新型機(jī)械軸向變磁通永磁同步電機(jī)分析研究

劉細(xì)平， 鐘清偉， 謝清華， 黃躍飛

(1. 江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000：2. 江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

新型機(jī)械軸向變磁通永磁同步電機(jī)分析研究

劉細(xì)平1， 鐘清偉1， 謝清華1， 黃躍飛2

(1. 江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000：2. 江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

為解決傳統(tǒng)變磁通永磁電機(jī)在基速以上運(yùn)行可靠性差和調(diào)磁困難的問(wèn)題，提出一種附加機(jī)械調(diào)磁裝置的新型軸向變磁通永磁同步電機(jī)。采用有限元法對(duì)電機(jī)運(yùn)行于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析，建立軸向變磁通永磁同步電機(jī)三維有限元仿真模型，獲得了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下氣隙磁密、繞組磁鏈及空載反電勢(shì)、電感等電磁特性。分析結(jié)果表明：在基速以下時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置不動(dòng)作，該電機(jī)能以大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；在基速以上時(shí)，機(jī)械裝置相應(yīng)動(dòng)作，電機(jī)可在寬范圍恒功率運(yùn)行，調(diào)磁效果較好。通過(guò)制作樣機(jī)和構(gòu)建電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)的有效性。

機(jī)械變磁通；永磁同步電機(jī)；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(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速的線性增加與電機(jī)調(diào)速范圍要求較寬[1-3]，以及在新能源發(fā)電場(chǎng)合中存在能源隨機(jī)性強(qiáng)、用戶對(duì)電能的質(zhì)量要求較高的矛盾[4-5]，有規(guī)律地調(diào)節(jié)電機(jī)工作磁場(chǎng)強(qiáng)弱成為重要方法之一。為隨機(jī)發(fā)電場(chǎng)合的寬范圍穩(wěn)壓發(fā)電及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效變速運(yùn)行提供技術(shù)支持，探求有效調(diào)節(jié)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的方式成為電機(jī)領(lǐng)域的研究新熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的不懈努力，提出了多種解決方案，如混合勵(lì)磁電機(jī)、記憶永磁電機(jī)、機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)等多種調(diào)磁電機(jī)，并進(jìn)行了深入的研究，取得了豐碩的成果[6]。然而，現(xiàn)有的調(diào)磁電機(jī)存在調(diào)磁控制難度高、運(yùn)行可靠性低、永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)及功率密度低等缺點(diǎn)。

論文所提出的新型機(jī)械變磁通軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)，由雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)和機(jī)械調(diào)磁裝置兩部分組成，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電機(jī)永磁用量多、運(yùn)行可靠性低等缺點(diǎn)，在完全無(wú)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。此類新型機(jī)械變磁通永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、磁力線集中和高轉(zhuǎn)矩密度，調(diào)磁控制簡(jiǎn)單且弱磁能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在恒功率驅(qū)動(dòng)和恒壓發(fā)電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

MVFAFPMSM所采用的軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)，呈扁平狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，如圖1所示。軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)采用單定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，又稱TOURS型結(jié)構(gòu)，能有效地抑制單邊磁拉力現(xiàn)象。矩形永磁體呈周向排列表貼于轉(zhuǎn)子背軛內(nèi)側(cè)；兩側(cè)永磁體相對(duì)應(yīng)磁極極性相同。定子鐵心采用無(wú)槽結(jié)構(gòu)，有利于抑制齒槽效應(yīng)，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，降低電機(jī)噪音和振動(dòng)；環(huán)形電樞繞組采用集中繞組形式，以背繞方式纏繞于環(huán)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(jī)的端部效應(yīng)，提高電機(jī)效率。機(jī)械調(diào)磁裝置在左側(cè)轉(zhuǎn)子盤上。此處轉(zhuǎn)子盤即為MVFAFPMSM一側(cè)轉(zhuǎn)子，通過(guò)軸承與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相裝配，可繞轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。輪轂和電機(jī)另一側(cè)轉(zhuǎn)子同軸固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，可隨轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)。為提高調(diào)磁裝置的運(yùn)行可靠性，其采用雙凸輪結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)械調(diào)磁裝置位于MVFAFPMSM外側(cè)。

