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        高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)綜述

        2023-03-30 06:09:26孫玉華趙文祥吉敬華凌志健
        電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:脈動(dòng)三相永磁

        孫玉華 趙文祥 吉敬華 曾 煜 凌志健

        高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)綜述

        孫玉華 趙文祥 吉敬華 曾 煜 凌志健

        (江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013)

        多相組永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、容錯(cuò)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),在航空航天、艦船推進(jìn)等高轉(zhuǎn)矩性能應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛的關(guān)注。首先,該文探討多相組永磁電機(jī)的繞組拓?fù)涮攸c(diǎn),分析其轉(zhuǎn)矩性能提升機(jī)理,歸納轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)的相移角設(shè)計(jì)規(guī)律。其次,總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多相組永磁電機(jī)領(lǐng)域已開展的工作,重點(diǎn)圍繞槽極配比、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相組間聯(lián)結(jié)方式等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。然后,基于電流諧波注入和永磁體諧波注削技術(shù),進(jìn)一步闡述了提高多相組永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的方法。針對(duì)多相組永磁電機(jī)高可靠設(shè)計(jì)技術(shù),從短路電流抑制、相間獨(dú)立性提高、繞組余度提升的層面進(jìn)行了整理和歸納。最后,對(duì)高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)進(jìn)行總結(jié)與展望。

        永磁電機(jī) 多相組結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)矩性能 相移角 可靠性

        0 引言

        隨著工業(yè)4.0十大優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的布局與發(fā)展,特別是航空航天、艦船推進(jìn)等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求,對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能提出了更高要求[1]。高轉(zhuǎn)矩密度有助于提升裝備的運(yùn)載能力,而低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)則可以提高裝備的定位精度和運(yùn)行平順性。因此,實(shí)現(xiàn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì),提升轉(zhuǎn)矩性能,已成為永磁(Permanent Magnet, PM)電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

        目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制方法進(jìn)行了較多的研究。其中,定子斜槽[3]、轉(zhuǎn)子斜極[4]、永磁體偏心[5]和不對(duì)稱磁極[6]等方法在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。此外,對(duì)槽極配比和定子槽型尺寸進(jìn)行優(yōu)化也是較為典型的技術(shù)手段[7]。然而,這些方法旨在通過調(diào)整電機(jī)定/轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),不僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)加工困難,而且不可避免地會(huì)降低轉(zhuǎn)矩密度。高性能磁性材料的發(fā)展是電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能提升的重要基礎(chǔ)[8],如第四代永磁材料稀土鐵氮、稀土鐵碳,高飽和磁感的鈷鐵合金等。然而,其主要效能在于轉(zhuǎn)矩密度的提高,難以兼顧電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。

        與傳統(tǒng)三相電機(jī)系統(tǒng)相比,多相電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和容錯(cuò)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),滿足電機(jī)的高端應(yīng)用需求[9]。雙三相永磁電機(jī)是多相電機(jī)和永磁電機(jī)交叉融合的產(chǎn)物[10],其定子繞組由兩套獨(dú)立的三相繞組組成,通過優(yōu)化兩套繞組間的相移角,不僅可以提高電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩,而且可以最大程度地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11]。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,以三-三相[12]、四-三相[13]、五-三相[14]等為代表的多相組永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)在電力推進(jìn)大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合得到廣泛的關(guān)注。其不僅可以有效提升電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩性能,而且改善了故障后電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力,顯現(xiàn)了重要的研究意義與實(shí)用價(jià)值[12-14]。

        本文回顧并總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)方面的研究。首先,分類探討了多相組永磁電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩性能提升機(jī)理,總結(jié)了具有普適性的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩相移角設(shè)計(jì)方法,探究了多相組結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍;其次,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對(duì)典型的多相組永磁電機(jī)槽極配比及其相移角進(jìn)行了闡述,并介紹了進(jìn)一步提升多相組永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的關(guān)鍵技術(shù);然后,從短路電流、相間獨(dú)立性、繞組余度的角度概述了多相組永磁電機(jī)可靠性增長(zhǎng)方法;最后,對(duì)高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)與展望。

        1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

        1.1 繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        多相組永磁電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a為多相組永磁電機(jī)的繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中每相(A1、B1、…、M1,≥3)為一組繞組單元,電機(jī)具有(≥2)組互差相移角s的單元結(jié)構(gòu)。具體地,以圖1b所示的雙相繞組結(jié)構(gòu)為例闡述,其相移角s與電機(jī)的槽極配比有關(guān),可以表示為

        式中,0為單元電機(jī)的槽數(shù);1為常數(shù),其值取決于永磁電機(jī)的槽極配比;0為單元電機(jī)的槽距角;為槽距數(shù),具體可以寫成

        式中,CD為公約數(shù)。優(yōu)化繞組單元間的相移角s是實(shí)現(xiàn)多相組電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能提升的關(guān)鍵。

        圖1 多相組永磁電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)

        多相組永磁電機(jī)各繞組單元具有多種聯(lián)結(jié)方式。以雙相繞組結(jié)構(gòu)為例,其相組間的聯(lián)結(jié)方式包括星-星(YY)、星-三角(YD)聯(lián)結(jié)等[15],如圖2所示。對(duì)于YY聯(lián)結(jié)來(lái)說(shuō),各相繞組的匝數(shù)及電流幅值保持相同,而YD聯(lián)結(jié)存在不對(duì)稱性,即

