混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能分析

夏永洪 蔣華勝 儀軒杏 黃劭剛 張景明

摘?要：混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)作為一種新型永磁電機(jī)，同時(shí)具備永磁同步電動(dòng)機(jī)高功率密度和高效率的優(yōu)點(diǎn)，以及電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)易于調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。提出了一種混合磁極式的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，推導(dǎo)了該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到了混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量軌跡，詳細(xì)分析了其低速和高速弱磁運(yùn)行性能?；谟邢拊ǎ?jì)算了混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)低速和高速運(yùn)行時(shí)的定子磁鏈、功率因數(shù)，以及速度—轉(zhuǎn)矩特性。結(jié)果表明：在低速運(yùn)行時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)保持了永磁同步電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)矩和高功率因數(shù);在高速弱磁運(yùn)行時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)定子電流和勵(lì)磁電流，擴(kuò)大了其弱磁范圍以及提高了其帶負(fù)載的能力。研制了永磁同步電動(dòng)機(jī)和混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)2臺(tái)樣機(jī)，對(duì)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁能力，以及2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的低速性能和高速性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁;同步電動(dòng)機(jī);永磁電機(jī);調(diào)速性能

DOI：10.15938/j.emc.2019.11.012

中圖分類號(hào)：TM?351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）11-0092-08

收稿日期：?2018-05-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51367013）;江西省自然科學(xué)基金（20161BAB206125）;江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20161BBE50054）;江西省杰出青年人才計(jì)劃（20162BCB23011）;南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)（CX2017192）

作者簡(jiǎn)介：夏永洪（1978-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

蔣華勝（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

儀軒杏（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

黃劭剛（1948—），男，碩士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

張景明（1972—），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。

通信作者：張景明

Analysis?of?speed?adjustment?performance?of?hybrid?excited?synchronous?motor

XIA?Yonghong，?JIANG?Huasheng，?YI?Xuanxing，?HUANG?Shaogang，?ZHANG?Jingming

（School?of?Information?Engineering，Nanchang?University，Nanchang，330031，China）

Abstract：

As?a?new?type?of?permanent?magnet?motor，hybrid?excitation?synchronous?motor（HESM）?not?only?has?advantages?of?high?power?density?and?high?efficiency?of?permanent?magnet?synchronous?motor，but?also?has?the?advantage?of?easily?adjusting?the?air?gap?magnetic?field?of?an?electric?excitation?synchronous?motor.An?HESM?with?hybrid?magnetic?pole?was?proposed.The?HESM?mathematical?model?was?deduced?to?obtain?stator?current?vector?track，and?the?lowspeed?performance?and?highspeed?fieldweakening?performance?was?analyzed?in?detail.Based?on?the?finite?element?method，the?low?speed?and?high?speed?performance?including?stator?flux，power?factor?and?speedtorque?characteristics?were?calculated.The?results?show?that?the?HESM?retains?the?high?torque?and?high?power?factor?of?permanent?magnet?synchronous?motors?at?low?speeds，and?obtains?wide?fieldweakening?range?and?stronger?carrying?capacity?by?adjusting?the?excitation?current?at?high?speeds.Two?prototypes?including?permanent?magnet?synchronous?motor?and?HESM?were?developed，and?both?of?the?low?speed?performance?and?high?speed?performance?and?the?magnetic?field?adjustment?capability?of?HESM?were?tested，which?verify?the?correctness?of?the?theoretical?analysis.

Keywords：hybrid?excitation;synchronous?motor;permanent?magnet?machine;speed?performance

0?引?言

普通永磁同步電動(dòng)機(jī)因具有體積小、效率高以及功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，受到了許多專家學(xué)者的青睞，目前關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的研究較多[1-2]。然而，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在基速以上運(yùn)行時(shí)，需要增加直軸去磁電流進(jìn)行弱磁。由于永磁體磁導(dǎo)率接近于空氣的磁導(dǎo)率，為了獲得更寬的調(diào)速范圍，弱磁擴(kuò)速時(shí)需要輸入很大的直軸去磁電流，從而降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出以及運(yùn)行效率，甚至可能引起永磁體永久退磁。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)存在的這一缺陷在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。

混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)作為一種新型永磁電機(jī)[3-4]，其內(nèi)部同時(shí)存在2種磁動(dòng)勢(shì)源，以永磁體產(chǎn)生的磁通為主，電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁通為輔。永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為電機(jī)功率輸出的主要部分，充分保持了永磁同步電動(dòng)機(jī)高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度和高效率的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，引入電勵(lì)磁繞組，可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)了永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)的不足，同時(shí)拓寬了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍。因此，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便、調(diào)速范圍寬和全速度范圍功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在新能源電動(dòng)汽車等寬調(diào)速范圍領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)外存在的混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)樣式繁多，并聯(lián)磁勢(shì)式混合勵(lì)磁同步電機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性而被廣泛研究。文獻(xiàn)[7-8]提出的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜以及存在附加氣隙等?；旌蟿?lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[9]，弱磁能力較強(qiáng)，但作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、弱磁性能良好以及高效率的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。

