（江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)峻，永磁電機(jī)行業(yè)對(duì)高效率、高功率密度和寬恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍的要求也在不斷提高[1-2]。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般多為表貼式和內(nèi)置式。表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但其功率密度低、弱磁性能差。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)具有高效、高轉(zhuǎn)矩密度、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但漏磁和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。因此，專家學(xué)者們針對(duì)表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)[3]，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究[4-5]。

傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場調(diào)節(jié)困難，運(yùn)行過程中永磁體容易退磁，限制了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[6-7]。近年來，為了解決傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)恒功率范圍窄、轉(zhuǎn)速范圍有限的問題，專家學(xué)者們提出了變磁通永磁同步電動(dòng)機(jī)[8-10]。變磁通永磁同步電機(jī)調(diào)節(jié)磁通的方式可分為三種：直接調(diào)磁式、混合勵(lì)磁式和機(jī)械調(diào)磁式。機(jī)械式變磁通電機(jī)[11-12]通過附加的機(jī)械裝置來調(diào)節(jié)內(nèi)部磁場，以達(dá)到弱磁擴(kuò)速的效果，在變速驅(qū)動(dòng)和工業(yè)制造方面得到了廣泛的應(yīng)用。主要調(diào)整形式有調(diào)整轉(zhuǎn)子、調(diào)整氣隙、漏磁式和離心式。轉(zhuǎn)子調(diào)整式機(jī)械變磁通電機(jī)[13-14]主要通過機(jī)械裝置改變轉(zhuǎn)子或永磁體的位置，以實(shí)現(xiàn)弱磁效果但永磁體的利用率較低。氣隙調(diào)整式機(jī)械變磁通電機(jī)[15]通過改變軸向電機(jī)氣隙長度來實(shí)現(xiàn)氣隙磁鏈的調(diào)整，可靠性差。漏磁式機(jī)械變磁通電機(jī)[16]通過機(jī)械裝置與永磁體接觸來改變磁路并降低主磁通。離心式機(jī)械變磁通電機(jī)[17]通過調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速下的離心力大小來調(diào)整永磁體和定子線圈的重疊區(qū)域，以達(dá)到削弱磁通的目的。

結(jié)合離心式機(jī)械裝置簡單可靠與混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)高效高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種帶自動(dòng)弱磁裝置的混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)。本文詳細(xì)闡述和分析了永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和機(jī)械調(diào)磁裝置的弱磁原理。研究結(jié)果表明，該電機(jī)能夠較為準(zhǔn)確地控制弱磁效果，且經(jīng)過弱磁后，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域變化較為明顯。本文為新能源汽車驅(qū)動(dòng)和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論參考。

1 整體模型

1.1 混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)定子與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子磁極由表貼式永磁體和內(nèi)置式永磁體組成，如圖1所示。每極下有3個(gè)徑向充磁的永磁體，相鄰的表貼式永磁體和內(nèi)置式永磁體在每相下形成1個(gè)串聯(lián)回路。需要說明的是，表貼式永磁體是輔助磁極，它的特殊形狀可以幫助優(yōu)化反電動(dòng)勢(shì)波形，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。內(nèi)置式永磁體作為主磁極，是電機(jī)勵(lì)磁的主要來源。與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)可以降低漏磁，全面提高電機(jī)的性能。

圖1 混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of hybrid rotor-structure PMSM

電機(jī)部分參數(shù)如下：額定功率1 kW，定子槽數(shù)48，轉(zhuǎn)子極數(shù) 8，額定轉(zhuǎn)速 750 r∕min，定子外徑269.24mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑110.64mm，氣隙長度0.5～1mm，每槽導(dǎo)體數(shù)7，繞組連接方式Y(jié)。

1.2 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)

混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)機(jī)械調(diào)磁裝置主要由轉(zhuǎn)盤、滑塊、齒輪和連桿組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該裝置安裝在轉(zhuǎn)軸上，通過連桿與圓形內(nèi)置永磁體連接，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)整體裝配圖如圖3所示。彈簧分別與滑塊和轉(zhuǎn)盤連接，以限制滑塊的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑塊所受離心力大小發(fā)生變化時(shí)，滑塊沿滑槽徑向滑動(dòng)，使推動(dòng)兩側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的徑向離心力轉(zhuǎn)化為切向力。該裝置無需外力驅(qū)動(dòng)，整個(gè)弱磁過程僅由滑塊所受的離心力驅(qū)動(dòng)滑塊完成。該機(jī)械裝置制造簡單，調(diào)磁效果較好，可靠性高。

