以此驗證該裝置對電機內部磁場的調節能力。

機械調磁裝置中各部件的材料首先必須滿足非導磁和強抗形變的要求。模型所用材料為奧氏體不銹鋼，具有耐高溫腐蝕、抗變形能力強、無導磁性等優點。密度為7.93×10-6kg∕mm3，楊氏模量為200 Gpa。

ADAMS軟件可通過導入的機械裝置模型自動計算重量、質心和轉動慣量等參數。通過在不同組件之間添加自由度約束來確定組件的相對位置關系和運動方式。調磁裝置組件之間的約束關系如表1所示。

表1 調磁裝置組件約束關系Tab.1 The constraint relationship between the components of the flux-adjusting device

3.2 仿真結果分析

仿真采用加速驅動的方式求取機械調磁裝置在不同轉速下的運動特性。虛擬樣機轉速與加速度的關系如圖7所示。

圖7 虛擬樣機轉速與加速度關系圖Fig.7 The relationship between acceleration and speed of virtual prototype

圖7中，0～1 s時，虛擬樣機模型以49 600 r∕min2的加速度穩定加速至 825 r∕min；而 1～2 s時，以-49 600 r∕min2的加速度穩定減速至0。當帶有自動弱磁裝置的永磁同步電機在不同轉速下運行時，可以計算出永磁同步電機的旋轉角。

當轉盤轉速從基速（750 r∕min）以下增加至基速以上（825 r∕min）時，滑塊開始與齒輪嚙合。然而由于物體的慣性，齒輪的旋轉角度會有輕微的波動。在1 s時轉盤達到最大轉速，齒輪由連桿帶動圓形內置式永磁體旋轉30°，此時轉盤轉速為825 r∕min。1 s后，隨著轉盤轉速的降低，滑塊所受離心力減小，齒輪的旋轉角度從30°恢復至0°的初始位置，如圖8所示。

圖8 齒輪旋轉角度Fig.8 The auto-rotation angle of the gear

4 有限元仿真分析

4.1 磁場分布

混合式轉子永磁同步電機同時包含表貼永磁體和內置永磁體，根據麥克斯韋方程進行分析，瞬態磁場的定解問題描述如下：

在ANSYS Maxwell中建立有限元模型并進行瞬態仿真計算，得到同標尺下的磁場分布圖如圖9所示。電機在基速下運行時，磁場分布如圖9a所示，定子鐵心中的磁通密度較高，漏磁小。當電機在基速以上運行時，磁場分布如圖9b所示。定子鐵心中磁通密度較低，漏磁較大，轉子鐵心磁通密度趨于飽和。

圖9 電機磁場分布圖Fig.9 Magnetic field distribution diagram of machine

由于圓形內置永磁體通過機械調磁裝置旋轉了30°，磁化方向發生改變。d軸磁通隨著磁阻和漏磁的增大而減小，直接改變了電機內部磁場的分布，達到弱磁的效果。

4.2 繞組磁鏈

計算電機在兩種不同運行速度下的繞組磁鏈，結果如圖10所示。當內置永磁體旋轉30°（825 r∕min）時，繞組磁鏈的峰值有較明顯的降低。與初始狀態（750 r∕min）相比，繞組磁鏈的峰值降低了16.7%。

圖10 混合式轉子永磁同步電機磁鏈曲線Fig.10 The flux linkage curves of hybrid rotor-structure PMSM

4.3 氣隙磁密

氣隙磁場的分布不僅影響電機的能量轉換，還直接影響感應電動勢的波形。進一步研究氣隙磁密與轉子位置角在不同速度下的關系，結果如圖11所示。當電機在基速750 r∕min運行時，氣隙磁密波形類正弦度較高，氣隙磁密峰值為0.84 T。當電機在基速以上（825 r∕min）運行時，氣隙磁密波形發生畸變，峰值降到0.60 T。機械裝置帶動圓形內置永磁體旋轉，d軸磁阻增加，使氣隙磁密幅值降低。氣隙磁密的幅值會隨著旋轉角度的增加而減小，由于磁化方向的改變，隔磁橋的作用減弱，磁極之間的漏磁增加。

圖11 氣隙磁密分布Fig.11 The distribution of airgap flux density

4.4 反電勢波形

圖12為電機在不同運行狀態下的反電勢波形。由圖12可知，當電機運行在永磁體旋轉0°（750 r∕min）時，磁通量最大，反電勢峰值為29.4 V，反電動勢與速度成正比，速度比等于反電動勢比；當電機運行在永磁體旋轉 30°（825 r∕min）時，磁通量最小，反電勢峰值為21.2 V，合成磁鏈相位與反電勢波形隨圓形內置永磁體磁化方向的變化而變化。分析結果表明，通過機械式磁通調節裝置改變圓形內置永磁體的旋轉角度，可以有效地調節電機的內部磁場。

圖12 反電勢波形Fig.12 Back EMF waveforms

4.5 弱磁能力

以單相磁鏈為指標，計算了電機在內置永磁體不同旋轉角度下的弱磁能力，結果如表2所示。由表2可知，隨著永磁體旋轉角度的增加，弱磁能力增大。當旋轉角度超過90°時，氣隙磁場畸變嚴重，弱磁能力較低。

表2 旋轉角度與弱磁能力關系Tab.2 Relationship between rotation angle and weakening rate

為了滿足高速、高效率的要求，轉矩-轉速特性被認為是永磁電機的1個關鍵特性。在基速時采用最大轉矩電流比控制混合式轉子永磁同步電機來獲得最大轉矩。當電機的轉速超過基速時，由于電動勢恒定，必須削弱氣隙磁場。電機轉速—轉矩對比如圖13所示。圖13表明，當機械調磁裝置未啟動時，轉矩更大但恒轉矩區域有限。當圓形永磁體旋轉一定角度時，恒轉矩區域明顯增加。

圖13 轉速—轉矩對比Fig.13 Comparison chart of torque—speed

5 結論

為了解決永磁同步電機恒功率范圍窄的問題，本文提出了一種帶有機械調磁裝置的混合式轉子永磁同步電機。通過對調磁原理的分析、動力學仿真和有限元分析計算，得出以下結論：

1）機械調磁裝置可在不同轉速下自動調節圓形內置式永磁體的旋轉角度。通過動力學仿真，得到了齒輪旋轉角度與時間的關系，驗證了機械調磁裝置的可行性。

2）帶有機械調磁裝置的混合式轉子永磁同步電機具有良好的弱磁性能。對電機在不同運行狀態下的電磁特性進行了分析，得到了弱磁能力與旋轉角度的關系。