齊占偉，馬海濤

(1．火箭軍指揮學(xué)院，武漢430012；2．南京師范大學(xué)附屬中學(xué)丁家莊初級(jí)中學(xué)，南京210028)

0 引 言

電力驅(qū)動(dòng)作為一種無(wú)污染的動(dòng)力方式，受到了社會(huì)越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1-3]。永磁同步電機(jī)由于其高效率、高功率密度等特點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-6]。隨著日益增長(zhǎng)的低成本、高轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求，很多新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)被提出。

一方面，目前電機(jī)鐵心通過(guò)沖片工藝加工制造，存在著硅鋼片利用率低，沖壓力要求較高等問(wèn)題。模塊化制造工藝可以降低沖壓機(jī)等設(shè)備需求，同時(shí)減少鐵心浪費(fèi)，從而降低制造成本，因而被廣泛研究[2,7-11]。

另一方面，磁阻轉(zhuǎn)矩作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的重要組成部分，通常可以提高電機(jī)的容錯(cuò)能力，并提升整體轉(zhuǎn)矩。然而，現(xiàn)有永磁電機(jī)中的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)之間存在約45°電角度的偏移，因此在實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大化的過(guò)程中，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩分量都無(wú)法充分利用。為了進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)矩，很多學(xué)者通過(guò)改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，減小磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩之間的夾角，從而實(shí)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩偏移效應(yīng)，提高輸出平均轉(zhuǎn)矩[12-16]。

文獻(xiàn)[12-13]在內(nèi)置式永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，利用極內(nèi)不對(duì)稱(chēng)永磁體實(shí)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩之間的夾角偏移，從而提升轉(zhuǎn)矩。然而，兩者的轉(zhuǎn)子存在大量空氣磁障，不僅限制了永磁用量，降低了轉(zhuǎn)子空間利用率，且永磁體塊數(shù)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[14]將不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)應(yīng)用于輻條式永磁電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩偏移。文獻(xiàn)[15]同時(shí)采用了不對(duì)稱(chēng)永磁體和不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)子鐵心，提出了一種可以提升轉(zhuǎn)矩的磁阻轉(zhuǎn)矩偏移型內(nèi)置式永磁電機(jī)。但這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)依舊需要大量磁障來(lái)降低永磁磁場(chǎng)漏磁。文獻(xiàn)[16]同時(shí)使用輻條式永磁和表貼式永磁，并通過(guò)磁極整形使表貼式永磁體不對(duì)稱(chēng)，從而偏轉(zhuǎn)磁阻轉(zhuǎn)矩，然而該結(jié)構(gòu)永磁體加工工藝復(fù)雜。同時(shí)上述結(jié)構(gòu)都需要轉(zhuǎn)子整體加工，制造成本相對(duì)較高。

結(jié)合模塊化工藝和磁阻轉(zhuǎn)矩偏移兩種思路，文獻(xiàn)[17]提出了一種轉(zhuǎn)子模塊化的永磁同步電機(jī)。該電機(jī)轉(zhuǎn)子使用了模塊化轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)，可以降低加工難度。同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，永磁轉(zhuǎn)矩q軸和磁阻轉(zhuǎn)矩d軸從傳統(tǒng)電機(jī)的0°偏移到45°，因此可以在利用永磁轉(zhuǎn)矩的同時(shí)利用磁阻轉(zhuǎn)矩，有效提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能。

但是文獻(xiàn)[17]中提出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仍舊采用空氣磁障來(lái)改變磁路。本文基于文獻(xiàn)[17]，在轉(zhuǎn)子磁障區(qū)域增加了切向充磁的永磁體，進(jìn)一步利用有限的轉(zhuǎn)子空間，提升轉(zhuǎn)矩密度。通過(guò)對(duì)不同充磁方向時(shí)電機(jī)的特性有限元仿真分析，驗(yàn)證了這一方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了較為理想的結(jié)果。

1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[17]提出的模塊化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，為便于區(qū)分，后文稱(chēng)其為結(jié)構(gòu)A。這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子鐵心被分成了p個(gè)模塊，其中p為極數(shù)。可以看出，每一個(gè)磁極跨越兩個(gè)模塊，因此該轉(zhuǎn)子的永磁d軸位于轉(zhuǎn)子磁障中間，永磁q軸位于模塊周向中心位置，如圖1(a)所示[17]。

然而轉(zhuǎn)子中的磁障影響了有限的轉(zhuǎn)子空間的利用，且容易引入加工誤差。為此，可在磁障位置加裝切向永磁體，在進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)子空間利用率的同時(shí)，提升磁密度，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

在增加切向永磁體的時(shí)候，有兩種不同的充磁方向，分別如圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1 三種磁阻轉(zhuǎn)矩偏移型模塊化轉(zhuǎn)子

圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)B中，每一個(gè)模塊的鐵極極性與相鄰的徑向充磁永磁體極性相反，因此其N(xiāo)S極范圍和永磁d、q軸定義與文獻(xiàn)[17]中結(jié)構(gòu)A一致。然而，圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)C中，每一個(gè)模塊的鐵極極性與相鄰的徑向充磁永磁體極性相同，因此其N(xiāo)S極范圍和永磁d、q軸定義與結(jié)構(gòu)A呈90°電角度的夾角。

可以看出，圖1(b)和圖1(c)中所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雖然都利用了磁障的空間，但兩者的磁路截然不同。同時(shí)，由于磁極在其極面內(nèi)的位置不同，兩種結(jié)構(gòu)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩特性也不盡相同。