        式中,IY和分別為星形繞組和三角形繞組的電流幅值;NY和分別星形繞組和三角形繞組的線圈匝數(shù)。

        1.2 轉(zhuǎn)矩提升機(jī)理

        永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以寫成

        式中,out為永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;cog、pm和r分別為永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。基于凍結(jié)磁導(dǎo)率法[16],將永磁電機(jī)的各轉(zhuǎn)矩成分進(jìn)行分離,永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能分析方法如圖3所示。pm、a和com分別為永磁磁場(chǎng)、電樞磁場(chǎng)和合成磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,pm、a和com分別為上述磁場(chǎng)的磁通密度,pm、a和com分別為對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率。電機(jī)各轉(zhuǎn)矩成分可以表示[17]為

        式中,0為真空磁導(dǎo)率;為氣隙半徑;ef為電機(jī)的有效軸長(zhǎng);為氣隙磁場(chǎng)的諧波階次(為基波磁場(chǎng),為極對(duì)數(shù));rpm和tpm分別為永磁磁場(chǎng)的徑向和切向分量;ra和ta分別為電樞磁場(chǎng)的徑向和切向分量;1~4為對(duì)應(yīng)階次諧波的相位差。永磁電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)不會(huì)影響永磁磁場(chǎng)的分布特性,因此rpm_v、tpm_v和1保持不變。但是,不同繞組結(jié)構(gòu)通過影響繞組系數(shù),進(jìn)而使得電樞磁場(chǎng)含量ra_v、ta_v不同,同時(shí)磁場(chǎng)間的相位差2、3和4也存在差異?;谝陨戏治隹芍?,多相組結(jié)構(gòu)不會(huì)影響電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩,其對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的提升主要體現(xiàn)在永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩方面[18-19]。

        圖3 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能分析方法

        根據(jù)式(4)可知,在確定的電機(jī)尺寸下,永磁磁場(chǎng)基波rpm_p、tpm_p的含量相同,采用高基波繞組因數(shù)的繞組結(jié)構(gòu),可以提高電樞磁場(chǎng)基波ra_p、ta_p的含量[11],從而提升永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的平均值。進(jìn)一步地,通過優(yōu)化選取電機(jī)的槽極配比,可以有效地抑制齒槽轉(zhuǎn)矩[7],因此多相組永磁電機(jī)總轉(zhuǎn)矩可以看作各繞組單元產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的疊加,即

        式中,為電角速度;為時(shí)間;為正整數(shù);為多相繞組的組序;0為各繞組單元產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩;2ml和2ml分別為2次轉(zhuǎn)矩諧波的幅值和相位。

        (1)當(dāng)為奇數(shù)時(shí),式(5)中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成分可以展開為

        明顯地,多相組永磁電機(jī)相移角對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有重要的影響。當(dāng)含量最高的轉(zhuǎn)矩諧波通過繞組單元間的相位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)消除后,即sin(s)=0,電機(jī)可以獲得最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為描述方便,定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小時(shí)的相移角為rip。對(duì)式(6)分析可知,=1表示最低階次的轉(zhuǎn)矩諧波,其含量最高。為實(shí)現(xiàn)2m次轉(zhuǎn)矩諧波的消除,rip取值分兩種情況:當(dāng)繞組單元數(shù)為偶數(shù)時(shí),rip=p/();當(dāng)繞組單元數(shù)為奇數(shù)時(shí),rip=p/()或者rip=2p/()。

        電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能包括兩個(gè)方面:低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和高轉(zhuǎn)矩密度?;谏鲜龇治隹芍?,當(dāng)多相組永磁電機(jī)相移角s=rip時(shí),電機(jī)可以獲得最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。高轉(zhuǎn)矩密度的關(guān)鍵在于基波繞組因數(shù)的提升,為描述方便,定義平均轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的相移角為avg。圖4以雙三相和三-三相繞組結(jié)構(gòu)為例,描述了多相組永磁電機(jī)的等效基波槽矢量星形圖。相同的槽極配比,不同相移結(jié)構(gòu)下短距系數(shù)相等[11],因此為獲得最大的繞組系數(shù),其槽矢量在基波空間下應(yīng)集中分布。以基波繞組系數(shù)最大為約束,第一套繞組(A1、B1、C1)的槽矢量空間分布已在圖4中用陰影標(biāo)出,圖中,SA1+、SB1+、SC1+為各相正相帶的分布區(qū)域,SA1-、SB1-、SC1-為各相負(fù)相帶的分布區(qū)域。當(dāng)繞組單元數(shù)為偶數(shù)時(shí),相鄰繞組單元對(duì)應(yīng)相之間的相移角為p/(),即avg=p/();當(dāng)繞組單元數(shù)為奇數(shù)時(shí),相鄰繞組單元對(duì)應(yīng)相之間的相移角存在兩種情況,即avg=p/()或者avg=2p/()。

        (2)當(dāng)為偶數(shù)時(shí),采用相同的分析方法,可以推導(dǎo)得到:當(dāng)滿足sin(s/2)=0時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。此時(shí),多相組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小相移角rip=2p/()。同時(shí),以基波繞組系數(shù)最大為約束,平均轉(zhuǎn)矩最大相移角avg也等于2p/()。

        根據(jù)上述分析可知,多相組結(jié)構(gòu)在提高永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面具有一致性。因此,定義轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)相移角為op,且op=rip=avg。采用上述相移結(jié)構(gòu),不僅消除了含量最高的轉(zhuǎn)矩諧波,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效抑制;而且獲得了最大的基波繞組因數(shù),提高了電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩[11-19]。

        (a)雙三相繞組(m=3, k=2)?。╞)三-三相繞組(m=3, k=3)

