機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)發(fā)展綜述

劉細(xì)平， 章 超， 陳 棟， 王 敏， 徐 晨， 梁建偉， 汪 濤

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活多樣，且具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩和高效率的特點(diǎn)，非常適合于風(fēng)力發(fā)電和工業(yè)傳動(dòng)等應(yīng)用領(lǐng)域[1-3].然而，永磁同步電機(jī)存在磁場(chǎng)強(qiáng)度無法調(diào)節(jié)和永磁體退磁的缺點(diǎn)，制約了其進(jìn)一步發(fā)展[4-5].為解決上述問題，專家學(xué)者提出了變磁通永磁同步電機(jī)的概念，其為具有可變氣隙磁場(chǎng)的特種電機(jī)，并取得了較為豐富的研究成果[6-8].

機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)為一類通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的新型變磁通電機(jī).此類電機(jī)不同于混合勵(lì)磁電機(jī)[9]，僅借助合適的機(jī)械調(diào)整裝置即可方便靈活地調(diào)節(jié)磁通，完全打破了采用電勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)磁的思維模式[10-11].同時(shí)，可克服混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、勵(lì)磁損耗較大以及功率密度較低等缺點(diǎn)，并在一定程度上能緩解釹鐵硼等稀土永磁材料緊缺等問題.因此，開展新型機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的理論分析與試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[12-13].

文中給出機(jī)械變磁通永磁電機(jī)的基本特征，提出多種機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其磁通路徑和工作機(jī)理，總結(jié)機(jī)械變磁通永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向，為后續(xù)該領(lǐng)域研究奠定一定的理論基礎(chǔ).

1 機(jī)械變磁通永磁電機(jī)簡(jiǎn)述

機(jī)械調(diào)磁是指利用機(jī)械傳動(dòng)部件有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)弱，改變繞組合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、磁三者耦合的新型磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方式.機(jī)械變磁通永磁電機(jī)則為在保證電機(jī)效率較高的前提下，將機(jī)械傳動(dòng)部件與電機(jī)本體有機(jī)結(jié)合，利用機(jī)械調(diào)磁的原理實(shí)現(xiàn)寬范圍恒壓發(fā)電或恒功率調(diào)速驅(qū)動(dòng)的一類新型永磁同步電機(jī).

機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)工作流程如圖1所示.電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，迫使電機(jī)轉(zhuǎn)矩在恒功率運(yùn)行范圍內(nèi)下降；為使永磁同步電機(jī)在滿足最低轉(zhuǎn)矩要求的條件下保持寬速度范圍恒功率運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定大小時(shí)需要進(jìn)行弱磁控制；此時(shí)，與電機(jī)本體配套的機(jī)械同步裝置工作，對(duì)電機(jī)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過反饋給機(jī)械同步裝置的信號(hào)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)調(diào)整，改變調(diào)磁的程度，以保證電機(jī)恒功率區(qū)間的高速運(yùn)行.此類新型永磁電機(jī)普遍具有以下特點(diǎn)：①體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；②磁力線集中，轉(zhuǎn)矩密度高；③調(diào)磁靈活，調(diào)速范圍廣；④在保證寬調(diào)速范圍和高功率密度的前提下，效率較高.

圖1 機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)工作框圖

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)分類與工作原理

機(jī)械變磁通永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，按照電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)的方向可分為徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)；根據(jù)電機(jī)中使用的機(jī)械調(diào)整方式，有漏磁式、離心式、轉(zhuǎn)子調(diào)整式、氣隙調(diào)整式和定子調(diào)整式等機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī).

2.1 徑向磁場(chǎng)機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

2.1.1漏磁式

漏磁式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)又有添加短路塊調(diào)磁、添加短路環(huán)調(diào)磁及添加短路盤調(diào)磁三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

（1）添加短路塊調(diào)磁方式.日本大阪大學(xué)Lei Ma和 Sanada等[14]于 1999年第 34屆 IEEE工業(yè)應(yīng)用會(huì)議上提出一種通過添加短路塊產(chǎn)生漏磁磁路的機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2（a）為電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，此類電機(jī)采用嵌入磁鋼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子永磁體極間設(shè)置有充滿空氣的隔磁槽，轉(zhuǎn)子一側(cè)通過彈簧與和隔磁槽軸向位置相對(duì)應(yīng)的一對(duì)短路塊相連接.當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁通絕大部分進(jìn)入定子鐵心；電機(jī)弱磁時(shí)，在彈簧的作用下，短路塊在隔磁槽中的來回運(yùn)動(dòng)形成漏磁回路，可減少氣隙主磁通而達(dá)到弱磁目的，如圖2（b）所示，永磁體磁鏈隨著隔磁塊插入深度的增加呈線性減少，但是此類電機(jī)調(diào)磁效果一般，且短路塊需要在隔磁槽中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)才能改變此類電機(jī)的弱磁程度，對(duì)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)控制要求較高；同時(shí)，其轉(zhuǎn)子鐵心利用率也較低.