為對(duì)比結(jié)構(gòu)A、B、C三種轉(zhuǎn)子電機(jī)的特性，這里選用一臺(tái)使用分布繞組的12槽4極電機(jī)進(jìn)行有限元仿真。電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，繞組分布如圖2所示。

表1 仿真用電機(jī)的主要參數(shù)

圖2 仿真用12槽4極電機(jī)的繞組分布

2 磁阻轉(zhuǎn)矩偏移特性分析

電機(jī)的平均總轉(zhuǎn)矩Ttotal可以分為兩個(gè)部分：永磁轉(zhuǎn)矩TPM和磁阻轉(zhuǎn)矩Trel。用公式可以表示為[12]

(1)

式中，p為極對(duì)數(shù)，ψf為永磁磁鏈，is為相電流，β為電流超前角，ΔLdq為d、q軸電感之差。

圖3為傳統(tǒng)電機(jī)、結(jié)構(gòu)B電機(jī)和結(jié)構(gòu)C電機(jī)永磁d、q軸和磁阻d、q軸分布。定義逆時(shí)針?lè)较?，即左?cè)為正方向。對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)，如圖3(a)所示，永磁q軸和磁阻d軸重合，這導(dǎo)致了永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值之間存在45°電角度的相位差，因此在總轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩都非最大值。

圖3 永磁dq軸和磁阻dq軸

對(duì)于磁阻轉(zhuǎn)矩偏移型模塊化電機(jī)而言，永磁q軸和磁阻d軸之間的相位角實(shí)現(xiàn)了偏移，因此其轉(zhuǎn)矩公式可以寫(xiě)成：

(2)

式中，αs為永磁q軸和磁阻d軸之間的夾角。

由于結(jié)構(gòu)B中磁路與結(jié)構(gòu)A相似，因此其d、q軸定義與結(jié)構(gòu)A相同，如圖3(b)所示[17]。由圖3(b)可以看出，結(jié)構(gòu)B中αs=45°，因此可以在β=0處同時(shí)實(shí)現(xiàn)永磁和磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值。但結(jié)構(gòu)C中αs=-45°，如圖3(c)所示，這導(dǎo)致了磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩方向相反，因而會(huì)引起總轉(zhuǎn)矩下降。為了實(shí)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩的提升，對(duì)結(jié)構(gòu)C進(jìn)行左右反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)永磁與磁阻轉(zhuǎn)矩疊加，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升。理想情況下，磁阻轉(zhuǎn)矩偏移前后的轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示。但實(shí)際中由于結(jié)構(gòu)限制等因素，αs很難實(shí)現(xiàn)理想的45°電角度。

圖4 磁阻轉(zhuǎn)矩偏移前后的轉(zhuǎn)矩-電流角曲線

3 電機(jī)優(yōu)化及性能對(duì)比分析

3.1 電機(jī)優(yōu)化

電機(jī)模塊化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示，包括徑向充磁永磁體的寬度L1，高度h1，以及切向充磁永磁體的寬度L2。受制于電機(jī)尺寸和加工限制，三者的變化范圍為：L1∈[4 mm，39 mm]，h1∈[1 mm，4 mm]，L2∈[1 mm，5 mm]。優(yōu)化目標(biāo)為最大轉(zhuǎn)矩。優(yōu)化后的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了方便區(qū)分，后文稱(chēng)其為模型A，模型B，模型C。

圖5 電機(jī)模塊化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 三種優(yōu)化后電機(jī)模型

3.2 電機(jī)性能對(duì)比及分析

三臺(tái)電機(jī)在400 r/m轉(zhuǎn)速下的空載反電動(dòng)勢(shì)如圖7所示?？梢钥闯?，模型B和模型C的基波反電動(dòng)勢(shì)較模型A均有明顯提升，因此會(huì)產(chǎn)生更大的永磁轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，模型B的諧波含量較大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。

圖7 空載反電勢(shì)對(duì)比

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖9所示，顯然，模型A的平均轉(zhuǎn)矩最小，模型B的平均轉(zhuǎn)矩最大，說(shuō)明模型B能夠更好地提升轉(zhuǎn)矩性能。同時(shí)，與模型A相比，模型B和模型C的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)大幅度降低，尤其是6次諧波含量有明顯下降。

圖9 額定轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖10進(jìn)一步明晰轉(zhuǎn)矩成分在各個(gè)電機(jī)中的含量。容易看出，磁阻轉(zhuǎn)矩在點(diǎn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提升中都起到積極作用，且在各個(gè)電機(jī)中的大小基本一致。但永磁轉(zhuǎn)矩部分，模型B提升明顯，這是因?yàn)橐肓祟~外的切向充磁永磁體導(dǎo)致的，該結(jié)果證明該方法可以有效提升轉(zhuǎn)矩，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

圖10 轉(zhuǎn)矩成分對(duì)比

4 結(jié) 論

本文現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，充分利用轉(zhuǎn)子空間，提出了兩種磁阻轉(zhuǎn)矩偏移型模塊化電機(jī)。提出的電機(jī)采用轉(zhuǎn)子鐵心模塊化結(jié)構(gòu)，能夠降低制作工藝難度和制造成本，同時(shí)能夠隨電流超前角的相位偏移磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)和磁阻轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)更加接近，更好地利用永磁和磁阻轉(zhuǎn)矩分量，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。本文在分析磁阻轉(zhuǎn)矩偏移原理的基礎(chǔ)上，利用有限元仿真驗(yàn)證了理論的正確性。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)B能夠?qū)崿F(xiàn)更大的永磁轉(zhuǎn)矩，因而能實(shí)現(xiàn)最大的總轉(zhuǎn)矩輸出。此外，提出的電機(jī)能大幅度降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提升機(jī)械性能。