劉細平， 章 超， 陳 棟， 王 敏， 徐 晨， 梁建偉， 汪 濤

（江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州341000）

0 引 言

永磁同步電機結構靈活多樣，且具有高功率密度、高轉矩和高效率的特點，非常適合于風力發(fā)電和工業(yè)傳動等應用領域[1-3].然而，永磁同步電機存在磁場強度無法調節(jié)和永磁體退磁的缺點，制約了其進一步發(fā)展[4-5].為解決上述問題，專家學者提出了變磁通永磁同步電機的概念，其為具有可變氣隙磁場的特種電機，并取得了較為豐富的研究成果[6-8].

機械變磁通永磁同步電機為一類通過機械裝置實現(xiàn)電機內磁場強度可調的新型變磁通電機.此類電機不同于混合勵磁電機[9]，僅借助合適的機械調整裝置即可方便靈活地調節(jié)磁通，完全打破了采用電勵磁進行調磁的思維模式[10-11].同時，可克服混合勵磁電機結構復雜、勵磁損耗較大以及功率密度較低等缺點，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，開展新型機械變磁通永磁同步電機設計的理論分析與試驗研究具有重要的理論意義和工程應用價值[12-13].

文中給出機械變磁通永磁電機的基本特征，提出多種機械變磁通永磁同步電機拓撲結構，分析其磁通路徑和工作機理，總結機械變磁通永磁電機技術的發(fā)展趨勢和研究方向，為后續(xù)該領域研究奠定一定的理論基礎.

1 機械變磁通永磁電機簡述

機械調磁是指利用機械傳動部件有規(guī)律的運動，以調節(jié)電機磁場強弱，改變繞組合成感應電動勢大小，從而實現(xiàn)機、電、磁三者耦合的新型磁場調節(jié)方式.機械變磁通永磁電機則為在保證電機效率較高的前提下，將機械傳動部件與電機本體有機結合，利用機械調磁的原理實現(xiàn)寬范圍恒壓發(fā)電或恒功率調速驅動的一類新型永磁同步電機.

機械變磁通永磁同步電機工作流程如圖1所示.電機工作時，電機繞組感應電動勢隨著電機轉速的升高而增大，迫使電機轉矩在恒功率運行范圍內下降；為使永磁同步電機在滿足最低轉矩要求的條件下保持寬速度范圍恒功率運行，當電機轉速達到一定大小時需要進行弱磁控制；此時，與電機本體配套的機械同步裝置工作，對電機部分結構進行調節(jié)，改變電機磁場強度；當電機轉速變化時，通過反饋給機械同步裝置的信號，使電機結構做出相應調整，改變調磁的程度，以保證電機恒功率區(qū)間的高速運行.此類新型永磁電機普遍具有以下特點：①體積小，結構簡單緊湊；②磁力線集中，轉矩密度高；③調磁靈活，調速范圍廣；④在保證寬調速范圍和高功率密度的前提下，效率較高.

圖1 機械變磁通永磁同步電機工作框圖

2 電機結構分類與工作原理

機械變磁通永磁電機拓撲結構眾多，按照電機內氣隙磁場的方向可分為徑向磁場和軸向磁場機械變磁通永磁同步電機；根據(jù)電機中使用的機械調整方式，有漏磁式、離心式、轉子調整式、氣隙調整式和定子調整式等機械變磁通永磁同步電機.

2.1 徑向磁場機械變磁通永磁同步電機

2.1.1漏磁式

漏磁式機械變磁通永磁同步電機又有添加短路塊調磁、添加短路環(huán)調磁及添加短路盤調磁三種拓撲結構.

（1）添加短路塊調磁方式.日本大阪大學Lei Ma和 Sanada等[14]于 1999年第 34屆 IEEE工業(yè)應用會議上提出一種通過添加短路塊產(chǎn)生漏磁磁路的機械變磁通永磁同步電機，結構如圖2所示.圖2（a）為電機結構模型，此類電機采用嵌入磁鋼式轉子結構，在轉子永磁體極間設置有充滿空氣的隔磁槽，轉子一側通過彈簧與和隔磁槽軸向位置相對應的一對短路塊相連接.當電機正常工作時，永磁體產(chǎn)生的磁通絕大部分進入定子鐵心；電機弱磁時，在彈簧的作用下，短路塊在隔磁槽中的來回運動形成漏磁回路，可減少氣隙主磁通而達到弱磁目的，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，但是此類電機調磁效果一般，且短路塊需要在隔磁槽中做往復運動才能改變此類電機的弱磁程度，對機械裝置運動控制要求較高；同時，其轉子鐵心利用率也較低.