圖2 添加短路塊機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

（2）添加短路環(huán)調(diào)磁方式.英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Zhu ZQ教授[15]將磁通切換電機(jī)與變磁通電機(jī)技術(shù)結(jié)合，對(duì)添加短路環(huán)式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究.圖3（a）為電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，定子部分主要由“U”形單元定子鐵心、永磁體、電樞繞組和短路環(huán)等組成，永磁體交錯(cuò)分布在相鄰單元定子鐵心中間，電樞繞組周向橫跨在相鄰兩個(gè)“U”形單元定子鐵心齒上，定子鐵心外層有若干個(gè)導(dǎo)磁短路塊連接而成的短路環(huán).電機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子齒和轉(zhuǎn)子磁軛兩部分組成，均采用導(dǎo)磁材料.圖3（b）給出電機(jī)磁通路徑：永磁體-單元定子鐵心磁軛-單元定子鐵心齒-氣隙-轉(zhuǎn)子齒-轉(zhuǎn)子軛部-相鄰轉(zhuǎn)子齒-氣隙-相鄰單元定子鐵心齒-相鄰單元定子鐵心軛部-永磁體.圖3（c）為電機(jī)簡(jiǎn)化磁路圖，其中Fpm為永磁磁勢(shì)，Rpm為永磁磁阻 ，Rsy1和Rsy2為單元定子鐵心軛部磁阻，Rst1和Rst2表示單元定子鐵心齒部磁阻，Rδ1和 Rδ2為氣隙磁阻，Rrt1和 Rrt2為轉(zhuǎn)子齒部磁阻，Φδ表示氣隙磁通.

電機(jī)由磁通切換原理產(chǎn)生電勢(shì)，通過機(jī)械傳動(dòng)裝置將短路環(huán)旋轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，在電機(jī)定子鐵心外層形成漏磁回路，削弱電機(jī)主磁通.圖3（d）和（e）分別給出了12/10,12/13,12/14三種定子極數(shù)/轉(zhuǎn)子極數(shù)組合結(jié)構(gòu)下電機(jī)的磁通密度波形圖，當(dāng)短路環(huán)與定子鐵心處于對(duì)齊位置時(shí)，永磁磁通絕大部分為主磁通；當(dāng)短路環(huán)與定子鐵心錯(cuò)開位置，旋轉(zhuǎn)到永磁體上方時(shí)，部分永磁磁通在短路環(huán)中形成漏磁通，氣隙磁通密度下降明顯，該電機(jī)調(diào)磁效果良好.然而，“U”形單元定子鐵心制造工藝較復(fù)雜；此外，使用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難以將由短路模塊拼湊而成的短路環(huán)調(diào)整到所需的角度，影響電機(jī)的工作效率.

圖3 添加短路環(huán)機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

（3）添加短路盤調(diào)磁方式.2002年，日本Lei Ma和Sanada等[16]學(xué)者針對(duì)漏磁式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)的弱磁問題，提出了另一種漏磁式機(jī)械變磁通永磁電機(jī)的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示.此類電機(jī)通過添加短路圓盤以改變氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)弱，短路圓盤同軸安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè).電機(jī)正常工作時(shí)，短路盤遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子以避免發(fā)生漏磁；當(dāng)需要對(duì)電機(jī)弱磁控制時(shí)，可借助彈簧和鉸接樞紐等機(jī)械裝置，擠壓短路圓盤，使其靠近轉(zhuǎn)子而造成磁路短路，即一部分永磁磁通成為漏磁通，削弱氣隙主磁通.圖4（b）中分別給出了電機(jī)在低速和高速時(shí)A相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖，電機(jī)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速條件下通過調(diào)整短路圓盤與轉(zhuǎn)子鐵心之間的距離，可使電機(jī)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出恒定.但是，此類電機(jī)存在齒根處狹窄的“瓶頸效應(yīng)”和轉(zhuǎn)子散熱條件不好等問題，無法避免徑向電機(jī)所帶來的不足.

