基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)弱磁性能研究

王 豫，李春艷

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

稀土永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度高、效率高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械、建材和軍工等行業(yè)中。但因其采用永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，一旦做成樣機(jī)，永磁體的磁性能基本不會(huì)發(fā)生改變，磁場(chǎng)固定而無(wú)法調(diào)節(jié)，因而永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速之后必須進(jìn)行弱磁控制[1-2]。

傳統(tǒng)的弱磁方法通過(guò)增加電機(jī)直軸去磁電流，通過(guò)電機(jī)電樞反應(yīng)的去磁作用使得電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)減弱，從而實(shí)現(xiàn)弱磁。這種方法的缺點(diǎn)是降低電機(jī)的效率以及永磁體更易發(fā)生不可逆去磁。提高永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速能力主要有兩種途徑：

1)從電機(jī)本體角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。學(xué)者們提出多種特種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)弱磁。例如文獻(xiàn)[3-6]提出通用改變?yōu)榇怕反抛杌蚋淖兇磐窂綄?shí)現(xiàn)弱磁的電機(jī)方案;文獻(xiàn)[7-9]提出一種氣隙磁場(chǎng)可調(diào)的可控磁通的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[10-11]提出一種增加漏磁的電機(jī)結(jié)構(gòu)，改變了磁通路徑，提高了永磁同步電機(jī)的弱磁性能;文獻(xiàn)[12]提出的一種永磁段與磁阻段相結(jié)合的復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)為了提高弱磁能力，直軸電感非常大;文獻(xiàn)[13]提出了一種勵(lì)磁磁場(chǎng)相互抵消的雙段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變雙段轉(zhuǎn)子之間的角度差來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié);文獻(xiàn)[14]提出一種混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，此混合式磁極結(jié)構(gòu)具有可以獲得較寬的調(diào)速范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高等優(yōu)點(diǎn);文獻(xiàn)[15-16]提出的一種表面-內(nèi)置式電機(jī)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)改善了表貼式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、漏磁凸出等問(wèn)題。

2)通過(guò)控制方法進(jìn)行弱磁性能優(yōu)化研究。在控制方法上常見(jiàn)的主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種方式。矢量控制方法例如超前角弱磁控制方法[17]、無(wú)電解電容永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)調(diào)制法[18-20]和由Bose B K教授提出的六步電壓法[21]等。直接轉(zhuǎn)矩控制方法例如基于模糊控制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[22]和基于改進(jìn)占空比計(jì)算方法的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù)[23]。

永磁同步電機(jī)在弱磁研究方向上取得了豐碩的成果，但永磁同步電機(jī)弱磁問(wèn)題并未完美解決，國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍在永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速問(wèn)題上積極探索，尋求寬弱磁調(diào)速范圍的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及弱磁控制方法。本文提出一種基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)導(dǎo)磁塊在滑軌槽的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子漏磁，實(shí)現(xiàn)提高永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和弱磁原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Rotor structure of the PMSM based on the principle of adjustable leakage flux

基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的定子采用4極36槽結(jié)構(gòu)，與普通永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、導(dǎo)磁塊、彈簧和滑軌槽構(gòu)成。其中導(dǎo)磁塊和彈簧放置在滑軌槽中。彈簧的自由端與導(dǎo)磁塊固定連接，另一端固定在滑軌槽靠近轉(zhuǎn)子外周的那一側(cè)的鐵心上。導(dǎo)磁塊與彈簧靜止時(shí)的長(zhǎng)度之和短于滑軌槽的徑向長(zhǎng)度。導(dǎo)磁塊可在滑軌槽中自由滑動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速及基速以下運(yùn)行時(shí)導(dǎo)磁塊在滑軌槽中位置見(jiàn)圖1(a)。電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以上運(yùn)行時(shí)導(dǎo)磁塊在滑軌槽中的位置見(jiàn)圖1(b)。

1.2 電機(jī)弱磁原理

以圖1(a)中受力分析對(duì)象導(dǎo)磁塊1為例，作用在滑軌槽中導(dǎo)磁塊上的力有電磁力、離心力和摩擦力。電磁力可分解為徑向分量和切向分量，其中電磁力徑向分量的方向指向轉(zhuǎn)子正圓心，且電磁力的切向分量數(shù)值很小，故使得摩擦力數(shù)值也很小。離心力方向和電磁力徑向分量的方向相反。導(dǎo)磁塊上的受力決定導(dǎo)磁塊的運(yùn)動(dòng)，可分為以下兩種情況：

