現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)

孫瑞杰 鄭 永 郭海成

（包頭長安永磁電機(jī)有限公司，包頭 014030）

在現(xiàn)代社會(huì)建設(shè)發(fā)展中，不論從哪個(gè)角度說，電機(jī)技術(shù)都是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)內(nèi)容。電力通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)生活中所需的動(dòng)力，從而充分體現(xiàn)電力的價(jià)值?，F(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)的升級(jí)和完善，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和質(zhì)量的根本性提升。尤其是在一些精細(xì)化的應(yīng)用場(chǎng)合，只有進(jìn)一步優(yōu)化和完善現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)，才能滿足高端需求的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化控制等方法的引入，進(jìn)一步強(qiáng)化了永磁電機(jī)的性能和功能。

1 現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)概述

現(xiàn)實(shí)需求已經(jīng)成為現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)持續(xù)獲得發(fā)展的最直接動(dòng)力。傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)無論是研究還是具體應(yīng)用都已非常成熟。在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域，都在更高性能和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)技術(shù)方面具有巨大的需求空間，要求電機(jī)具有高密度、小型化、輕型化以及高可靠性，同時(shí)要嚴(yán)格控制電機(jī)的研制成本。要實(shí)現(xiàn)上述性能指標(biāo)，電機(jī)必須從多個(gè)技術(shù)方面進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新，包括電機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁力學(xué)性能、熱處理、電力電子器件以及勵(lì)磁電流控制等。通過對(duì)這些方面內(nèi)容進(jìn)行全面系統(tǒng)分析并平衡各方面設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)。

基于這一需求，現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)需要將多磁場(chǎng)分析和電磁系統(tǒng)仿真作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過引入計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)以及相關(guān)的模擬平臺(tái)為基本方法和手段，有效仿真電機(jī)工作狀態(tài)和控制方法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的精細(xì)化處理。同時(shí)，要結(jié)合不同永磁電機(jī)應(yīng)用需要對(duì)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能進(jìn)行深入思考和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推動(dòng)永磁電機(jī)技術(shù)在性能和功能創(chuàng)新方面獲得更大突破。

2 現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)

現(xiàn)代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用方式已經(jīng)與傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用有了本質(zhì)上的差異，最主要原因是設(shè)計(jì)技術(shù)以及應(yīng)用精細(xì)化程度的巨大變化使得現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)能夠與其他技術(shù)形成整合作用，從而促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。

2.1 現(xiàn)代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)方法

研究永磁電機(jī)技術(shù)將多物理場(chǎng)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)仿真平臺(tái)建設(shè)和應(yīng)用作為整個(gè)設(shè)計(jì)的工具保障，滿足電力或混合動(dòng)力的各種電機(jī)研發(fā)要求，同時(shí)要兼顧電機(jī)內(nèi)部各配件小型化和輕型化的現(xiàn)實(shí)要求。這對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度顯著增加。為達(dá)到上述目標(biāo)，現(xiàn)代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)采用完全不同于傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)和多極限優(yōu)化，對(duì)永磁電機(jī)的電力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、電力電子設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控制等方面進(jìn)行仿真，并整合需求獲得最優(yōu)化方案。

整個(gè)設(shè)計(jì)必須高度重視平衡基速點(diǎn)的作用，并清楚界定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行性能，使得設(shè)計(jì)的功能和性能與實(shí)際應(yīng)用更加契合，達(dá)到運(yùn)行的穩(wěn)定性和持續(xù)性。具體來說，整個(gè)設(shè)計(jì)可大致按3 個(gè)步驟進(jìn)行[1]。

一是永磁電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要確定整個(gè)永磁電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而選擇電機(jī)系統(tǒng)針對(duì)性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，并充分明確整個(gè)系統(tǒng)的功能作用、性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比較各種實(shí)現(xiàn)方案，從中選擇最優(yōu)方案。因此，必須重點(diǎn)分析電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析來決定和分析合適的電機(jī)基速點(diǎn)，再利用最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，包括發(fā)熱情況和設(shè)備結(jié)構(gòu)的潛在影響，最終獲得電機(jī)仿真結(jié)構(gòu)。