圖4 添加短路盤機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

2.1.2離心式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的寇寶泉教授[17-19]帶領(lǐng)的課題組提出了多種離心式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖5所示.電機(jī)在傳統(tǒng)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，于轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝有由兩同極性永磁體、空氣、鋁片、導(dǎo)磁材料以及不銹鋼組成的弱磁單元.電機(jī)在正常工作時(shí)，導(dǎo)磁材料受到離心力和永磁體間的斥力作用保持平衡；離心力隨著電機(jī)運(yùn)行速度的升高而 增大， 當(dāng)導(dǎo)磁 材料受 到的離 心力超 過永磁體間斥力 ，導(dǎo)磁 材料往 外移動(dòng) 逐漸遠(yuǎn) 離電機(jī) 軸.此時(shí)，漏磁 路的磁 阻逐漸 減小， 使氣隙 磁通減 少，削 弱了電機(jī)主 磁通.如圖5（b）所示， 電機(jī)內(nèi) 氣隙磁 場(chǎng)強(qiáng)度隨著同 極性永 磁體距 離的增 大近似 呈線性 增大，電機(jī) 調(diào)磁效 果較好.但是 ，此類 電機(jī)存 在鐵心利用率低 、轉(zhuǎn)子 機(jī)械強(qiáng) 度要求 高及永 磁體用 量較大等缺陷.

圖5 離心式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

2.1.3轉(zhuǎn)子調(diào)整式

Joong和Thahara等[20]學(xué)者提出了一種轉(zhuǎn)子調(diào)整式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，并注冊(cè)了美國(guó)專利，如圖6所示.圖6（a）為電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，定子部分主要由定子鐵心和電樞繞組構(gòu)成，三相電樞繞組軸向嵌入在定子槽中；電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子軸等組成，永磁體呈瓦片型切向分布于轉(zhuǎn)子鐵心的表面.圖6（b）給出的電機(jī)磁通路徑為：永磁體N極-氣隙-定子鐵心齒-定子鐵心軛部-相鄰定子鐵心齒-氣隙-相鄰永磁體S極.圖6（c）為轉(zhuǎn)子調(diào)整式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)化磁路圖，其中Fpm1、Rpm1分別為N極永磁體磁動(dòng)勢(shì)和永磁磁阻，F(xiàn)pm2、Rpm2分別為S極永磁體磁動(dòng)勢(shì)和永磁磁阻，Rr為轉(zhuǎn)子軛部磁阻.電機(jī)工作時(shí)，由永磁體產(chǎn)生氣隙主磁通，通過機(jī)械同步裝置可使對(duì)齊的永磁體錯(cuò)開一定角度，從而改變氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.當(dāng)相同極性的永磁體完全對(duì)齊時(shí)，電機(jī)氣隙磁密最大；對(duì)應(yīng)永磁體錯(cuò)開不同的角度，電機(jī)氣隙磁密也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變.但是，此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中永磁體用量相對(duì)較多，電機(jī)制造成本較高.此外，永磁體同軸緊密固定在轉(zhuǎn)子上，工作時(shí)永磁體也可能存在退磁的風(fēng)險(xiǎn).

圖6 轉(zhuǎn)子調(diào)整式機(jī)械變磁通徑向永磁電機(jī)

2.2 軸向磁場(chǎng)機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

2.2.1 氣隙調(diào)整式

Nakai和Hiramoto等[21]日本學(xué)者提出了一種軸向充磁氣隙調(diào)整式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)，如圖7所示.電機(jī)工作時(shí)，通過控制彈簧、鉸鏈和壓板等部件可在一定范圍內(nèi)改變電機(jī)氣隙長(zhǎng)度，對(duì)氣隙磁通進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，具有一定的調(diào)磁效果.但是，該種結(jié)構(gòu)的機(jī)械調(diào)整裝置較為復(fù)雜，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性.