為此，提出一種混合磁極式的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以看作是將傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的部分永磁磁極換成鐵磁磁極，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)磁范圍寬，以及高效率等特點(diǎn)。首先推導(dǎo)該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析其低速和高速弱磁運(yùn)行性能。建立混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)有限元模型，仿真計(jì)算其低速和高速運(yùn)行性能。最后，研制永磁同步電動(dòng)機(jī)和混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，測(cè)試其調(diào)磁能力，以及低速和高速性能，以驗(yàn)證理論分析的正確性。

1?數(shù)學(xué)模型

為了便于研究混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的性能，采用dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，且不考慮直、交軸電感之間的交叉飽和。以轉(zhuǎn)子磁極中心線為d軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電角度90°作為q軸。其中，三相電流到dq坐標(biāo)系電流通過功率不變約束變換得到[10]，根據(jù)Clark變換和Park變換得到dq坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈的數(shù)學(xué)方程。

電壓方程為：

ud=dψddt-ωψq+R1id。（1）

uq=dψqdt+ωψd+R1iq。（2）

uf=dψfdt+Rfif。（3）

磁鏈方程為：

ψd=Ldid+ψf。（4）

ψq=Lqiq。（5）

ψf=Lmfif+ψpm。（6）

式中：ud、uq為電樞電壓的直、交軸分量;id、iq分別為定子電流is的直、交軸分量;Ld、Lq分別為直、交軸電感;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度;R1、Rf分別為電樞繞組、勵(lì)磁繞組的電阻;ψd、ψq為定子磁鏈ψs的直、交軸分量;ψf為電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的定子磁鏈;Lmfif、ψpm分別為勵(lì)磁繞組和永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

根據(jù)式（4）和式（5），可得dq軸同步電感的計(jì)算公式為：

Ld=ψd-ψfid。（7）

Lq=ψqiq。（8）

根據(jù)式（6），可得電勵(lì)磁繞組與電樞繞組d軸的互感系數(shù)為

Lmf=ψf-ψpmif。（9）

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=piq[ψpm+Lmfif+（Ld-Lq）id]。（10）

電磁功率方程為

Pem=TeΩ=ωψfiq+ω（Ld-Lq）idiq。（11）

式中：p是電機(jī)基波極對(duì)數(shù)。

由式（10）可知，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可分為3部分：永磁勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩、電勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。在iq不變時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩與id成比例關(guān)系，永磁勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩保持不變，電勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩可以通過勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2?調(diào)速性能分析

2.1?低速性能分析

為了充分利用dq軸磁阻不等引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體也采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，并參考內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略，以提高低速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和運(yùn)行效率。

對(duì)于永磁體內(nèi)置式的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，其電流極限圓的計(jì)算公式相同，而混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓極限橢圓可在永磁同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上通過考慮電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)得到，如下式所示：

[Ldid+（Lmfif+ψpm）]2+（Lqiq）2=（Ulimω）2。（12）

由式（12）可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電壓極限橢圓與速度成反比縮小。如圖1所示，由于受q軸磁路飽和的影響，橢圓在q軸方向發(fā)生畸變，且不同的勵(lì)磁電流所對(duì)應(yīng)的電壓極限橢圓不同。

由式（6）、式（10）和式（12）可得電磁轉(zhuǎn)矩與電流矢量角的關(guān)系，其最大轉(zhuǎn)矩電流比方程為

[id+Lmfif+ψpm2（Lq-Ld）]2-i2q=[Lmfif+ψpm2（Lq-Ld）]2。（13）

則最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的電流軌跡為：

id=

-（Lmfif+ψpm）+（Lmfif+ψpm）2+4（Ld-Lq）2i2q2（Ld-Lq）。（14）

iq=Tep[ψpm+Lmfif+（Ld-Lq）id]。（15）

由以上分析可得混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時(shí)的定子電流矢量軌跡，如圖1所示。