        進(jìn)一步地,表1總結(jié)了不同情況下的多相組永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)相移角op[45]。在轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)約束下,根據(jù)各相繞組的相位關(guān)系,可以分為對(duì)稱多相組永磁電機(jī)和不對(duì)稱多相組永磁電機(jī),如圖5所示。當(dāng)相數(shù)為偶數(shù)時(shí),其各相繞組在空間上對(duì)稱分布,電機(jī)實(shí)際上采用的是常規(guī)相繞組結(jié)構(gòu),應(yīng)用較少,因篇幅所限,本文對(duì)此不做討論。相數(shù)為奇數(shù)可以分成兩種情況:一是相組數(shù)為偶數(shù),電機(jī)采用不對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)相之間的相位差為2p/(),雙三相、四-三相永磁電機(jī)是該類型的典型代表;二是相組數(shù)為奇數(shù),對(duì)稱繞組和不對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)均具有最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩性能,相較之下不對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛,此類結(jié)構(gòu)的典型代表有三-三相、三-五相等。

        表1 多相組永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)相移角

        Tab.1 Phase shifts of optimal torque performance for multi-star multi-phase PM machines

        圖5 多相組永磁電機(jī)分類及應(yīng)用

        1.3 適用范圍

        國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以雙三相繞組結(jié)構(gòu)為例,對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了詳細(xì)分析[20-21]。研究結(jié)果論證了30 °相移結(jié)構(gòu)不僅可以提高氣隙磁場(chǎng)的基波含量,而且有效消除了諧波分量,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩性能的提升。東南大學(xué)Hua Wei等全面分析了雙三相[22]、三-三相[46]、四-三相[45]繞組結(jié)構(gòu)在磁通切換永磁電機(jī)(Flux Switching Permanent Magnet, FSPM)上的應(yīng)用,驗(yàn)證了表1總結(jié)的最優(yōu)相移角對(duì)轉(zhuǎn)矩性能提升的有效性。江蘇大學(xué)Zhao Wenxiang等基于雙相同步磁阻電機(jī),闡明了不同相移結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的影響機(jī)理,印證了最優(yōu)相移角對(duì)永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩均具有提升作用[19]。意大利帕多瓦大學(xué)N. Bianchi等圍繞內(nèi)置式雙三相永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了深入的對(duì)比分析[23],內(nèi)置式多相組永磁電機(jī)如圖6所示。相較傳統(tǒng)的三相繞組,電機(jī)在雙三相30 °相移結(jié)構(gòu)下平均轉(zhuǎn)矩提高4.8 %,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由13.3 %降低至9 %。可見,最優(yōu)相移結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能提升效能具有普適性,并不受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響。

        (a)截面(b)實(shí)物

        此外,浙江大學(xué)盧琴芬等研究了雙三相永磁直線電機(jī)的推力波動(dòng)及抑制問題[24]。采用雙三相繞組結(jié)構(gòu),結(jié)合鐵心邊端齒優(yōu)化技術(shù)以及不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu),電機(jī)推力脈動(dòng)分別降低了37.3 %和30.7 %。這表明多相組結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的提升也不受電機(jī)運(yùn)動(dòng)方式的限制,具有廣闊的適用范圍。

        2 槽極配比與相移角設(shè)計(jì)

        2.1 偶數(shù)組結(jié)構(gòu)

        2.1.1 雙三相永磁電機(jī)

        在多相組永磁電機(jī)中,雙三相繞組結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛[25]。文獻(xiàn)[26-27]先后總結(jié)了適用雙三相繞組的電機(jī)槽極配比,雙三相永磁電機(jī)槽極配比與相移角見表2。表中,單元電機(jī)槽數(shù)為6及其奇數(shù)倍的槽極配比無(wú)法采用轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)的30 °相移結(jié) 構(gòu)[27]。因此,本文并未單獨(dú)將其納入討論范圍。不同槽極配比在30 °最優(yōu)相移結(jié)構(gòu)下,基波繞組因數(shù)wp均呈現(xiàn)最大值,電機(jī)具有產(chǎn)生更高轉(zhuǎn)矩密度的潛力。此外,哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍等通過如圖7所示的定子不等齒技術(shù),將該雙三相永磁電機(jī)的基波繞組因數(shù)由0.956提升至0.999,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度得到進(jìn)一步提升。

        圖7 雙三相永磁電機(jī)新型定子結(jié)構(gòu)

        分?jǐn)?shù)槽集中繞組具有齒槽轉(zhuǎn)矩小、相間耦合低的特點(diǎn),受到雙三相電機(jī)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞12槽10極[29]、12槽14極[30]、24槽22極[34]等分?jǐn)?shù)槽集中繞組,在研究雙三相30 °相移結(jié)構(gòu)在降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí),消除了較高含量的電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波,拓寬了雙三相永磁電機(jī)在高速領(lǐng)域的應(yīng)用。德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)D. Gerling等基于定子倍增技術(shù),將雙三相繞組結(jié)構(gòu)從分?jǐn)?shù)槽集中繞組推廣至分布繞組[40],24槽10極繞組結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。通過調(diào)整兩套繞組間的空間相位差w,輔以不等齒寬、不等匝數(shù)技術(shù),最終電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅3 %。進(jìn)一步地,相關(guān)學(xué)者對(duì)24槽10極[32]、24槽14極[21]、48槽22極[39]等雙三相分布繞組永磁電機(jī)在不同相移結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明,采用30 °相移結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

        圖8 24槽10極繞組結(jié)構(gòu)示意圖

        相較分?jǐn)?shù)槽電機(jī),整數(shù)槽永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩大,嚴(yán)重影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能[7]。為此,土耳其學(xué)者Y. Demir等提出如圖9所示的新型不對(duì)稱定子繞組雙三相永磁電機(jī)[41-42]。電機(jī)采用非常規(guī)的槽極配比,避免了整數(shù)槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩過大的問題;相較78槽24極電機(jī)而言,78槽12極采用近最優(yōu)相移角的雙三相結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