2.2.2 定子錯(cuò)開式

（1）無定子鐵心結(jié)構(gòu).羅馬大學(xué)的Capponi[22]深入研究了KAMAN盤式永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種無定子鐵心式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)，如圖8所示.圖8（a）為電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，相反極性的永磁體對(duì)稱表貼于兩側(cè)轉(zhuǎn)子盤上.定子上無鐵心，僅由兩組平行放置的電樞繞組構(gòu)成，整個(gè)繞組用環(huán)氧樹脂封裝，電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)呈軸向分布.圖8（b）所示的電機(jī)磁通路徑為：永磁體N極-氣隙-另一側(cè)永磁體S極-轉(zhuǎn)子軛部-另一側(cè)永磁體N極-氣隙-相鄰永磁體S極-轉(zhuǎn)子軛部-永磁體N極.圖8（c）為電機(jī)簡(jiǎn)化磁路圖，電機(jī)工作時(shí)，由永磁體產(chǎn)生氣隙主磁通，錯(cuò)開對(duì)齊位置的定子部分，在電樞繞組中產(chǎn)生具有一定相位差的感應(yīng)電勢(shì)，導(dǎo)致合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之改變，達(dá)到弱磁調(diào)速的目的.圖8（d）給出了電機(jī)在600 r/min和2400 r/min的轉(zhuǎn)速下三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖，通過錯(cuò)開定子位置可使電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的反電勢(shì)仍保持在10 V左右，電機(jī)調(diào)磁效果明顯.由于定子部分位于兩側(cè)轉(zhuǎn)子之間，且該電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置自動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)速同步調(diào)整，需額外添加檢測(cè)電路對(duì)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行測(cè)定，反饋給機(jī)械裝置調(diào)整兩組電樞繞組之間的位置，該調(diào)磁方式較復(fù)雜，降低了電機(jī)效率.

圖7 氣隙調(diào)整式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)

圖8 無定子鐵心結(jié)構(gòu)

（2）有定子鐵心結(jié)構(gòu).在定子錯(cuò)開式結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，筆者補(bǔ)充一種設(shè)有定子鐵心結(jié)構(gòu)的機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī).圖9（a）為電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，此種電機(jī)采用雙定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，兩定子鐵心對(duì)稱分布于轉(zhuǎn)子兩側(cè)，永磁體對(duì)稱表貼于同一轉(zhuǎn)子盤兩側(cè).圖9（b）中給出的電機(jī)磁通路徑分為對(duì)稱的兩部分，單側(cè)的磁通路徑為：永磁體N極-氣隙-定子鐵心齒-定子鐵心軛部-相鄰定子齒-氣隙-相鄰永磁體 S極.圖9（c）為電機(jī)簡(jiǎn)化工作磁路圖，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，借助機(jī)械同步調(diào)整裝置使兩個(gè)定子鐵心錯(cuò)開一定的角度，可對(duì)電機(jī)產(chǎn)生弱磁作用.該機(jī)械變磁通永磁電機(jī)具有良好的調(diào)磁效果，但是，該結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)定子鐵心，不僅產(chǎn)生額外重量，而且兩側(cè)定子對(duì)應(yīng)的繞組端部需并接引出，當(dāng)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)定子時(shí)，造成不便.

圖9 有定子鐵心結(jié)構(gòu)

2.2.3 轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式

（1）定子開槽結(jié)構(gòu).羅馬大學(xué)的Del Ferraro和Caricchi等[23]學(xué)者還提出一種轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī).圖10為定子開槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī).圖10（a）為電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，其主要由兩盤式轉(zhuǎn)子、永磁體、電樞繞組、定子鐵心等組成；三相電樞繞組軸向纏繞在環(huán)形開槽鐵心上；電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子磁軛和永磁體兩部分組成，永磁體周向均勻分布在轉(zhuǎn)子磁軛表面.如圖10（b）所示，此電機(jī)為定子開槽型TORUS電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)呈軸向分布，兩個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)稱地分布在定子的兩側(cè)，可克服單邊磁拉力的現(xiàn)象.圖10（c）給出此類電機(jī)的簡(jiǎn)化磁路圖，永磁磁通經(jīng)兩層氣隙、環(huán)形定子鐵心、永磁體及轉(zhuǎn)子背軛形成閉合磁路，線圈匝鏈磁通為有效磁通.該電機(jī)單側(cè)簡(jiǎn)化磁路與有鐵心的定子錯(cuò)開式結(jié)構(gòu)電機(jī)相同，但此類電機(jī)的磁通在定子鐵心聚集，具有較高的效率.電機(jī)工作時(shí)，通過機(jī)械調(diào)整裝置使兩側(cè)轉(zhuǎn)子錯(cuò)開位置，可對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié).兩轉(zhuǎn)子完全對(duì)齊時(shí)，線圈匝鏈磁通最多；兩轉(zhuǎn)子錯(cuò)開不同角度時(shí)，線圈匝鏈磁通相應(yīng)減少.圖10（d）給出了A相電樞繞組的磁鏈變化波形圖，該電機(jī)弱磁程度隨兩側(cè)轉(zhuǎn)子盤錯(cuò)開角度的增加近似線性增大，當(dāng)錯(cuò)開角度達(dá)到360°/電機(jī)極數(shù)時(shí)，弱磁效果理論上可以達(dá)到百分之百.且電機(jī)為軸向結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了徑向電機(jī)的不足，磁通調(diào)節(jié)過程中，僅需調(diào)節(jié)兩個(gè)相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)子盤，無需改變電機(jī)氣隙長(zhǎng)度，操作簡(jiǎn)易可行.