對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，因轉(zhuǎn)子永磁磁動(dòng)勢(shì)恒定不變，其最大轉(zhuǎn)矩電流比軌跡為一條固定的曲線。由式（13）可知，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時(shí)，其軌跡隨著勵(lì)磁電流的增大逐漸向d軸偏轉(zhuǎn)。相對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)節(jié)更加靈活，除調(diào)節(jié)電樞電流之外，還能通過增大勵(lì)磁電流提高電磁轉(zhuǎn)矩，保證低速運(yùn)行時(shí)的大轉(zhuǎn)矩輸出。

2.2?高速性能分析

由于受逆變器容量和電動(dòng)機(jī)額定電壓的限制，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行弱磁控制。為了提高混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)高速弱磁運(yùn)行的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，可通過控制勵(lì)磁電流以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。當(dāng)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)采用功率因數(shù)為1的弱磁控制策略時(shí)[11]，則：

ψdiq+ψqid=0。（16）

將式（4）、式（5）代入式（16），得到混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為1的電流矢量軌跡方程為

（ψf2Ld+id）2+Lqi2qLd=（ψf2Ld）2。（17）

混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁鏈可通過勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，其功率因數(shù)為1的運(yùn)行區(qū)域位于最大勵(lì)磁磁鏈和最小勵(lì)磁磁鏈所對(duì)應(yīng)的橢圓曲線之間。同時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在高速弱磁運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)始終保持為1，電磁功率保持最大值。但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過某一轉(zhuǎn)折速度之后，其電流極限圓上的點(diǎn)將超出電壓極限橢圓的范圍，需對(duì)其采用最大輸出功率控制。

混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)最大輸出功率控制時(shí)的直、交軸電流方程為：

id=-ψpm+LmfifLd+i″d。（18）

iq=（Ulim/ω）2-（Ldi″d）2Lq。（19）

其中，i″d=ρψf-（ρψf）2+8（ρ-1）2（Ulim/ω）24（ρ-1）Ld，

ρ=Lq/Ld為混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極率。

根據(jù)上面的推導(dǎo)，可得混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在全速度范圍內(nèi)的定子電流矢量軌跡，如圖2所示。

將混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量軌跡分為4段對(duì)其控制性能進(jìn)行分析：

第Ⅰ段：最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。為了滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略以提高轉(zhuǎn)矩輸出，運(yùn)行軌跡如圖2中的OA段。

第Ⅱ段：普通弱磁階段。當(dāng)定子電流到達(dá)極限值時(shí)，增大直軸去磁電流，減小交軸電流進(jìn)行弱磁，該階段保持勵(lì)磁電流不變，如圖2中的AB段。

第Ⅲ段：cosφ=1弱磁控制階段。當(dāng)繼續(xù)增加直軸去磁電流，運(yùn)行軌跡進(jìn)入功率因數(shù)為1的電流區(qū)域，同時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使功率因數(shù)保持為1，相應(yīng)的輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩得到提高，運(yùn)行軌跡如圖2中的BC段。

第IV段：最大輸出功率控制階段。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過某一轉(zhuǎn)折速度之后，若保持定子電流大小不變，電流極限圓上的點(diǎn)將會(huì)超出電壓極限橢圓的范圍，需要控制定子電流以實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。同時(shí)最大功率控制曲線將隨著勵(lì)磁電流的減小不斷移動(dòng)，其軌跡如圖2中的CD段。

3?調(diào)速性能仿真

為了驗(yàn)證混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，采用有限元法針對(duì)一臺(tái)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的低速性能和高速性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，其截面如圖3所示，主要參數(shù)如表1所示。

由圖3所示的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)截面可知，該電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)主要是通過改變勵(lì)磁電流，以調(diào)節(jié)電勵(lì)磁磁極對(duì)應(yīng)的氣隙磁密。圖4為轉(zhuǎn)速為6?000?r/min、勵(lì)磁電流為0.6?A以及定子電流為2.06?A時(shí)的磁力線和氣隙磁密波形。

3.1?低速性能仿真

混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，同時(shí)勵(lì)磁電流保持不變，定子電流矢量軌跡如圖2中OA段所示，定子電流隨著負(fù)載增加不斷增大，且與q軸電流夾角不斷增大。仿真計(jì)算時(shí)，通過調(diào)節(jié)q軸電流矢量與定子電流矢量的夾角，使定子電流相同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。低速運(yùn)行時(shí)，選取135.5?A作為定子額定電流幅值，同時(shí)勵(lì)磁電流保持為25?A，通過施加不同的定子電流得到了電磁轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)變化曲線，如圖5和圖6所示。表2給出了額定工況下混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的基本性能參數(shù)。

由圖5可知，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流變化近似為線性關(guān)系。此外，當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)保持在0.98以上。由此可見，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)低速時(shí)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略，可保持永磁同步電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩和高功率因數(shù)的特點(diǎn)。