1)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于或低于基速。作用在導(dǎo)磁塊上的電磁力徑向分量大于離心力，此時(shí)導(dǎo)磁塊在滑軌槽中固定在位于圖1(a)中所示的位置上運(yùn)行。以轉(zhuǎn)子鐵心圓心為參考點(diǎn)，導(dǎo)磁塊在滑軌槽中的徑向高度不高于永磁體的徑向高度。高于永磁體的徑向高度的滑軌槽內(nèi)的空氣磁阻大，該部分滑軌槽起到兩個(gè)相鄰永磁體之間的隔磁槽作用，即電機(jī)的極間漏磁較小，和普通永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的極間漏磁相當(dāng)。滑軌槽的設(shè)置不影響額定轉(zhuǎn)速及其以下運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速。作用在導(dǎo)磁塊上的離心力隨著速度的增加而逐漸增大，使得離心力大于電磁力的徑向分量，導(dǎo)磁塊通過(guò)彈簧在滑軌槽中徑向往靠近轉(zhuǎn)子鐵心外周的方向運(yùn)動(dòng)，直至離心力和電磁力重新達(dá)到平衡。導(dǎo)磁塊將在該速度下穩(wěn)定運(yùn)行在滑軌槽中的新位置。此時(shí)，以轉(zhuǎn)子鐵心圓心為參考點(diǎn)，導(dǎo)磁塊徑向高度超過(guò)永磁體的徑向高度。該部分滑軌槽由原來(lái)的空氣被磁阻小的部分導(dǎo)磁塊取代，該充滿導(dǎo)磁塊的部分滑軌槽無(wú)法起到極間隔磁作用，即電機(jī)的極間漏磁增大，氣隙磁通減小。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，作用在導(dǎo)磁塊的離心力越大，導(dǎo)磁塊在滑軌槽中運(yùn)動(dòng)的位移越大。充滿導(dǎo)磁塊的滑軌槽長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電機(jī)極間漏磁越大，即永磁體發(fā)出的磁通經(jīng)過(guò)充滿導(dǎo)磁塊的部分滑軌槽在轉(zhuǎn)子內(nèi)部閉合的磁通越多，氣隙磁通越小，弱磁效果越好。

空載磁通路徑能直觀展示電機(jī)的弱磁原理?；诼┐趴烧{(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的空載磁通路徑示意圖見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速及基速以下運(yùn)行時(shí)，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相似，除磁橋處有部分漏磁外，永磁體發(fā)出的磁通絕大部分通過(guò)氣隙經(jīng)過(guò)定子鐵心。電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以上運(yùn)行時(shí)，永磁體發(fā)出的部分磁通經(jīng)過(guò)充滿導(dǎo)磁塊的部分滑軌槽在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部閉合，轉(zhuǎn)子極間漏磁增大，永磁體發(fā)出的磁通經(jīng)過(guò)氣隙的磁通變小，即氣隙磁場(chǎng)減弱。

2 有限元仿真分析

建立4極36槽基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的有限元分析模型進(jìn)行有限元仿真分析。電機(jī)的基本尺寸和額定參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)磁通路徑示意圖Fig.2 Magnetic flux path of the PMSM based on the principle of adjustable leakage flux

表1 永磁同步電機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of PMSM

2.1 空載磁力線和空載反電勢(shì)仿真

定義滑軌槽中導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)的距離為變量s。導(dǎo)磁塊位于滑軌槽如圖1(a)所示的位置上，此時(shí)s=0 mm?；诼┐趴烧{(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)空載磁力線分布圖見(jiàn)圖3。

圖3 空載磁力線分布圖 (s=0 mm, n=1 700 rpm)Fig.3 No-load magnetic flux distribution of the new PMSM

電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以及基速以下運(yùn)行時(shí)導(dǎo)磁塊靜止不動(dòng)。由圖3可見(jiàn)，永磁體發(fā)出的磁通經(jīng)過(guò)永磁體徑向高度以上對(duì)應(yīng)的滑軌槽的磁力線很少，因永磁體徑向高度以上的部分滑軌槽起到隔磁作用。電機(jī)的極間漏磁和傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相似，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速及基速以下運(yùn)行時(shí)不影響電磁轉(zhuǎn)矩輸出，與理論分析一致。