圖2 機(jī)械調(diào)磁裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the mechanical flux-adjusting device

圖3 電機(jī)整體裝配圖Fig.3 The explosion view of the motor

2 工作原理

2.1 電機(jī)工作原理

混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的工作原理是通過機(jī)械裝置調(diào)整圓形內(nèi)置永磁體的旋轉(zhuǎn)角度來改變磁極的磁化方向，從而改變合成磁勢(shì)的大小，如圖4所示。磁鏈隨內(nèi)置永磁體旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，通過調(diào)整氣隙磁場的強(qiáng)度來達(dá)到弱磁擴(kuò)速的效果。

圖4 電機(jī)工作原理Fig.4 The principle of motor operation

圖5 永磁體磁化方向Fig.5 The magnetization direction of permanent magnet

利用Clark變換和Park變換將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從而得到d軸的磁鏈如下式所示：

式中：Ψd為d軸磁鏈；Ψq為q軸磁鏈；id為d軸等效電流；iq為q軸等效電流；Ψpm為永磁磁鏈的幅值。

當(dāng)電機(jī)在基速下運(yùn)行時(shí)，定子電壓方程如下：

式中：Ra為電樞繞組電阻；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基速以上時(shí)，磁通量大小隨永磁體旋轉(zhuǎn)角度而改變，直角坐標(biāo)系下電機(jī)的定子電壓方程可以表示為

式中：θ為永磁體的旋轉(zhuǎn)角。

2.2 調(diào)磁裝置工作原理

滑塊在機(jī)械調(diào)磁裝置中的相對(duì)位置由離心力Fc和彈簧反作用力Fs決定。

由下式可知，滑塊的離心力Fc與轉(zhuǎn)盤的角速度ω、滑塊的質(zhì)量m以及滑塊質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸的距離r有關(guān)。不同轉(zhuǎn)速下滑塊與齒輪的相對(duì)位置不同，滑塊所受離心力大小取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)有3種狀態(tài)：基速以下、基速和基速以上。為了更好地解釋機(jī)械調(diào)磁裝置運(yùn)行的原理，假設(shè)調(diào)磁過程發(fā)生在理想狀態(tài)下?；瑝K只受離心力和彈簧反作用力的作用，忽略了滑塊、齒輪和轉(zhuǎn)盤之間的摩擦力。圖6為機(jī)械調(diào)磁裝置在不同狀態(tài)下的運(yùn)行情況。

圖6 機(jī)械調(diào)磁裝置運(yùn)行情況Fig.6 The operation of mechanical flux-adjusting device

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基速以下時(shí)，如圖6a所示。轉(zhuǎn)盤勻速旋轉(zhuǎn)，滑塊的離心力等于彈簧反作用力，方向相反，此時(shí)彈簧變形程度最小，滑塊受力平衡，幾乎不發(fā)生位移。

當(dāng)電機(jī)以基速運(yùn)行時(shí)，如圖6b所示。當(dāng)電機(jī)從低速升高至基速時(shí)，滑塊的離心力增大，受力不平衡，滑塊沿滑槽向外滑動(dòng)，直至與齒輪接觸，但不產(chǎn)生使齒輪旋轉(zhuǎn)的切向力。

當(dāng)電機(jī)在基速以上的情況下運(yùn)行時(shí)，如圖6c所示。此時(shí)，作用在滑塊上的離心力變大，彈簧形變程度較高，滑塊所受離心力大于彈簧的反作用力，迫使滑塊推動(dòng)兩側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪通過連桿帶動(dòng)圓形內(nèi)置永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁體合成磁動(dòng)勢(shì)的方向不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速從基速降到基速以下時(shí)，彈簧反作用力大于離心力，滑塊沿滑槽向轉(zhuǎn)盤中心滑動(dòng)，左側(cè)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滑塊移回至圖6b的位置時(shí)，內(nèi)置圓形永磁體的磁化方向回到初始位置，此時(shí)合成磁動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值。