3.2?高速性能仿真

由圖2所示的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量軌跡可知，其弱磁運(yùn)行包括普通弱磁階段（AB段）和cosφ=1弱磁階段（BC段）。仿真時(shí)，通過逐漸增大定子電流矢量與q軸電流矢量夾角（β角）以增大直軸去磁電流進(jìn)行高速弱磁。圖7為弱磁運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流變化曲線，圖8和圖9分別為弱磁運(yùn)行時(shí)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和定子磁鏈與β角的關(guān)系。

由圖7可知，在普通弱磁階段（32°≤β<40°），勵(lì)磁電流始終保持為25?A，在cosφ=1弱磁階段（40°≤β≤90°），勵(lì)磁電流開始不斷減小。因此，在弱磁運(yùn)行時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)可通過調(diào)節(jié)定子電流和勵(lì)磁電流共同弱磁，定子磁鏈變化范圍較大，故該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍更寬，易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，如圖8所示。在普通弱磁階段，隨著β的增大，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)逐漸增加至1。在cosφ=1弱磁階段，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使功率因數(shù)始終保持為1，如圖9所示。

為了把握弱磁時(shí)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的帶載能力，計(jì)算了在不同轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)所能提供的電磁轉(zhuǎn)矩。以普通永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為9?000?r/min時(shí)的電壓作為逆變器極限電壓的參考基準(zhǔn)，得到了混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)速度—轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖10所示。

由圖10可知，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁轉(zhuǎn)折速度為5?600?r/min。在弱磁運(yùn)行時(shí)，由于混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)可通過勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，所需直軸去磁電流較小，因此其電磁轉(zhuǎn)矩下降幅度較小，表明其具有更強(qiáng)的帶載能力。

4?樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，以及混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能，研制了永磁同步電動(dòng)機(jī)和混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)各1臺(tái)，2臺(tái)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，而混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是將V型永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一對(duì)永磁磁極換成電勵(lì)磁磁極，如圖3所示。圖11為混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子沖片。針對(duì)混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁能力，以及2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的低速性能和高速性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖12所示。

4.1?調(diào)磁性能測(cè)試

樣機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)的磁鏈，只能通過測(cè)試不同勵(lì)磁電流下的空載反電動(dòng)勢(shì)以測(cè)試其調(diào)磁能力。因此，將混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，用一臺(tái)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，同時(shí)借助變頻器使其轉(zhuǎn)速達(dá)到3?000?r/min，此時(shí)測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)即為額定轉(zhuǎn)速下的空載反電動(dòng)勢(shì)。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小得到了混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)的調(diào)磁特性曲線，如圖13所示。

由圖13可知，當(dāng)勵(lì)磁電流正向增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)隨著勵(lì)磁電流增大而增大，當(dāng)勵(lì)磁電流到達(dá)一定值時(shí)，鐵磁極磁路逐漸達(dá)到飽和，空載反電動(dòng)勢(shì)增長(zhǎng)幅度下降;當(dāng)勵(lì)磁電流反向增加時(shí)，空載反電動(dòng)勢(shì)迅速下降，可以看出該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，極大地拓寬了其弱磁運(yùn)行范圍。此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與有限元法仿真結(jié)果基本吻合。

4.2?低速性能測(cè)試

為了測(cè)試2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)行性能，調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)，使其工作在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)電渦流測(cè)功機(jī)以控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，從而可得最小電樞電流，如表3所示。

由表3可知，當(dāng)電樞電流相同時(shí)，2臺(tái)樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本相同，即其帶載能力基本相同。另外，有限元計(jì)算的電磁轉(zhuǎn)矩略高于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其原因是理論計(jì)算時(shí)沒有考慮電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩。另外，當(dāng)定子電流較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值也較小，使得有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差相對(duì)較大。

通過電動(dòng)機(jī)輸出功率與輸入功率的比得到了混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的效率，如圖14所示。

由圖14可知，當(dāng)定子電流值達(dá)到10?A時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的效率增加至92.6%以上，保持了永磁同步電動(dòng)機(jī)低速高效率的特點(diǎn)。

4.3?高速弱磁性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過程中采用調(diào)壓器降壓供電，使變頻器直流母線電壓保持所允許的最低電壓350?V。實(shí)驗(yàn)時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)直接通過變頻器施加直軸去磁電流進(jìn)行弱磁;混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)在進(jìn)入弱磁狀態(tài)后，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流進(jìn)行弱磁。表4為2臺(tái)樣機(jī)高速弱磁性能。