        表2 雙三相永磁電機(jī)槽極配比與相移角

        Tab.2 Relationship of slot/pole combinations and phase shifts

        注:—表示該極槽配比無(wú)法采用雙三相繞組結(jié)構(gòu)。

        圖9 新型不對(duì)稱定子繞組雙三相永磁電機(jī)

        在雙三相繞組結(jié)構(gòu)中,除上述應(yīng)用最廣泛的YY聯(lián)結(jié)之外,YD聯(lián)結(jié)也受到較多的關(guān)注。文獻(xiàn)[43]系統(tǒng)性地歸納了YD聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與轉(zhuǎn)矩影響機(jī)理,設(shè)計(jì)并制造了12槽10極三相YD聯(lián)結(jié)雙層繞組永磁電機(jī)。與傳統(tǒng)三相繞組相比,采用YD聯(lián)結(jié)的樣機(jī)平均轉(zhuǎn)矩提升3.6 %,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅為0.31 %。在此基礎(chǔ)上,河海大學(xué)陳湞斐團(tuán)隊(duì)提出12槽10極三相YD聯(lián)結(jié)四層繞組永磁電機(jī),如圖10所示[44]。研究結(jié)果表明,當(dāng)定子繞組均采用YD聯(lián)結(jié)時(shí),四層繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)一步抑制了電樞磁場(chǎng)低次諧波,永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、鐵耗和渦流損耗均得以降低;但是其平均轉(zhuǎn)矩較雙層繞組結(jié)構(gòu)略有犧牲,幅度為4%左右。

        圖10 YD聯(lián)結(jié)四層繞組雙三相永磁電機(jī)

        2.1.2 四-三相永磁電機(jī)

        東南大學(xué)程明團(tuán)隊(duì)分析并比較了風(fēng)力發(fā)電用雙三相與四-三相FSPM的轉(zhuǎn)矩性能[45]。與雙三相FSPM相比,四-三相FSPM的平均轉(zhuǎn)矩提高3.5 %,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低90 %以上。進(jìn)一步地,該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一臺(tái)24槽23極四-三相FSPM,分別采用15 °和30 °相移結(jié)構(gòu),如圖11所示[46]。由式(6)可知,在四-三相繞組結(jié)構(gòu)下,相比于其他相移結(jié)構(gòu),15 °相移結(jié)構(gòu)可以最大程度地消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩諧波,電機(jī)具有最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。最終采用15 °相移結(jié)構(gòu)的FSPM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅0.06 %。法國(guó)里昂大學(xué)E. Semail等將15 °相移結(jié)構(gòu)應(yīng)用至96槽100極分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī),如圖12所示[47]。四套三相繞組在空間上呈周期性分布,并具有相同的轉(zhuǎn)矩性能。得益于15 °相移角對(duì)轉(zhuǎn)矩諧波的相位補(bǔ)償作用,電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)近乎于0。天津大學(xué)陳益廣團(tuán)隊(duì)以192槽40極分?jǐn)?shù)槽分布繞組永磁電機(jī)為對(duì)象,驗(yàn)證了15 °相移結(jié)構(gòu)下電機(jī)僅存在24的奇數(shù)倍次基波電頻率的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能顯著提升[48]。

        圖11 24槽23極四-三相磁通切換永磁電機(jī)

        圖12 96槽/100極四-三相永磁電機(jī)的1/4模型(15°相移)

        2.1.3 其他典型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)

        埃及亞歷山大大學(xué)A. S. Abdel-Khalik等針對(duì)20槽18極永磁電機(jī)提出了如圖13所示的雙五相繞組結(jié)構(gòu),且兩套五相繞組之間采用YD聯(lián)結(jié),對(duì)應(yīng)相之間的相移角為18 °[49]。

        圖13 雙五相YD聯(lián)結(jié)繞組結(jié)構(gòu)

        與傳統(tǒng)五相繞組永磁電機(jī)相比,雙五相繞組永磁電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩提高1.1 %。明顯地,雙五相繞組對(duì)五相電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的提升幅度小于雙三相繞組對(duì)三相電機(jī)的提升幅度。因此,相數(shù)更多的雙余度繞組結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)矩密度提升方面優(yōu)勢(shì)并不明顯,其應(yīng)用更多的是出于可靠性角度。

        2.2 奇數(shù)組結(jié)構(gòu)

        2.2.1 三-三相永磁電機(jī)

        華中科技大學(xué)Qu Ronghai等圍繞108槽12極整數(shù)槽永磁電機(jī),比較分析了不同相移結(jié)構(gòu)下三-三相永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能,其繞組結(jié)構(gòu)如圖14所 示[50]。相比于傳統(tǒng)的0 °相移結(jié)構(gòu),20 °相移結(jié)構(gòu)下永磁電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩提升4 %,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低78 %,而且渦流損耗降低了90 %。

        圖14 不同相移角的三-三相繞組結(jié)構(gòu)

        謝菲爾德大學(xué)Wang Jiabin等基于圖15a所示的18槽14極表貼式永磁電機(jī)[20],系統(tǒng)性分析了三-三相繞組不同相移結(jié)構(gòu)下電樞磁動(dòng)勢(shì)分布規(guī)律。研究結(jié)果表明,與三相繞組相比,采用20 °相移結(jié)構(gòu)的三-三相永磁電機(jī)可以有效消除1、5等次諧波含量,同時(shí)提高電機(jī)基波含量[51]。在額定工況下,電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由7.3 %降低至2.8 %,電機(jī)效率提高0.6 %。進(jìn)一步地,英國(guó)華威大學(xué)R. A. McMahon等分析比較了12槽10極雙三相永磁電機(jī)和18槽10極三-三相永磁電機(jī)(見圖15b)的轉(zhuǎn)矩性能[52]。有限元計(jì)算結(jié)果表明,在電負(fù)荷相同的條件下,三-三相永磁電機(jī)相比于雙三相永磁電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩提升16.84 %,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由3.05 %降低至0.33 %,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)均得到進(jìn)一步改善。