二是永磁電機(jī)場(chǎng)分析。該設(shè)計(jì)任務(wù)是要對(duì)永磁電機(jī)內(nèi)部的各種物理場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，包括電機(jī)設(shè)備內(nèi)部的各種電磁場(chǎng)、力場(chǎng)、溫差形成的場(chǎng)等，計(jì)算電機(jī)以及附屬驅(qū)動(dòng)電路之間的電磁性能，并利用耦合仿真方式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)較為精確的計(jì)算。整個(gè)仿真的重點(diǎn)不僅包括電機(jī)的電磁性能，還包含力學(xué)、熱學(xué)等重要性能。通過較為精確的計(jì)算，使得最終設(shè)計(jì)能夠達(dá)到良好的性能表現(xiàn)。

三是電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；谇笆龅姆治龊头抡?，已經(jīng)具備了進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件，在此條件下可以進(jìn)一步完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。實(shí)際設(shè)計(jì)中，要充分考慮制造技術(shù)和成本控制等現(xiàn)實(shí)問題，使設(shè)計(jì)成品不但可以滿足技術(shù)層面的要求，而且在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面也能達(dá)到更加理想的狀態(tài)。

2.2 永磁電機(jī)勵(lì)磁方式

永磁電機(jī)勵(lì)磁方式可歸納為3 種模式。

2.2.1 直流發(fā)電機(jī)供電勵(lì)磁方式

這種勵(lì)磁方式的勵(lì)磁機(jī)通常與發(fā)電機(jī)同軸，勵(lì)磁繞組利用滑環(huán)和電刷從勵(lì)磁機(jī)接收電流。該方式勵(lì)磁電流獨(dú)立，運(yùn)行可靠，耗電量低，但進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)較慢，運(yùn)維難度相對(duì)較大。

2.2.2 交流勵(lì)磁機(jī)供電勵(lì)磁方式

交流勵(lì)磁機(jī)輸出電流經(jīng)整流后作為勵(lì)磁電流。該勵(lì)磁方式是典型的他勵(lì)磁方式，系統(tǒng)中交流副勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生勵(lì)磁電流。為優(yōu)化勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度，交流副勵(lì)磁機(jī)主要采用中頻發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。直流和交流繞組均位于定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子沒有電刷、滑環(huán)等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，制造工藝方便，但噪聲較大，交流諧波分量大[2]。

2.2.3 無勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式

無勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁設(shè)計(jì)中系統(tǒng)沒有勵(lì)磁機(jī)，發(fā)電機(jī)提供必要的勵(lì)磁電源，通過整流變?yōu)閯?lì)磁電流。它的工作方式主要包括自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)兩種。兩種模式都可以對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生積極影響。

2.3 永磁電機(jī)研究與開發(fā)

從目前來看，永磁電機(jī)的相關(guān)研究、開發(fā)與利用方興未艾，而設(shè)計(jì)新技術(shù)的不斷推陳出新使得整個(gè)開發(fā)設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量都得到了顯著提升。永磁電機(jī)技術(shù)的完善和發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，而永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用空間也獲得了持續(xù)拓展。就現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展而言，幾個(gè)永磁電機(jī)技術(shù)是非常有前景的發(fā)展方向，下面將分別進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.3.1 無刷永磁同步電機(jī)