由表4可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過3?000?r/min時(shí)，變頻器輸出電壓隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。同時(shí)，在未進(jìn)入弱磁狀態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電樞電流較小，該部分電流主要是產(chǎn)生克服電機(jī)內(nèi)部機(jī)械摩擦的轉(zhuǎn)矩。在永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過4?800?r/min后，變頻器輸出電壓保持不變，定子電流迅速增大，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入弱磁狀態(tài)。而混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電樞電流變化較小，勵(lì)磁電流變化較大，處于逐漸減小的過程，如圖15所示。

此外，由表4可知，進(jìn)入弱磁運(yùn)行狀態(tài)后，永磁同步電動(dòng)機(jī)只能通過增大直軸去磁電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行弱磁，由于永磁體的磁阻較大，所需直軸去磁電流較大，而混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流方便地實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁，與理論分析相符，因此，與永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，該混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有更好的弱磁運(yùn)行性能。

由圖4所示的理論計(jì)算可知，由于勵(lì)磁電流較小，使得電勵(lì)磁磁極對(duì)應(yīng)的氣隙磁密較小，造成氣隙磁密空間分布不均勻。然而，對(duì)于以相繞組為單元的混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)而言，三相定子電流波形仍然是對(duì)稱的，如圖16所示。因此，氣隙磁密的不均勻分布，不會(huì)對(duì)電機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和定子電流產(chǎn)生影響。

5?結(jié)?論

圍繞混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能進(jìn)行了研究，通過對(duì)其低速性能和高速性能的理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)與永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的比較，結(jié)果表明：在低速運(yùn)行時(shí)，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)保持了永磁同步電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)矩、高效率和高功率因數(shù);在高速弱磁運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有更寬的弱磁范圍以及更強(qiáng)的帶載能力，更適合用于調(diào)速范圍要求更寬的場(chǎng)合。

參?考?文?獻(xiàn)：

[1]?白玉成，唐小琦，吳功平.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（9）：?54.

BAI?Yucheng，TANG?Xiaoqi，WU?Gongping.Speed?control?of?flux?weakening?on?interior?permanent?magnet?synchronous?motors[J].Transactions?of?China?Electrotechnical?Society，2011，26（9）：?54.

[2]?陳坤華，孫玉坤，吉敬華，等.內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制分段線性化研究[J]?.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（24）：?17.

CHEN?Kunhua，SUN?Yukun，JI?Jinghua，et?al.The?piecewise?linearization?research?of?interior?permanent?magnet?synchronous?motors?fieldweakening?control[J].Transactions?of?China?Electrotechnical?Society，2015，30（24）：?17.

[3]?趙朝會(huì)，秦海鷗，嚴(yán)仰光.混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]?.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006，10（2）：?113.

ZHAO?Chaohui，QIN?Haiou，YAN?Yangguang.Present?status?and?application?perspective?of?hybrid?excitation?synchronous?machine[J].Electric?Machines?and?Control，2006，10（2）：?113.

[4]?趙紀(jì)龍，林明耀，付興賀，等.混合勵(lì)磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)綜述和新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（33）：?5876.

ZHAO?Jilong，LIN?Mingyao，F(xiàn)U?Xinghe，et?al.An?overview?and?new?progress?of?hybrid?excited?synchronous?machines?and?control?technologies[J].Proceedings?of?the?CSEE，2014，34（33）：?5876.

[5]?KOSAKA?T，SRIDHARBABU?M?B，YAMAMOTO?M，et?al.Designstudies?on?hybrid?excitation?motor?for?main?spindle?drive?in?machine?tools[J].IEEE?Transactions?on?Industrial?Electronics，2010，57（11）：3807.

[6]?符榮.電動(dòng)客車永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)研究[D].西安：?西北工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]?AMARA?Y，VIDO?L，GABSI?M，et?al.Hybrid?excitation?synchronous?machines：energyefficient?solution?for?vehicles?propulsion[J].IEEE?Transactions?on?Vehicular?Technology，2009，58（5）：2137.

[8]?ZHANG?Z，DAI?J，DAI?C，et?al.Design?considerations?of?a?hybrid?excitation?synchronous?machine?with?magnetic?shunt?rotor[J].IEEE?Transactions?on?Magnetics，2013，49（11）：5566.

[9]?BENJAMIN?G，EMMANUEL?H，MICHEL?L，et?al.A?hybridexcited?fluxswitching?machine?for?highspeed?DCAlternator?applications[J].IEEE?Transactions?on?Industrial?Electronics，2014，61（6）：2976.

[10]?李崇堅(jiān).交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（第二版）[M].北京：?科學(xué)出版社，2013.

[11]?鄭軍洪.新型混合磁極永磁同步電機(jī)的研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2014.

（編輯：姜其鋒）