圖1 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Strcucture of MVFAFPMSM

1.2 電機(jī)工作原理

利用MVFAFPMSM的機(jī)械調(diào)磁裝置中凸輪的離心力和彈簧的反作用力推動(dòng)連桿，可調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子間相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。兩轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度是機(jī)械調(diào)磁裝置的重要輸出參數(shù)，為電機(jī)本體與機(jī)械調(diào)磁裝置之間的唯一調(diào)節(jié)變量。圖2所示為機(jī)械調(diào)磁裝置工作機(jī)理示意圖。

圖2 機(jī)械調(diào)磁裝置的工作機(jī)理示意Fig.2 Operating mechanism diagram of mechanical device

根據(jù)機(jī)械調(diào)磁裝置的工作機(jī)理，可將MVFAFPMSM的運(yùn)行狀態(tài)分為兩個(gè)階段，即：基速以下(基本工作狀態(tài))和基速以上(弱磁狀態(tài))。

1)基本工作狀態(tài)：此狀態(tài)下，凸輪離心力不足以克服彈簧拉力及摩擦力，機(jī)械調(diào)磁裝置無(wú)動(dòng)作，未起角度調(diào)節(jié)作用(即α=0)，此時(shí)電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)雙氣隙型軸向電機(jī)。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞繞組線圈兩側(cè)有效導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生大小和方向均相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，且在一個(gè)電周期內(nèi)正反交替有規(guī)律變化，呈正弦分布[7]。此時(shí)每個(gè)線圈端部的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e可表示為

e=2NE=2NBglvc。

(1)

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

(2)

式中，ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，Rin為電機(jī)定子內(nèi)半徑。綜合公式(1)和(2)，可得

(3)

2)弱磁狀態(tài)：此狀態(tài)時(shí)，凸輪在離心力、彈簧拉力及摩擦力作用下推動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，迫使電機(jī)兩轉(zhuǎn)子間錯(cuò)開一定的機(jī)械角度α(即α≠0)。對(duì)于不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，機(jī)械裝置將在不同的位置達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)子間錯(cuò)開的角度也發(fā)生變化。機(jī)械角度的錯(cuò)開使兩側(cè)永磁磁動(dòng)勢(shì)之間存在一定的相位差αe，其與機(jī)械角度的關(guān)系如下：

αe=pα。

(4)

式中，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。電機(jī)兩側(cè)永磁體對(duì)稱分布，故兩側(cè)軸向氣隙磁密Bg大小相等，但在弱磁狀態(tài)下氣隙磁密在空間上存在相應(yīng)的相位差，且與兩側(cè)永磁磁動(dòng)勢(shì)間的相位差相同。因此，兩側(cè)有效導(dǎo)體將感應(yīng)出大小相等，相位差為αe電角度的電動(dòng)勢(shì)E，如圖3所示。此時(shí)，每個(gè)線圈端部的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e′ 可表示為

(5)

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理[8]，電機(jī)在工作時(shí)，電樞繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。結(jié)合圖3，可知線圈兩側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)間的電角度αe只能在區(qū)間(0°，180°)內(nèi)變化；而此電機(jī)為8對(duì)極電機(jī)，即兩轉(zhuǎn)子間錯(cuò)開的機(jī)械角度α的變化區(qū)間為(0°，22.5°)。綜上所述，MVFAFPMSM每相電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式如下所示：

(6)

式中，mc為電機(jī)每相繞組的串聯(lián)線圈數(shù)；ω0為電機(jī)的基速(為1 800 r/min，即ω0=60π)。由式(6)可知，轉(zhuǎn)子間錯(cuò)開角度α是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、磁三者耦合的關(guān)鍵參數(shù)。若電機(jī)的機(jī)械調(diào)磁裝置設(shè)計(jì)合理，在基速以上保持ωcos(pα/2)的值恒定， MVFAFPMSM即能實(shí)現(xiàn)弱磁控制，也可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒壓輸出和恒功率運(yùn)行。