無刷永磁同步電機(jī)是目前研究和應(yīng)用開發(fā)較多的一種永磁同步電機(jī)。該電機(jī)通過對(duì)永磁轉(zhuǎn)矩疊加磁阻轉(zhuǎn)矩，可以顯著增強(qiáng)電機(jī)的功率輸出能力和承載電壓能力，因此也可以稱作混臺(tái)轉(zhuǎn)矩電機(jī)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，無刷永磁同步電機(jī)沒有電刷，使得在弱磁條件下進(jìn)行電機(jī)調(diào)速也非常便捷，且恒功率區(qū)間也能夠達(dá)到更高的水平。該電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)子的空間結(jié)構(gòu)有較高要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須給予充分關(guān)注?？紤]到無刷同步電機(jī)自身的性能和功能特征情況，對(duì)于寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該類型電機(jī)有很好的應(yīng)用空間。

2.3.2 混合勵(lì)磁同步電機(jī)

混合勵(lì)磁同步電機(jī)屬于一種新型的同步電機(jī)類型，如圖1 所示。所謂混合勵(lì)磁是在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中同時(shí)賦予電機(jī)電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式[3]。兩種勵(lì)磁方式混合形成整合勵(lì)磁作用效果，能夠最大限度降低勵(lì)磁消耗，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更優(yōu)。

從目前研究和應(yīng)用情況看，混合勵(lì)磁同步電機(jī)可以大致分為混合勵(lì)磁轉(zhuǎn)子磁極同步電機(jī)、混合勵(lì)磁組合轉(zhuǎn)子同步電機(jī)和混合勵(lì)磁變磁極同步電機(jī)3 種類型。3 種電機(jī)基本設(shè)計(jì)原理相同，只是電機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上有所區(qū)別。

2.3.3 雙饋電混合并聯(lián)磁路無刷永磁電機(jī)

雙饋電混合并聯(lián)磁路無刷永磁電機(jī)在設(shè)計(jì)中將其磁場(chǎng)設(shè)置成為兩種結(jié)構(gòu)方式，即軸向的磁場(chǎng)模式和徑向的磁場(chǎng)模式[4]。鑒于此，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用兩段磁路設(shè)計(jì)，分別為永磁體和鐵芯作為轉(zhuǎn)子的磁極。電機(jī)的定子內(nèi)部裝設(shè)有多相交流繞組，主繞組采用永磁體和鐵芯作為磁極，稱磁場(chǎng)控制繞組直接采用鐵芯磁極。上述結(jié)構(gòu)可以對(duì)電機(jī)主電樞線組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和鐵芯磁極磁通進(jìn)行有效控制，并達(dá)到快速便捷的 控制效果。

2.3.4 旁路式勵(lì)磁永磁電機(jī)

旁路式勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)有自己的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖2所示，主要包括機(jī)殼、端蓋、勵(lì)磁繞組、定子和轉(zhuǎn)子5 個(gè)部分[5]，其中端殼和勵(lì)磁繞組都是兩套。勵(lì)磁繞組采用直流工作方式，且轉(zhuǎn)子磁極由永磁極和鐵磁轉(zhuǎn)子磁極構(gòu)成，機(jī)殼等部位的制造選擇導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)軸擇選用非鐵磁材料。利用上述設(shè)計(jì)，電機(jī)的旁路磁通控制可以通過調(diào)整直流勵(lì)磁電流的方式實(shí)現(xiàn)，主要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)電機(jī)磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)的便捷性方面，同時(shí)可以防止發(fā)生磁鋼去磁問題。

3 結(jié)語

現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)作為一種重要的技術(shù)種類，在工業(yè)生產(chǎn)及生活領(lǐng)域占有重要位置，其研究和應(yīng)用開發(fā)也得到了業(yè)界的極大關(guān)注。目前，現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)比較高的水平，其技術(shù)為滿足實(shí)際應(yīng)用更加專業(yè)化，在性能、功能以及成本控制等方面取得了長足進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深度使用，現(xiàn)代永磁電機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用有了質(zhì)的飛越，由需求推動(dòng)研發(fā)的趨勢(shì)更加明顯。我國作為制造業(yè)大國，正處于從中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型，因此現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)的研究和開發(fā)意義重大。