3 機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析

3.1 虛擬樣機(jī)模型

機(jī)械裝置隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力是實(shí)現(xiàn)混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)調(diào)磁的關(guān)鍵。機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真主要是分析機(jī)械調(diào)磁裝置在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行特性和調(diào)磁過程中齒輪的旋轉(zhuǎn)角度，以此驗(yàn)證該裝置對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場的調(diào)節(jié)能力。

機(jī)械調(diào)磁裝置中各部件的材料首先必須滿足非導(dǎo)磁和強(qiáng)抗形變的要求。模型所用材料為奧氏體不銹鋼，具有耐高溫腐蝕、抗變形能力強(qiáng)、無導(dǎo)磁性等優(yōu)點(diǎn)。密度為7.93×10-6kg∕mm3，楊氏模量為200 Gpa。

ADAMS軟件可通過導(dǎo)入的機(jī)械裝置模型自動(dòng)計(jì)算重量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。通過在不同組件之間添加自由度約束來確定組件的相對(duì)位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)方式。調(diào)磁裝置組件之間的約束關(guān)系如表1所示。

表1 調(diào)磁裝置組件約束關(guān)系Tab.1 The constraint relationship between the components of the flux-adjusting device

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真采用加速驅(qū)動(dòng)的方式求取機(jī)械調(diào)磁裝置在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動(dòng)特性。虛擬樣機(jī)轉(zhuǎn)速與加速度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 虛擬樣機(jī)轉(zhuǎn)速與加速度關(guān)系圖Fig.7 The relationship between acceleration and speed of virtual prototype

圖7中，0～1 s時(shí)，虛擬樣機(jī)模型以49 600 r∕min2的加速度穩(wěn)定加速至 825 r∕min；而 1～2 s時(shí)，以-49 600 r∕min2的加速度穩(wěn)定減速至0。當(dāng)帶有自動(dòng)弱磁裝置的永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，可以計(jì)算出永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從基速（750 r∕min）以下增加至基速以上（825 r∕min）時(shí)，滑塊開始與齒輪嚙合。然而由于物體的慣性，齒輪的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)有輕微的波動(dòng)。在1 s時(shí)轉(zhuǎn)盤達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，齒輪由連桿帶動(dòng)圓形內(nèi)置式永磁體旋轉(zhuǎn)30°，此時(shí)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為825 r∕min。1 s后，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的降低，滑塊所受離心力減小，齒輪的旋轉(zhuǎn)角度從30°恢復(fù)至0°的初始位置，如圖8所示。

圖8 齒輪旋轉(zhuǎn)角度Fig.8 The auto-rotation angle of the gear

4 有限元仿真分析

4.1 磁場分布

混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)同時(shí)包含表貼永磁體和內(nèi)置永磁體，根據(jù)麥克斯韋方程進(jìn)行分析，瞬態(tài)磁場的定解問題描述如下：

在ANSYS Maxwell中建立有限元模型并進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算，得到同標(biāo)尺下的磁場分布圖如圖9所示。電機(jī)在基速下運(yùn)行時(shí)，磁場分布如圖9a所示，定子鐵心中的磁通密度較高，漏磁小。當(dāng)電機(jī)在基速以上運(yùn)行時(shí)，磁場分布如圖9b所示。定子鐵心中磁通密度較低，漏磁較大，轉(zhuǎn)子鐵心磁通密度趨于飽和。

圖9 電機(jī)磁場分布圖Fig.9 Magnetic field distribution diagram of machine

由于圓形內(nèi)置永磁體通過機(jī)械調(diào)磁裝置旋轉(zhuǎn)了30°，磁化方向發(fā)生改變。d軸磁通隨著磁阻和漏磁的增大而減小，直接改變了電機(jī)內(nèi)部磁場的分布，達(dá)到弱磁的效果。