圖3 繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)矢量圖Fig.3 Vector diagram of EMF

1.3 電機(jī)主要參數(shù)

機(jī)械變磁通軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 MVFAFPMSM主要尺寸

2 電機(jī)特性有限元分析

2.1 電機(jī)有限元模型

將利用Solidworks建立的電機(jī)三維模型導(dǎo)入至Maxwell 3D中，通過(guò)定義電機(jī)各部分材料和邊界條件，施加激勵(lì)源和進(jìn)行網(wǎng)格剖分等步驟。根據(jù)模型的對(duì)稱性，僅對(duì)電機(jī)四分之一模型進(jìn)行仿真。圖4所示為電機(jī)本體四分之一模型的網(wǎng)格剖分圖。

圖4 電機(jī)網(wǎng)格剖分Fig.4 Mesh generation of machine

2.2 磁場(chǎng)分布

采用Maxwell軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，不考慮渦流和磁滯作用，同時(shí)忽略電機(jī)電樞反應(yīng)和電樞繞組端部的影響，MVFAFPMSM內(nèi)的磁場(chǎng)可簡(jiǎn)化為三維靜態(tài)磁場(chǎng)來(lái)分析。圖5為電機(jī)四分之一結(jié)構(gòu)模型時(shí)所對(duì)應(yīng)的空載三維磁密云圖。圖5(a)為轉(zhuǎn)子磁密云圖。無(wú)論電機(jī)運(yùn)行在基速以下還是基速以上，兩側(cè)轉(zhuǎn)子磁密分布不隨轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度的變化而變化。圖5(b)為電機(jī)運(yùn)行于基速以下即兩轉(zhuǎn)子間未錯(cuò)開角度時(shí)的定子鐵心磁密云圖。此時(shí)，由表貼在兩轉(zhuǎn)子盤上的永磁體產(chǎn)生電機(jī)主磁通，通過(guò)氣隙進(jìn)入定子鐵心中，兩側(cè)磁通進(jìn)行矢量合成。由于兩側(cè)轉(zhuǎn)子盤上的永磁體完全對(duì)稱，定子鐵心面向兩轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的磁密云圖則同樣具有高度對(duì)稱性，此時(shí)，定子鐵心內(nèi)的合成磁通達(dá)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(zhuǎn)子錯(cuò)開位置時(shí)的磁密云圖。相對(duì)于對(duì)齊位置，由于機(jī)械調(diào)整裝置的作用使轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)，兩轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相對(duì)位移，此時(shí)相應(yīng)永磁體之間錯(cuò)開一定角度。根據(jù)最小磁阻原理，靠近定子鐵心外表面兩側(cè)的磁通密度最大，由外向內(nèi)逐漸減小，中間部分磁通密度最小[9]。與對(duì)齊位置不同，此時(shí)定子兩側(cè)的磁通密度不再對(duì)稱。由于僅兩轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度，而其它參數(shù)不變，故轉(zhuǎn)子錯(cuò)開后磁通回路的磁阻不變，且永磁體產(chǎn)生的總磁通與氣隙磁通密度均不會(huì)發(fā)生變化。然而兩轉(zhuǎn)子間的角位移將相應(yīng)減少定子鐵心中的合成磁通，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的弱磁。