        圖15 三-三相繞組永磁電機(jī)

        2.2.2 三-五相永磁電機(jī)

        青島大學(xué)吳新振等分析了十五相電機(jī)定子繞組的組合模式對(duì)磁動(dòng)勢(shì)諧波含量的影響,提出了如圖16所示的三-五相繞組結(jié)構(gòu)[53],對(duì)應(yīng)相之間的相移角為12 °或24 °,但12 °相移結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為廣泛。海軍工程大學(xué)王東等對(duì)非正弦對(duì)稱的五-三相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了深入研究,建立了感應(yīng)電機(jī)磁路數(shù)學(xué)模型[54],并對(duì)其氣隙磁動(dòng)勢(shì)、定子漏抗、諧波電壓、電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算[55-58],為三-五相繞組的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

        圖16 三-五相繞組結(jié)構(gòu)

        哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔淑梅團(tuán)隊(duì)針對(duì)全電飛機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高轉(zhuǎn)矩密度的應(yīng)用需求,提出三套繞組高效配合、各套繞組獨(dú)立控制的三-五相永磁電機(jī)結(jié)構(gòu),如圖17所示[59]。電機(jī)選用30槽28極分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu),相移角為12 °。仿真結(jié)果表明,該電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于2.6 %,轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為0.004 %;在發(fā)生缺相故障后,分別采用空間電壓矢量容錯(cuò)控制和電流滯環(huán)容錯(cuò)控制方法,電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別為3.3 %和4.2 %,顯現(xiàn)了該繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有良好的魯棒性。此外,三套繞組的匝數(shù)不相等,按照設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速不同,分別為低速、中速和高速繞組。為延長(zhǎng)全工況續(xù)駛里程,提出三-五相繞組分套匹配與效率最優(yōu)控制的思想?;陲w行工況特點(diǎn),對(duì)各套繞組的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化分配,提高了電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的總體效率。

        圖17 30槽28極三-五相永磁電機(jī)(12°相移)

        2.2.3 其他典型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)

        除三-五相繞組結(jié)構(gòu)外,中國(guó)科學(xué)院電工研究所許海平等對(duì)十五相永磁電機(jī)其他結(jié)構(gòu)開展了深入的研究,不僅論證了十五相永磁電機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)三相永磁電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、損耗降低方面的優(yōu)勢(shì),而且比較了不同中性點(diǎn)接法對(duì)電機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)[60]提出了如圖18所示的五-三相繞組結(jié)構(gòu),可以最大程度地消除非正弦供電導(dǎo)致的電流諧波,避免其帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過如圖19所示的30槽26極永磁電機(jī),對(duì)五-三相繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證,其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幾乎為0。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊貴杰團(tuán)隊(duì)將五-三相繞組應(yīng)用至135槽60極分布繞組永磁電機(jī),采用24 °相移角,其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同樣控制在極低的水平[61]。

        圖18 五-三相繞組結(jié)構(gòu)

        圖19 30槽26極五-三相永磁電機(jī)(24 °相移)

        3 諧波效能提升技術(shù)

        利用多相組最優(yōu)相移角對(duì)轉(zhuǎn)矩諧波的相位補(bǔ)償作用,通過諧波效能提升技術(shù)可以進(jìn)一步提高永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。本節(jié)將分別從電樞磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)的角度,闡述轉(zhuǎn)矩密度增長(zhǎng)型永磁電機(jī)設(shè)計(jì)方法,而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)保持不變。

        3.1 電流諧波注入

        美國(guó)威斯康希大學(xué)T. A. Lipo等針對(duì)雙三相30 °相移感應(yīng)電機(jī)提出了3次電流諧波注入技術(shù)[62]。在氣隙磁通峰值相同的情況下,與傳統(tǒng)的三相繞組電機(jī)相比,采用3次電流諧波注入的雙三相繞組電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度最高可提升40 %。而且,得益于30 °相移結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩諧波的消除作用,諧波注入前后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)保持不變。南京航空航天大學(xué)Wang Kai等系統(tǒng)性分析了雙三相永磁電機(jī)3次電流諧波注入特征,分別在相等電流幅值和有效值的約束下,推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩密度最大化的電流諧波注入方法,如圖20所示[63]。最終,電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩提高幅度達(dá)到15 %左右,且無(wú)額外的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生。需要指出的是,雙三相繞組結(jié)構(gòu)為提供3次電流諧波流通路徑[64],需要將電機(jī)中性點(diǎn)連接到直流母線電容器的中點(diǎn)或額外的逆變器支路,不可避免地對(duì)電機(jī)控制拓?fù)鋷?lái)影響。5次、7次電流諧波注入示意圖如圖21所示。對(duì)于圖21a所示的控制拓?fù)洌?次電流諧波注入技術(shù)已不再適用,為此,湖南大學(xué)Hu Yashan等提出雙三相電機(jī)5次、7次電流諧波注入方法,如圖21b所示[65-66]。圖中,dc為直流母線電壓。該方法不需要調(diào)整雙三相永磁電機(jī)的控制拓?fù)?,而且平均轉(zhuǎn)矩提升幅度可達(dá)到8.6 %。