基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)空載反電勢(shì)波形見(jiàn)圖4。電機(jī)空載反電勢(shì)幅值245.5 V，有效值172.4 V?？蛰d反電勢(shì)波形接近正弦波形。良好的空載反電勢(shì)波形有利于減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2.2 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真

基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行，電樞繞組通入額定電流輸出的電磁轉(zhuǎn)矩波形見(jiàn)圖5。

圖4 電機(jī)空載反電勢(shì)波形Fig.4 Waveform of the back electromotive force (EMF)

圖5 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形Fig.5 Waveform of the electromagnetic torque

基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)輸出電磁轉(zhuǎn)矩4.36 N·m，空載摩擦轉(zhuǎn)矩按照額定轉(zhuǎn)矩的3%計(jì)算，空載摩擦轉(zhuǎn)矩為0.13 N·m，則電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為4.23 N·m。根據(jù)電機(jī)輸出功率公式(1)計(jì)算出基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的輸出功率為752.6 W，大于750 W，仿真計(jì)算結(jié)果表明該電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速條件下輸出功率滿足額定輸出功率要求。

(1)

式中，P、T和n分別為電機(jī)的輸出功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3 弱磁特性仿真

電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速和低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)導(dǎo)磁塊固定不動(dòng)，此時(shí)s=0 mm。電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，作用在導(dǎo)磁塊上的離心力大于電磁力，導(dǎo)磁塊在滑軌槽內(nèi)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)的最大距離是4 mm，即s=4 mm。導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)的距離越大，轉(zhuǎn)子相鄰永磁體之間的極間漏磁越大，氣隙磁通越小，弱磁效果越好。在靜態(tài)場(chǎng)中計(jì)算導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)不同距離時(shí)對(duì)應(yīng)的電磁力，根據(jù)作用在導(dǎo)磁塊上電磁力和離心力的平衡關(guān)系推導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)距離s的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖6。

建立s從0～4 mm的電機(jī)計(jì)算模型，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)距離s的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別給定相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速條件下帶載運(yùn)行，仿真計(jì)算電機(jī)的最大輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，得到電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖7。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)磁塊移動(dòng)距離(s)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Motor speed versus magnetic block mobile distance (s)

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.7 Electromagnetic torque versus motor speed

圖8 空載磁力線分布 (s=4 mm, n=5 220 rpm)Fig.8 Distribution of the no-load magnetic flux (s=4 mm, n=5 220 rpm)

由圖6和圖7可見(jiàn)，計(jì)算的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為5 220 rpm。電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，能夠輸出電磁轉(zhuǎn)矩1.38 N·m，即額定轉(zhuǎn)矩的32.8%。與額定轉(zhuǎn)速1 700 rpm相比，電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍達(dá)到3倍。

當(dāng)導(dǎo)磁塊運(yùn)動(dòng)到靠近鐵心外周一側(cè)的滑軌槽頂端時(shí)，此時(shí)s=4 mm。電機(jī)轉(zhuǎn)速再增加，作用在導(dǎo)磁塊上的離心力始終大于電磁力，因此導(dǎo)磁塊固定在如圖1(b)所示的位置上。電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行對(duì)應(yīng)的空載磁力線分布圖見(jiàn)圖8。

同圖3所示的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下的空載磁力線相比，電機(jī)轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)空載磁力線經(jīng)過(guò)氣隙穿過(guò)定子鐵心的條數(shù)明顯減少，這也驗(yàn)證了電機(jī)弱磁的有效性。

3 電機(jī)電磁參數(shù)對(duì)弱磁特性的影響分析

3.1 導(dǎo)磁塊對(duì)弱磁范圍的影響

通過(guò)導(dǎo)磁塊在滑軌槽中的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子相鄰永磁體之間的極間漏磁，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。運(yùn)用有限元方法計(jì)算導(dǎo)磁塊寬度和長(zhǎng)度對(duì)弱磁范圍的影響見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 導(dǎo)磁塊寬度對(duì)弱磁范圍的影響Fig.9 Effect of the width of the magnetic conductor on the flux-weakening range

圖10 導(dǎo)磁塊長(zhǎng)度對(duì)弱磁范圍的影響Fig.10 Effect of the length of the magnetic conductor on the flux-weakening range