3 電磁特性分析

3.1 氣隙磁密

電機(jī)主磁路由氣隙、定轉(zhuǎn)子鐵心等構(gòu)成，氣隙磁通由表貼在轉(zhuǎn)子盤上的永磁體產(chǎn)生，電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)呈軸向分布[10]。由于該電機(jī)為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，故有兩個(gè)氣隙，為方便分析，定義機(jī)械調(diào)磁裝置所在轉(zhuǎn)子盤為左側(cè)，另一側(cè)為右側(cè)。圖6(a)所示為轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置時(shí)電機(jī)左側(cè)空載氣隙磁密分布圖。電機(jī)內(nèi)的氣隙磁密幅值相等，左右兩側(cè)氣隙磁密波形呈周期性有規(guī)律對(duì)稱分布，且諧波含量少。圖6(b)給出了轉(zhuǎn)子錯(cuò)開15°時(shí)左側(cè)氣隙的空載氣隙磁密分布圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子錯(cuò)開位置時(shí)，氣隙磁密的幅值不會(huì)發(fā)生變化，電機(jī)右側(cè)氣隙磁密不會(huì)發(fā)生變化，分布與相對(duì)位置時(shí)一致，而電機(jī)左側(cè)的氣隙磁密波形偏移了一定角度。此時(shí)，兩側(cè)氣隙磁密產(chǎn)生一個(gè)相位角，線圈有效邊切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也將相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)相位角，通過(guò)矢量合成后可對(duì)電機(jī)產(chǎn)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(shì)

MVFAFPMSM采用集中繞組，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(wú)槽鐵心結(jié)構(gòu)，可有效降低諧波畸變率，提高電機(jī)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(duì)繞組磁鏈進(jìn)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(jīng)計(jì)算分析，在電機(jī)處于1 800 r/min的工況下，電機(jī)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(jī)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(jī)在基速時(shí)三相繞組磁鏈波形。在基速以下時(shí)，三相繞組磁鏈的波形對(duì)稱性好，周期隨轉(zhuǎn)速的上升而變小。圖8(b)為電機(jī)運(yùn)行在3 000 r/min時(shí)三相繞組磁鏈波形圖。此時(shí)，電機(jī)進(jìn)入弱磁控制階段，繞組磁鏈周期縮短為2.5ms，峰值較對(duì)齊位置時(shí)有顯著降低，弱磁效果明顯。

圖8 不同轉(zhuǎn)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(jī)不同轉(zhuǎn)速下反電勢(shì)波形圖。當(dāng)電機(jī)工作在基速下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于對(duì)齊位置，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)幅值也隨之增大，呈線性上升關(guān)系，且在1 800 r/min時(shí)，反電勢(shì)達(dá)到最大，如圖9(a)所示。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)1 800 r/min時(shí)，兩轉(zhuǎn)子開始錯(cuò)開角度，電機(jī)進(jìn)入弱磁控制環(huán)節(jié)，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值并沒有增加，而與基速(1 800 r/min)時(shí)相等，約為50 V左右，可實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的效果，如圖9(b)所示。

3.3 電感特性

繞組電感是電機(jī)電磁性能的重要指標(biāo)之一。計(jì)算電機(jī)電感包括以下幾類：1)電樞繞組電感；2)勵(lì)磁繞組電感；3)電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感。由于MVFAFPMSM利用機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)磁，電機(jī)無(wú)勵(lì)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(duì)稱性，不同相位的自感和互感波動(dòng)較小，幅值也相差不大。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下反電勢(shì)波形Fig.9 Three phase EMF waveforms at different rotating speed

圖10 電機(jī)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(jī)與測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)上述電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)，用以驗(yàn)證機(jī)械調(diào)磁的可行性，如圖11所示。

圖11 樣機(jī)實(shí)物圖Fig. 11 Physical map of phototype

圖12所示為搭建得樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVFAFPMSM電機(jī)，展開其發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試其空載反電勢(shì)。圖13和圖14所示為電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下A相繞組的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有限元仿真波形和試驗(yàn)波形。由于盤式電機(jī)制造工藝、材料屬性及工況環(huán)境的局限性，在電機(jī)裝配過(guò)程中兩側(cè)氣隙長(zhǎng)度難以控制，最終導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果會(huì)發(fā)生輕微偏移，使兩者結(jié)果之間存在一定的誤差。由圖13可知，電機(jī)在1 800 r/min時(shí)，A相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的仿真波形峰值約為50.4 V，試驗(yàn)波形峰值約為49.5 V，兩者相差甚?。煌?，3 000 r/min的仿真值與試驗(yàn)值也較接近，誤差較小，表明樣機(jī)的設(shè)計(jì)研制較為合理。