        圖20 3次電流諧波注入示意圖

        圖21 5次、7次電流諧波注入示意圖

        3.2 永磁體諧波注削

        除電流諧波注入技術(shù)之外,永磁體諧波注削技術(shù)也常被用來(lái)進(jìn)一步提升多相組永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能[67]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)Zou Jibin等提出在正弦削極的永磁體中注入3次諧波,增大氣隙磁通密度基波幅值,以提高電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩,同時(shí)不會(huì)影響到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[68]。文獻(xiàn)[69]利用拉格朗日中值定理推導(dǎo)了最小氣隙和最大永磁體厚度不變的條件下,轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的3次諧波幅值和基波幅值最優(yōu)比,設(shè)計(jì)了如圖22所示的高轉(zhuǎn)矩密度雙三相永磁電機(jī)。圖中,1和2分別為永磁體矩形和弧形區(qū)域的厚度,pm()為不同轉(zhuǎn)子空間位置下的永磁體厚度函數(shù)。最終,利用永磁體諧波注削技術(shù),該電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩提升幅度超過9 %。進(jìn)一步地,該團(tuán)隊(duì)基于此樣機(jī),將上述電流諧波注入技術(shù)與永磁體諧波注削方法相結(jié)合,樣機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩較原結(jié)構(gòu)增加了超過30 %,且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基本不變。

        圖22 永磁體諧波注削型永磁電機(jī)

        4 電機(jī)高可靠設(shè)計(jì)技術(shù)

        多相組永磁電機(jī)得益于較高的繞組自由度,受到高可靠電機(jī)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[70]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞短路電流抑制、相間獨(dú)立性提高、繞組余度提升等方面,對(duì)多相組永磁電機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究。

        4.1 短路電流

        在正常工作時(shí),表1總結(jié)的最優(yōu)相移結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的提升具有普適性[46]。然而,短路故障下相移結(jié)構(gòu)對(duì)短路電流的影響卻不同。文獻(xiàn)[71]以圖23所示的24槽22極雙三相永磁電機(jī)為例,詳盡地比較了短路故障后不同相移結(jié)構(gòu)下的電機(jī)性能。在三相短路狀態(tài)下,30 °相移結(jié)構(gòu)的短路電流和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩均最小,電機(jī)抗退磁能力最強(qiáng)。因此,30 °相移結(jié)構(gòu)在該電機(jī)正常和短路故障下均為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩相移結(jié)構(gòu)。

        圖23 24槽22極永磁電機(jī)(30°相移)

        文獻(xiàn)[27]以圖24所示的24槽10極雙三相永磁電機(jī)為對(duì)象,研究并比較了電機(jī)在不同相移結(jié)構(gòu)時(shí)的短路電流特性。在三相短路故障時(shí),相比于30 °相移結(jié)構(gòu),15 °相移結(jié)構(gòu)下短路電流峰值和穩(wěn)定值分別降低24.1 %和22.3 %,最大程度地減小了短路故障導(dǎo)致的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,顯現(xiàn)出更優(yōu)的轉(zhuǎn)矩性能和運(yùn)行可靠性。同樣地,文獻(xiàn)[72]基于48槽22極永磁電機(jī),提出了雙三相互差7.5 °的相移結(jié)構(gòu),如圖25所示。該結(jié)構(gòu)下電機(jī)短路電流穩(wěn)定值較30 °相移結(jié)構(gòu)降低了19.2 %,電機(jī)具有更優(yōu)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。

        圖24 24槽10極永磁電機(jī)(15 °相移)

        圖25 48槽22極永磁電機(jī)(7.5 °相移)

        上述研究圍繞多相組永磁電機(jī)高可靠設(shè)計(jì),以短路電流最小為目標(biāo),為多相組相移角設(shè)計(jì)提供了新的視角。結(jié)果表明,雙三相永磁電機(jī)在短路故障下的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩相移角并不一定是30 °,其受電機(jī)槽極配比、繞組空間分布的影響。

        4.2 相間獨(dú)立性

        多相組永磁電機(jī)定子模塊化設(shè)計(jì)可以提高相間獨(dú)立性,兼顧電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能和可靠性,是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[73]。整數(shù)槽電機(jī)具有多個(gè)單元結(jié)構(gòu),是模塊化設(shè)計(jì)的理想之選。南京航空航天大學(xué)張卓然、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Zhu Ziqiang等分別以144槽24極和192槽32極整數(shù)槽電機(jī)為例,如圖26所示[74-75],提出了采用30 °相移的雙三相繞組模塊化結(jié)構(gòu)方案,電機(jī)不僅具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩性能,而且相間耦合較低,有效提高了電機(jī)的可靠性。

        (a)144槽24極(1/12模型)(b)192槽32極(1/16模型)

        整數(shù)槽模塊化結(jié)構(gòu)存在齒槽轉(zhuǎn)矩大、端部繞組長(zhǎng)的問題。為此,文獻(xiàn)[76]將模塊化設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī),其電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖27所示。定子模塊間分別存在3個(gè)和6個(gè)冗余齒,以實(shí)現(xiàn)模塊化繞組的物理隔離,而且改變了原有的常規(guī)槽極配比規(guī)律。在上述設(shè)計(jì)方法下,不僅實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)高轉(zhuǎn)矩性能和容錯(cuò)性能的協(xié)同設(shè)計(jì),而且拓寬了雙三相繞組的應(yīng)用范圍。

        圖27 不同槽極配比的分?jǐn)?shù)槽永磁電機(jī)

        華中科技大學(xué)Li Jian等基于軸向磁通永磁電機(jī),提出了如圖28所示的分離式雙三相繞組結(jié)構(gòu)[77]。電機(jī)采用雙定子結(jié)構(gòu),兩套三相繞組獨(dú)立地分布于各定子模塊。相較于傳統(tǒng)雙三相繞組結(jié)構(gòu),采用分離式雙三相繞組在保證電機(jī)高轉(zhuǎn)矩性能的同時(shí),還降低了兩套繞組間的耦合效應(yīng),改善了電機(jī)振動(dòng)性能。此外,分離式雙三相繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想可以進(jìn)一步推廣至雙定子永磁電機(jī)、橫向磁通永磁電機(jī)等類型。