導(dǎo)磁塊的寬度對(duì)弱磁范圍的影響較小，而導(dǎo)磁塊的長(zhǎng)度對(duì)弱磁范圍的影響較大。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速隨著導(dǎo)磁塊長(zhǎng)度的增加而逐漸增大，但導(dǎo)磁塊長(zhǎng)度增加至8mm以后，最高轉(zhuǎn)速增幅放緩。這是因?yàn)閷?dǎo)磁塊的磁阻和鐵心磁阻接近，放置在槽中其寬度并不實(shí)質(zhì)性改變轉(zhuǎn)子回路的磁阻，對(duì)最高轉(zhuǎn)速數(shù)值影響小。導(dǎo)磁塊的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，永磁體發(fā)出的磁通經(jīng)過(guò)導(dǎo)磁塊閉合的磁通數(shù)目越多，電機(jī)的極間也就漏磁越大，因此電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速越高。

3.2 氣隙長(zhǎng)度對(duì)弱磁范圍的影響

氣隙長(zhǎng)度是影響電機(jī)性能的重要參數(shù)之一。氣隙長(zhǎng)度對(duì)基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的弱磁范圍的影響見(jiàn)圖11。

電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速隨著氣隙長(zhǎng)度的增加而增加。這是因?yàn)殡S著氣隙長(zhǎng)度的增加，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路的磁路磁阻增加，氣隙磁通密度會(huì)下降，因此有利于提高電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍。但過(guò)大的氣隙會(huì)降低額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。因此電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度應(yīng)在滿足額定負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩輸出條件下盡可能選擇較大的氣隙以增加電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍。

3.3 電流對(duì)弱磁范圍的影響

導(dǎo)磁塊滑動(dòng)至滑軌槽頂端時(shí)，此時(shí)速度再增加，由于離心力始終大于電磁力，因此導(dǎo)磁塊再次固定不動(dòng)。在此條件下，可借鑒傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)通入負(fù)向直軸電流利用電樞反應(yīng)的去磁作用實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。定子電流對(duì)基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)的弱磁范圍的影響見(jiàn)圖12。

圖11 氣隙長(zhǎng)度對(duì)弱磁范圍的影響Fig.11 Effect of the length of the air gap on the flux-weakening range

圖12 定子電流對(duì)弱磁范圍的影響Fig.12 Effect of the current on the flux-weakening range

電機(jī)通入的電流越大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速越大，隨著電流的逐漸增加，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速增加幅度小幅放緩。這是因?yàn)殡S著電流的增加，電機(jī)直軸去磁分量增加，提高了電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍，但隨著電流的增加，電機(jī)飽和程度亦會(huì)增加，因此電機(jī)最高轉(zhuǎn)速增加的幅度會(huì)有所放緩。

圖13 永磁體厚度對(duì)弱磁范圍的影響Fig.13 Effect of the thickness of the permanent magnet on the flux-weakening range

3.4 永磁體對(duì)弱磁范圍的影響

更大的永磁體尺寸有利于提高電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)大尺寸永磁體也會(huì)提供更多的永磁磁鏈。根據(jù)永磁同步電機(jī)最高轉(zhuǎn)速公式(2)，永磁磁鏈越大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速越小，弱磁范圍越窄。

(2)

式中，ulim、p、ψ、Ld和ilim分別為電動(dòng)機(jī)的端電壓、極對(duì)數(shù)、永磁磁鏈、直軸電感和電機(jī)的極限電流。

永磁體厚度對(duì)弱磁范圍的影響見(jiàn)圖13。隨著永磁體厚度的增加，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速值下降，電機(jī)永磁體厚度超過(guò)5 mm后，最高轉(zhuǎn)速值下降明顯。這是因?yàn)殡S著永磁體厚度的增加，永磁磁鏈逐漸增大，弱磁范圍變窄，仿真結(jié)果和理論分析一致。通過(guò)分析可知基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)永磁體厚度為3～5 mm較為合適。

4 結(jié) 論

通過(guò)導(dǎo)磁塊在滑軌槽中運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子極間漏磁，從而調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。通過(guò)理論分析和有限元仿真驗(yàn)證基于漏磁可調(diào)機(jī)理的永磁同步電機(jī)具有良好的弱磁性能，電機(jī)弱磁范圍為額定轉(zhuǎn)速的3倍。分析表明導(dǎo)磁塊的寬度對(duì)弱磁范圍影響??；導(dǎo)磁塊越長(zhǎng)，氣隙和電流越大以及永磁體充磁厚度越小，則更有利于提高電機(jī)的弱磁范圍。