圖12 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Prototype experimental test platform

對(duì)比圖13和圖14中可知，相對(duì)于電機(jī)工作在1 800 r/min時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)得波形有明顯變化，這是由于電機(jī)在3 000 r/min時(shí)，機(jī)械調(diào)磁裝置迫使兩轉(zhuǎn)子錯(cuò)開了一定角度，改變了電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，從而導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的諧波含量有所增加，波形正弦度降低；而在1 800 r/min時(shí)，電機(jī)兩轉(zhuǎn)子處于對(duì)齊位置，工作磁場(chǎng)中諧波含量較少，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度較高。

5 電機(jī)調(diào)磁特性

圖15所示為樣機(jī)空載運(yùn)行于3 000 r/min時(shí)機(jī)械調(diào)磁能力的試驗(yàn)結(jié)果，N和Y分別表示電機(jī)在無(wú)和采用機(jī)械調(diào)磁裝置情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)波形。與有限元仿真波形對(duì)比可知，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)大致相同，誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了機(jī)械調(diào)磁理念的可行性和仿真研究的正確性。

圖14 A相空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仿真與試驗(yàn)波形(轉(zhuǎn)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(jī)械弱磁能力試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Result of flux weakening ability test

表3所示為繞組磁鏈與錯(cuò)開角度的數(shù)值關(guān)系表。

表3 繞組磁鏈與錯(cuò)開角度的數(shù)值關(guān)系表

從表中可知，電機(jī)弱磁程度隨兩轉(zhuǎn)子盤錯(cuò)開角度的增加近似線性增大。當(dāng)錯(cuò)開角度為20°時(shí)，弱磁效果可達(dá)到84%。當(dāng)錯(cuò)開角度達(dá)到360°/16=22.5°時(shí)，理論上弱磁效果可以達(dá)到百分之百。上述研究結(jié)果表明，此類電機(jī)僅通過(guò)附加在轉(zhuǎn)盤外側(cè)的機(jī)械調(diào)整裝置，調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子間錯(cuò)開角度即可改變電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布及電磁特性，降低電機(jī)的相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，達(dá)到弱磁效果；當(dāng)兩轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度越大，弱磁效果越明顯。

6 總結(jié)

本文通過(guò)建立MVFAFPMSM的有限元結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算了電機(jī)的靜態(tài)磁場(chǎng)的分布規(guī)律，獲得了氣隙磁密和電磁特性，制作了一臺(tái)樣機(jī)驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性，獲得了以下結(jié)論：

1)機(jī)械調(diào)磁裝置可隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，不同的轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度，無(wú)需額外控制裝置，可靠性高。

2)電機(jī)在基速以下時(shí)，機(jī)構(gòu)無(wú)弱磁作用，電機(jī)以較大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；基速以上時(shí)，電機(jī)進(jìn)入弱磁階段，能實(shí)現(xiàn)寬范圍恒功率運(yùn)行和穩(wěn)壓輸出。

3)弱磁效果明顯。在轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角度達(dá)到20°時(shí)，弱磁效果約為84%。在恒壓發(fā)電及恒功率寬轉(zhuǎn)速范圍驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(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(guó)家自然科學(xué)基金(51267006、51007033)；江西省科技計(jì)劃(20151BBE50109、20151442040049)；江西理工大學(xué)清江拔尖人才項(xiàng)目；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(YC2015-S282)

劉細(xì)平(1976—)，男，博士，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄⊥劣来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)控制； 鐘清偉(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄⊥劣来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)與控制； 謝清華(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)橄⊥劣来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)及機(jī)電聯(lián)合仿真分析； 黃躍飛(1975—)，男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真。

鐘清偉

10.15938/j.emc.2017.06.004

TM 315

A

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