圖2 添加短路塊機械變磁通永磁同步電機

（2）添加短路環(huán)調磁方式.英國謝菲爾德大學Zhu ZQ教授[15]將磁通切換電機與變磁通電機技術結合，對添加短路環(huán)式機械變磁通永磁同步電機進行了研究.圖3（a）為電機結構模型，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“U”形單元定子鐵心齒上，定子鐵心外層有若干個導磁短路塊連接而成的短路環(huán).電機轉子由轉子齒和轉子磁軛兩部分組成，均采用導磁材料.圖3（b）給出電機磁通路徑：永磁體-單元定子鐵心磁軛-單元定子鐵心齒-氣隙-轉子齒-轉子軛部-相鄰轉子齒-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）為電機簡化磁路圖，其中Fpm為永磁磁勢，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為轉子齒部磁阻，Φδ表示氣隙磁通.

電機由磁通切換原理產(chǎn)生電勢，通過機械傳動裝置將短路環(huán)旋轉到一定位置時，在電機定子鐵心外層形成漏磁回路，削弱電機主磁通.圖3（d）和（e）分別給出了12/10,12/13,12/14三種定子極數(shù)/轉子極數(shù)組合結構下電機的磁通密度波形圖，當短路環(huán)與定子鐵心處于對齊位置時，永磁磁通絕大部分為主磁通；當短路環(huán)與定子鐵心錯開位置，旋轉到永磁體上方時，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，該電機調磁效果良好.然而，“U”形單元定子鐵心制造工藝較復雜；此外，使用機械傳動機構難以將由短路模塊拼湊而成的短路環(huán)調整到所需的角度，影響電機的工作效率.

圖3 添加短路環(huán)機械變磁通永磁同步電機

（3）添加短路盤調磁方式.2002年，日本Lei Ma和Sanada等[16]學者針對漏磁式機械變磁通永磁同步電機的弱磁問題，提出了另一種漏磁式機械變磁通永磁電機的新拓撲結構，如圖4所示.此類電機通過添加短路圓盤以改變氣隙磁場強弱，短路圓盤同軸安裝于電機轉子鐵心兩側.電機正常工作時，短路盤遠離轉子以避免發(fā)生漏磁；當需要對電機弱磁控制時，可借助彈簧和鉸接樞紐等機械裝置，擠壓短路圓盤，使其靠近轉子而造成磁路短路，即一部分永磁磁通成為漏磁通，削弱氣隙主磁通.圖4（b）中分別給出了電機在低速和高速時A相感應電動勢波形圖，電機運行在不同轉速條件下通過調整短路圓盤與轉子鐵心之間的距離，可使電機三相感應電動勢輸出恒定.但是，此類電機存在齒根處狹窄的“瓶頸效應”和轉子散熱條件不好等問題，無法避免徑向電機所帶來的不足.

圖4 添加短路盤機械變磁通永磁同步電機

2.1.2離心式

哈爾濱工業(yè)大學的寇寶泉教授[17-19]帶領的課題組提出了多種離心式機械變磁通永磁同步電機，典型結構如圖5所示.電機在傳統(tǒng)內嵌式永磁同步電機的基礎上，于轉子內安裝有由兩同極性永磁體、空氣、鋁片、導磁材料以及不銹鋼組成的弱磁單元.電機在正常工作時，導磁材料受到離心力和永磁體間的斥力作用保持平衡；離心力隨著電機運行速度的升高而 增大， 當導磁 材料受 到的離 心力超 過永磁體間斥力 ，導磁 材料往 外移動 逐漸遠 離電機 軸.此時，漏磁 路的磁 阻逐漸 減小， 使氣隙 磁通減 少，削 弱了電機主 磁通.如圖5（b）所示， 電機內 氣隙磁 場強度隨著同 極性永 磁體距 離的增 大近似 呈線性 增大，電機 調磁效 果較好.但是 ，此類 電機存 在鐵心利用率低 、轉子 機械強 度要求 高及永 磁體用 量較大等缺陷.

圖5 離心式機械變磁通永磁同步電機

2.1.3轉子調整式

Joong和Thahara等[20]學者提出了一種轉子調整式機械變磁通永磁同步電機結構，并注冊了美國專利，如圖6所示.圖6（a）為電機拓撲結構模型，定子部分主要由定子鐵心和電樞繞組構成，三相電樞繞組軸向嵌入在定子槽中；電機轉子由永磁體、轉子鐵心和轉子軸等組成，永磁體呈瓦片型切向分布于轉子鐵心的表面.圖6（b）給出的電機磁通路徑為：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）為轉子調整式機械變磁通永磁同步電機簡化磁路圖，其中Fpm1、Rpm1分別為N極永磁體磁動勢和永磁磁阻，F(xiàn)pm2、Rpm2分別為S極永磁體磁動勢和永磁磁阻，Rr為轉子軛部磁阻.電機工作時，由永磁體產(chǎn)生氣隙主磁通，通過機械同步裝置可使對齊的永磁體錯開一定角度，從而改變氣隙磁場的強弱.當相同極性的永磁體完全對齊時，電機氣隙磁密最大；對應永磁體錯開不同的角度，電機氣隙磁密也會相應發(fā)生改變.但是，此類拓撲結構中永磁體用量相對較多，電機制造成本較高.此外，永磁體同軸緊密固定在轉子上，工作時永磁體也可能存在退磁的風險.