        圖28 雙定子軸向磁通永磁電機(jī)

        4.3 繞組余度

        為進(jìn)一步提高電機(jī)可靠性,文獻(xiàn)[78]提出了一種多余度的三-三相永磁電機(jī),如圖29所示。與傳統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式相比,改進(jìn)型繞組聯(lián)結(jié)存在3個(gè)空間上相互隔離的定子繞組模塊,每個(gè)三相繞組均由一個(gè)三相逆變器供電。當(dāng)某相發(fā)生故障時(shí),通過切除故障相所在的逆變器,實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)降額容錯(cuò)運(yùn)行,電機(jī)仍具有較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出能力[79-80]。在此基礎(chǔ)上,江蘇大學(xué)Liu Guohai等將定子模塊化思想應(yīng)用于多余度的三-三相整數(shù)槽永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與繞組方式如圖30所示[81]。電機(jī)定子沿圓周分成3個(gè)模塊,每個(gè)模塊均采用一套獨(dú)立的三相繞組,且端部不存在交疊;模塊間設(shè)置空氣磁障,以降低相組模塊間的電磁耦合,從而提高電機(jī)可靠性。通過引入容錯(cuò)控制算法,電機(jī)在一相開路故障狀態(tài)下,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低30%,表明該永磁電機(jī)在故障狀態(tài)下仍具有較為優(yōu)異的容錯(cuò)運(yùn)行能力[82]。

        哈爾濱工業(yè)大學(xué)Chai Feng等基于多余度相組設(shè)計(jì)方法,提出如圖31a所示的四-三相繞組永磁電機(jī)[83]。定子繞組具有四余度結(jié)構(gòu),各余度在空間上呈模塊化對(duì)稱分布,且余度間相互隔離。電機(jī)在發(fā)生單余度故障后,既能降額運(yùn)行,也可以由其他三余度過載容錯(cuò)運(yùn)行,保證了永磁電機(jī)系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行能力。湖南大學(xué)黃守道等提出一種用于城市軌道交通的六-三相儲(chǔ)能永磁電機(jī)系統(tǒng),如圖31b所 示[84]。定子繞組由6個(gè)所有特性相互重復(fù)的相組模塊組成,而且彼此之間采用隔離齒結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)電、磁、熱、物理隔離特性,有效地提高電機(jī)故障后的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

        圖29 多余度三-三相永磁電機(jī)

        圖30 帶隔離齒的三-三相永磁電機(jī)

        圖31 多繞組余度永磁電機(jī)

        5 結(jié)論

        本文主要對(duì)高轉(zhuǎn)矩性能多相組永磁電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)性梳理和歸納,總結(jié)如下:

        1)以轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)為原則,推導(dǎo)并歸納了多相組永磁電機(jī)的最優(yōu)相移角,闡明了不同相移結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響。多相組永磁電機(jī)可以分為以下三類:①相數(shù)為偶數(shù)時(shí),其對(duì)應(yīng)相之間的最優(yōu)相移角等于2p/(),電機(jī)為對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu);②相數(shù)為奇數(shù),且相組數(shù)為偶數(shù)時(shí),對(duì)應(yīng)相的最優(yōu)相移角為2p/(),電機(jī)為不對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu),典型代表包括雙三相、四-三相等結(jié)構(gòu);③相數(shù)為奇數(shù),且相組數(shù)也為奇數(shù)時(shí),相移角p/()或2p/()均具有最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩性能,電機(jī)采用對(duì)稱繞組或不對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)均可,典型應(yīng)用包括三-三相、五-三相等結(jié)構(gòu)。

        2)雙三相繞組永磁電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛,其轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)相移角為30 °。為此,單元電機(jī)的槽數(shù)需滿足12的倍數(shù),且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不受約束。該結(jié)構(gòu)不僅可以提高氣隙磁場(chǎng)基波含量,而且有效地消除了6的奇數(shù)倍次轉(zhuǎn)矩諧波成分,提升了轉(zhuǎn)矩性能。隨著電力電子技術(shù)與大功率器件的快速發(fā)展,以多-三相繞組結(jié)構(gòu)為代表的永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用日趨成熟。多-三相永磁電機(jī)不僅具有高轉(zhuǎn)矩性能,而且得益于較高的冗余度,電機(jī)故障下轉(zhuǎn)矩輸出能力得到顯著增強(qiáng)。此外,多-奇數(shù)相永磁電機(jī)的應(yīng)用更為普遍,而多-偶數(shù)相結(jié)構(gòu)鮮見報(bào)道。

        3)利用多相組最優(yōu)相移角對(duì)轉(zhuǎn)矩諧波的相位補(bǔ)償作用,通過電流諧波注入、永磁體諧波注削等方法分別提升永磁電機(jī)電樞磁場(chǎng)、永磁磁場(chǎng)的諧波效能,是進(jìn)一步提高多相組永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的有效手段,且不會(huì)導(dǎo)致額外的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生。

        4)在保證高轉(zhuǎn)矩性能的基礎(chǔ)上,提高系統(tǒng)可靠性是多相組永磁電機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。眾多學(xué)者圍繞短路電流抑制、相間獨(dú)立性提高、繞組余度提升等角度開展多相組電機(jī)高可靠設(shè)計(jì),提出了新的相移角設(shè)計(jì)思路以及定子和相組模塊化設(shè)計(jì)方法。核心思想在于提高系統(tǒng)的自由度,實(shí)現(xiàn)相組間的電、磁、熱、物理隔離,從而保證電機(jī)高可靠運(yùn)行。

        雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多相組永磁電機(jī)的研究很多,但仍有一些問題有待深入探討,主要包括:

        1)弱磁工況下高轉(zhuǎn)矩性能設(shè)計(jì)?,F(xiàn)有轉(zhuǎn)矩性能的提升大都是在恒轉(zhuǎn)矩工況條件下進(jìn)行的。隨著新能源汽車等行業(yè)的發(fā)展,電機(jī)在弱磁工況下轉(zhuǎn)矩輸出能力日益得到關(guān)注。但是針對(duì)不同相移結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)弱磁能力影響的研究成果較少,相關(guān)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法尚待總結(jié)。

        2)考慮齒槽轉(zhuǎn)矩的精細(xì)化分析模型。目前,多相組結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于分?jǐn)?shù)槽永磁電機(jī),其齒槽轉(zhuǎn)矩天然較小,因此在轉(zhuǎn)矩性能分析過程中通常忽略齒槽轉(zhuǎn)矩分量。然而,對(duì)于某些槽極配比方案,其齒槽轉(zhuǎn)矩周期與永磁/磁阻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)周期相同,不同轉(zhuǎn)矩分量間存在相位關(guān)系,因此構(gòu)建計(jì)及齒槽轉(zhuǎn)矩分量的轉(zhuǎn)矩精細(xì)化分析模型具有重要的研究?jī)r(jià)值。

        3)考慮電機(jī)故障的轉(zhuǎn)矩性能魯棒性研究。永磁電機(jī)正常運(yùn)行工況下高轉(zhuǎn)矩性能相移角設(shè)計(jì)方法已得到廣泛研究并達(dá)成共識(shí)。然而,電機(jī)繞組存在不可忽視的開路/短路故障風(fēng)險(xiǎn),研究多相組永磁電機(jī)強(qiáng)魯棒轉(zhuǎn)矩性能設(shè)計(jì),降低繞組故障對(duì)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)的影響,對(duì)進(jìn)一步拓寬多相組結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍大有裨益。近些年,逐漸有學(xué)者觸及不同相移結(jié)構(gòu)在繞組故障后對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響,但大都著眼于三相開路或三相短路,更為復(fù)雜的相間短路、匝間短路等還需投入更多的研究。

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        Overview of Multi-Star Multi-Phase Permanent Magnet Machines with High Torque Performance and Its Key Technologies

        (School of Electrical and Information Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 China)

        Compared with the traditional three-phase permanent-magnet (PM) machine, the multi-star multi-phase PM machine has been paid much expectation in high-end applications due to its high torque density, small torque ripple, and robust fault tolerance. The phase shift angle is the key to affecting the torque performance of multi-star multi-phase PM machines. The general expression of the PM torque and reluctance torque is derived, and the elimination principle of torque harmonics is analyzed. Therefore, the optimal phase shift is summarized from the maximum, average, and minimum torque ripples.The purpose of this paper is to guide machine designers in phase shift design.

        Firstly, the multi-star multi-phase winding configurations are divided into two categories based on the winding set number. The winding set number of the first type is odd, and the second type is even. According to the relationship between the torque harmonic phase, winding set number and phase number, the optimal phase shift can be calculated. Then, the classical research of domestic and abroad scholars in this field is overviewed and summarized, including the dual three-phase winding, dual five-phase winding, triple three-phase winding, four three-phase winding, etc. The finite element simulation results verify the advantages of the optimal phase shift in improving torque performance. Moreover, the enhancement effect is not influenced by the slot/pole combination and rotor structure. Secondly, the torque performance of the PM machines with multi-star multi-phase winding configuration can be further improved through harmonic efficiency enhancement technology. The typical methods are the current harmonic injection and PM shape modification. The former is advantageous to improve the armature reaction magnetic field, while the latter is focused on the PM magnetic field. Thanks to the compensation effect of optimal phase shift on torque harmonic phase, the torque density can be significantly improved without additional torque ripple. Thirdly, based on ensuring high torque performance, improving reliability is an important development direction in the field of multi-star multi-phase PM machine. The relevant performances include short-circuit current suppression, phase-to-phase independence improvement, and winding redundancy enhancement. The core idea is to improve the freedom degree of the machine and realize the electrical, magnetic, thermal and physical isolation between the winding sets. The results show that the phase shift is inconsistent in torque and reliability, and some tradeoffs must be made.

        The following conclusions can be drawn:(1)Based on the comparison of torque performance, the optimal phase shift is equal to 2p/()when the phase numberis evenor phase numberis odd and the winding set numberis even. Correspondingly, the optimal phase shift is 2p/()orp/()ifthe phase numberis odd and the winding set numberis odd. (2) The dual three-phase winding PM machine is the most widely used, and the optimal phase shift is 30 °. This winding configuration can increase the fundamental harmonic content and eliminate the odd times of 6in torque harmonics. With the rapid development of power electronics technology and high-power devices, the application of the PM machine and its control system, represented by multiplethree-phase winding configurations, has become increasingly mature.Future research should focus on high torque performance design at magnetic field weakening situations, refined analysis model considering cogging torque, and torque performance robustness researchunder fault conditions.

        Permanent-magnet machine, multi-star multi-phase winding configuration, torque performance, phase shift, reliability

        10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221096

        TM351

        國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(52025073)和江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(KYCX21-3358)資助項(xiàng)目。

        2022-06-12

        2022-07-04

        孫玉華 男,1995年生,博士研究生,研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)與分析。E-mail: syh@stmail.ujs.edu.cn

        趙文祥 男,1976年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)。E-mail: zwx@ujs.edu.cn(通信作者)

        (編輯 崔文靜)

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