圖10 定子開槽結(jié)構(gòu)

圖11 定子無槽結(jié)構(gòu)

（2）定子無槽結(jié)構(gòu).如圖11所示，此類電機(jī)是在保證具有良好的調(diào)磁效果條件下，通過優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)，將無槽軸向電機(jī)引入變磁通永磁電機(jī)中，形成無槽結(jié)構(gòu)機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī).相對(duì)于定子開槽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此類電機(jī)拓?fù)浯怕反抛栎^小，可有效降低漏磁系數(shù).無槽變磁通永磁同步電機(jī)不僅具有定子開槽結(jié)構(gòu)變磁通永磁電機(jī)調(diào)磁性能好及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，還可消除齒槽效應(yīng)，削弱諧波分量.此類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且擁有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小和噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適合實(shí)際工況條件下運(yùn)行.

3 綜合對(duì)比分析

同其他變磁通永磁電機(jī)相比，機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)有如下特點(diǎn)：

（1）機(jī)械變磁通永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁體用量相對(duì)較少，且目前多數(shù)電機(jī)本體研究較成熟，運(yùn)行可靠性高；

（2）除傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)可設(shè)計(jì)成機(jī)械變磁通永磁電機(jī)外，軸向磁場(chǎng)電機(jī)在該領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用前景；

（3）設(shè)計(jì)靈活多變，機(jī)械裝置即可設(shè)置在電機(jī)內(nèi)，也可設(shè)置在電機(jī)外，此外，根據(jù)適用場(chǎng)合需要也能設(shè)置在定子或者轉(zhuǎn)子上；

（4）此類電機(jī)無需調(diào)磁繞組，省略了相對(duì)復(fù)雜的勵(lì)磁控制算法，降低了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度；

（5）機(jī)械裝置根據(jù)電機(jī)反饋的信號(hào)對(duì)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，調(diào)磁效果明顯，且可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)雙向調(diào)節(jié).

在永磁體用量相同的情況下，綜合比較6種機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)特性.表1給出了漏磁式、離心式、轉(zhuǎn)子調(diào)整式、氣隙調(diào)整式、定子錯(cuò)開式和轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式6種機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)拓?fù)湓诼┐畔禂?shù)、調(diào)磁效果、效率、電機(jī)本體制造工藝和機(jī)械同步裝置等方面的定性比較分析.由分析可知，轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)具有調(diào)磁效果好、漏磁小、效率高和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

表1 各類機(jī)械變磁通軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)定性分析比較

軸向磁通電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，且其功率密度大及材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)均是徑向電機(jī)所不具備的[24-26].目前廣泛應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)、永磁電機(jī)和直流電機(jī)中的徑向磁通結(jié)構(gòu)均可設(shè)計(jì)成為軸向磁通電機(jī).將機(jī)械變磁通永磁電機(jī)與軸向磁場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開展機(jī)械變磁通軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)理論分析具有較大的研究?jī)r(jià)值.

4 結(jié)束語(yǔ)

文中給出了機(jī)械調(diào)磁的概念，對(duì)比幾類機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、等效磁路和工作原理.研究表明，轉(zhuǎn)子錯(cuò)開式機(jī)械變磁通軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單和綜合性能更優(yōu)，具有良好的實(shí)用價(jià)值.目前，機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)的研究尚處于起步階段，隨著對(duì)此類電機(jī)研究的不斷深入，仍需解決以下問題：

（1）研究此類電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)磁機(jī)理，特別是永磁電機(jī)本體與調(diào)磁裝置之間的協(xié)調(diào)控制上尋求新突破，探索兩者之間的協(xié)調(diào)控制規(guī)律；

（2）結(jié)合傳統(tǒng)磁路計(jì)算方法，建立電機(jī)數(shù)值分析模型,分析電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能及調(diào)磁能力，研究機(jī)械裝置雙向穩(wěn)定的調(diào)磁技術(shù)，提高電機(jī)效率；

（3）機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)將朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、永磁體用量少、磁路長(zhǎng)度短及機(jī)械調(diào)整裝置靈活可靠等方向發(fā)展，更為有效地解決永磁電機(jī)磁通調(diào)節(jié)困難的問題.

機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)作為一種新概念的變磁通永磁電機(jī)，在完全無勵(lì)磁功率損耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效率和高功率密度，將在恒壓發(fā)電、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

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