圖6 轉子調整式機械變磁通徑向永磁電機

2.2 軸向磁場機械變磁通永磁同步電機

2.2.1 氣隙調整式

Nakai和Hiramoto等[21]日本學者提出了一種軸向充磁氣隙調整式機械變磁通永磁同步電機，如圖7所示.電機工作時，通過控制彈簧、鉸鏈和壓板等部件可在一定范圍內改變電機氣隙長度，對氣隙磁通進行相應的調節(jié)，具有一定的調磁效果.但是，該種結構的機械調整裝置較為復雜，降低了電機運行的可靠性.

2.2.2 定子錯開式

（1）無定子鐵心結構.羅馬大學的Capponi[22]深入研究了KAMAN盤式永磁電機拓撲結構，提出了一種無定子鐵心式機械變磁通永磁同步電機，如圖8所示.圖8（a）為電機結構模型，相反極性的永磁體對稱表貼于兩側轉子盤上.定子上無鐵心，僅由兩組平行放置的電樞繞組構成，整個繞組用環(huán)氧樹脂封裝，電機內磁場呈軸向分布.圖8（b）所示的電機磁通路徑為：永磁體N極-氣隙-另一側永磁體S極-轉子軛部-另一側永磁體N極-氣隙-相鄰永磁體S極-轉子軛部-永磁體N極.圖8（c）為電機簡化磁路圖，電機工作時，由永磁體產(chǎn)生氣隙主磁通，錯開對齊位置的定子部分，在電樞繞組中產(chǎn)生具有一定相位差的感應電勢，導致合成感應電動勢發(fā)生變化，從而使電機轉速也隨之改變，達到弱磁調速的目的.圖8（d）給出了電機在600 r/min和2400 r/min的轉速下三相感應電動勢波形圖，通過錯開定子位置可使電機在高轉速下的反電勢仍保持在10 V左右，電機調磁效果明顯.由于定子部分位于兩側轉子之間，且該電機不能實現(xiàn)機械裝置自動跟隨轉速同步調整，需額外添加檢測電路對電機輸出電壓進行測定，反饋給機械裝置調整兩組電樞繞組之間的位置，該調磁方式較復雜，降低了電機效率.

圖7 氣隙調整式機械變磁通永磁同步電機

圖8 無定子鐵心結構

（2）有定子鐵心結構.在定子錯開式結構永磁電機的基礎上，筆者補充一種設有定子鐵心結構的機械變磁通永磁同步電機.圖9（a）為電機結構模型，此種電機采用雙定子/單轉子結構，兩定子鐵心對稱分布于轉子兩側，永磁體對稱表貼于同一轉子盤兩側.圖9（b）中給出的電機磁通路徑分為對稱的兩部分，單側的磁通路徑為：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）為電機簡化工作磁路圖，電機運行時，借助機械同步調整裝置使兩個定子鐵心錯開一定的角度，可對電機產(chǎn)生弱磁作用.該機械變磁通永磁電機具有良好的調磁效果，但是，該結構具有兩個定子鐵心，不僅產(chǎn)生額外重量，而且兩側定子對應的繞組端部需并接引出，當通過機械傳動裝置旋轉定子時，造成不便.

圖9 有定子鐵心結構

2.2.3 轉子錯開式

（1）定子開槽結構.羅馬大學的Del Ferraro和Caricchi等[23]學者還提出一種轉子錯開式機械變磁通永磁同步電機.圖10為定子開槽結構轉子錯開式機械變磁通永磁同步電機.圖10（a）為電機結構模型，其主要由兩盤式轉子、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；電機轉子主要由轉子磁軛和永磁體兩部分組成，永磁體周向均勻分布在轉子磁軛表面.如圖10（b）所示，此電機為定子開槽型TORUS電機結構，電機內磁場呈軸向分布，兩個轉子對稱地分布在定子的兩側，可克服單邊磁拉力的現(xiàn)象.圖10（c）給出此類電機的簡化磁路圖，永磁磁通經(jīng)兩層氣隙、環(huán)形定子鐵心、永磁體及轉子背軛形成閉合磁路，線圈匝鏈磁通為有效磁通.該電機單側簡化磁路與有鐵心的定子錯開式結構電機相同，但此類電機的磁通在定子鐵心聚集，具有較高的效率.電機工作時，通過機械調整裝置使兩側轉子錯開位置，可對氣隙磁場進行調節(jié).兩轉子完全對齊時，線圈匝鏈磁通最多；兩轉子錯開不同角度時，線圈匝鏈磁通相應減少.圖10（d）給出了A相電樞繞組的磁鏈變化波形圖，該電機弱磁程度隨兩側轉子盤錯開角度的增加近似線性增大，當錯開角度達到360°/電機極數(shù)時，弱磁效果理論上可以達到百分之百.且電機為軸向結構，彌補了徑向電機的不足，磁通調節(jié)過程中，僅需調節(jié)兩個相互獨立的轉子盤，無需改變電機氣隙長度，操作簡易可行.