4.2 繞組磁鏈

計(jì)算電機(jī)在兩種不同運(yùn)行速度下的繞組磁鏈，結(jié)果如圖10所示。當(dāng)內(nèi)置永磁體旋轉(zhuǎn)30°（825 r∕min）時(shí)，繞組磁鏈的峰值有較明顯的降低。與初始狀態(tài)（750 r∕min）相比，繞組磁鏈的峰值降低了16.7%。

圖10 混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)磁鏈曲線Fig.10 The flux linkage curves of hybrid rotor-structure PMSM

4.3 氣隙磁密

氣隙磁場的分布不僅影響電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，還直接影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形。進(jìn)一步研究氣隙磁密與轉(zhuǎn)子位置角在不同速度下的關(guān)系，結(jié)果如圖11所示。當(dāng)電機(jī)在基速750 r∕min運(yùn)行時(shí)，氣隙磁密波形類正弦度較高，氣隙磁密峰值為0.84 T。當(dāng)電機(jī)在基速以上（825 r∕min）運(yùn)行時(shí)，氣隙磁密波形發(fā)生畸變，峰值降到0.60 T。機(jī)械裝置帶動(dòng)圓形內(nèi)置永磁體旋轉(zhuǎn)，d軸磁阻增加，使氣隙磁密幅值降低。氣隙磁密的幅值會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而減小，由于磁化方向的改變，隔磁橋的作用減弱，磁極之間的漏磁增加。

圖11 氣隙磁密分布Fig.11 The distribution of airgap flux density

4.4 反電勢(shì)波形

圖12為電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的反電勢(shì)波形。由圖12可知，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在永磁體旋轉(zhuǎn)0°（750 r∕min）時(shí)，磁通量最大，反電勢(shì)峰值為29.4 V，反電動(dòng)勢(shì)與速度成正比，速度比等于反電動(dòng)勢(shì)比；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在永磁體旋轉(zhuǎn) 30°（825 r∕min）時(shí)，磁通量最小，反電勢(shì)峰值為21.2 V，合成磁鏈相位與反電勢(shì)波形隨圓形內(nèi)置永磁體磁化方向的變化而變化。分析結(jié)果表明，通過機(jī)械式磁通調(diào)節(jié)裝置改變圓形內(nèi)置永磁體的旋轉(zhuǎn)角度，可以有效地調(diào)節(jié)電機(jī)的內(nèi)部磁場。

圖12 反電勢(shì)波形Fig.12 Back EMF waveforms

4.5 弱磁能力

以單相磁鏈為指標(biāo)，計(jì)算了電機(jī)在內(nèi)置永磁體不同旋轉(zhuǎn)角度下的弱磁能力，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著永磁體旋轉(zhuǎn)角度的增加，弱磁能力增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過90°時(shí)，氣隙磁場畸變嚴(yán)重，弱磁能力較低。

表2 旋轉(zhuǎn)角度與弱磁能力關(guān)系Tab.2 Relationship between rotation angle and weakening rate

為了滿足高速、高效率的要求，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性被認(rèn)為是永磁電機(jī)的1個(gè)關(guān)鍵特性。在基速時(shí)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)來獲得最大轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過基速時(shí)，由于電動(dòng)勢(shì)恒定，必須削弱氣隙磁場。電機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖13所示。圖13表明，當(dāng)機(jī)械調(diào)磁裝置未啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩更大但恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域有限。當(dāng)圓形永磁體旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域明顯增加。

圖13 轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.13 Comparison chart of torque—speed

5 結(jié)論

為了解決永磁同步電機(jī)恒功率范圍窄的問題，本文提出了一種帶有機(jī)械調(diào)磁裝置的混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。通過對(duì)調(diào)磁原理的分析、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）機(jī)械調(diào)磁裝置可在不同轉(zhuǎn)速下自動(dòng)調(diào)節(jié)圓形內(nèi)置式永磁體的旋轉(zhuǎn)角度。通過動(dòng)力學(xué)仿真，得到了齒輪旋轉(zhuǎn)角度與時(shí)間的關(guān)系，驗(yàn)證了機(jī)械調(diào)磁裝置的可行性。

2）帶有機(jī)械調(diào)磁裝置的混合式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)具有良好的弱磁性能。對(duì)電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的電磁特性進(jìn)行了分析，得到了弱磁能力與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。