圖10 定子開槽結構

圖11 定子無槽結構

（2）定子無槽結構.如圖11所示，此類電機是在保證具有良好的調磁效果條件下，通過優(yōu)化定子結構，將無槽軸向電機引入變磁通永磁電機中，形成無槽結構機械變磁通永磁同步電機.相對于定子開槽式拓撲結構，此類電機拓撲磁路磁阻較小，可有效降低漏磁系數(shù).無槽變磁通永磁同步電機不僅具有定子開槽結構變磁通永磁電機調磁性能好及可靠性高等優(yōu)點，還可消除齒槽效應，削弱諧波分量.此類電機結構簡單，且擁有轉矩波動小和噪聲低等一系列優(yōu)點，適合實際工況條件下運行.

3 綜合對比分析

同其他變磁通永磁電機相比，機械變磁通永磁同步電機有如下特點：

（1）機械變磁通永磁電機結構簡單，永磁體用量相對較少，且目前多數(shù)電機本體研究較成熟，運行可靠性高；

（2）除傳統(tǒng)徑向磁場電機可設計成機械變磁通永磁電機外，軸向磁場電機在該領域也具有很大的應用前景；

（3）設計靈活多變，機械裝置即可設置在電機內，也可設置在電機外，此外，根據(jù)適用場合需要也能設置在定子或者轉子上；

（4）此類電機無需調磁繞組，省略了相對復雜的勵磁控制算法，降低了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)難度；

（5）機械裝置根據(jù)電機反饋的信號對電機內磁場強度進行同步調節(jié)，調磁效果明顯，且可實現(xiàn)磁場雙向調節(jié).

在永磁體用量相同的情況下，綜合比較6種機械變磁通永磁同步電機特性.表1給出了漏磁式、離心式、轉子調整式、氣隙調整式、定子錯開式和轉子錯開式6種機械變磁通永磁同步電機拓撲在漏磁系數(shù)、調磁效果、效率、電機本體制造工藝和機械同步裝置等方面的定性比較分析.由分析可知，轉子錯開式機械變磁通永磁同步電機具有調磁效果好、漏磁小、效率高和制造工藝簡單等優(yōu)點.

表1 各類機械變磁通軸向磁場永磁電機定性分析比較

軸向磁通電機具有體積小、重量輕、結構緊湊的特點，且其功率密度大及材料利用率高等優(yōu)點均是徑向電機所不具備的[24-26].目前廣泛應用于感應電機、同步電機、永磁電機和直流電機中的徑向磁通結構均可設計成為軸向磁通電機.將機械變磁通永磁電機與軸向磁場電機進行有機結合，開展機械變磁通軸向磁場永磁同步電機的設計理論分析具有較大的研究價值.

4 結束語

文中給出了機械調磁的概念，對比幾類機械變磁通永磁同步電機的拓撲結構，分析了其各自結構特點、等效磁路和工作原理.研究表明，轉子錯開式機械變磁通軸向磁場永磁同步電機結構較簡單和綜合性能更優(yōu)，具有良好的實用價值.目前，機械變磁通永磁同步電機的研究尚處于起步階段，隨著對此類電機研究的不斷深入，仍需解決以下問題：

（1）研究此類電機拓撲結構和調磁機理，特別是永磁電機本體與調磁裝置之間的協(xié)調控制上尋求新突破，探索兩者之間的協(xié)調控制規(guī)律；

（2）結合傳統(tǒng)磁路計算方法，建立電機數(shù)值分析模型,分析電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能及調磁能力，研究機械裝置雙向穩(wěn)定的調磁技術，提高電機效率；

（3）機械變磁通永磁同步電機將朝著結構簡單、永磁體用量少、磁路長度短及機械調整裝置靈活可靠等方向發(fā)展，更為有效地解決永磁電機磁通調節(jié)困難的問題.

機械變磁通永磁同步電機作為一種新概念的變磁通永磁電機，在完全無勵磁功率損耗的基礎上實現(xiàn)電機高效率和高功率密度，將在恒壓發(fā)電、電動汽車和混合動力汽車驅動等領域具有廣闊的應用前景.

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