郭新軍，孔婉琦，耿 都，駱繼明，黃明明

(1.河南工程學(xué)院，鄭州451191;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州450044;3.電子科技大學(xué)，成都610054)

0 引 言

與傳統(tǒng)電磁式同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、運(yùn)行可靠性以及維護(hù)成本方面均有著顯著提升。PMSM 采用稀土永磁體作為勵(lì)磁磁勢(shì)源，能夠提供較大的磁動(dòng)勢(shì)，從而使電機(jī)氣隙磁密有較大提升［1］。并且與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)相比，能夠有效減小電機(jī)鐵耗和銅耗，在縮小電機(jī)體積的同時(shí)，能夠提高電機(jī)的功率因數(shù)，使得PMSM 的其功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)在單位功率因數(shù)附近，因此在電動(dòng)汽車、航空航天和新能源發(fā)電領(lǐng)域越來(lái)越引起人們重視。現(xiàn)有PMSM 多采用轉(zhuǎn)子永磁式結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的有表貼式、Halbach 式和內(nèi)嵌式三種結(jié)構(gòu)，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能帶來(lái)不同的性能優(yōu)點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)較為靈活多樣，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合。但轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)存在兩個(gè)主要問(wèn)題，一是其轉(zhuǎn)子部分在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大離心力，尤其是轉(zhuǎn)子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體安裝有較高要求。較為常見(jiàn)處理方法是對(duì)轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行加固，增加的固定裝置導(dǎo)致電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加，也提升了制造成本。其次是轉(zhuǎn)子永磁的散熱難題，容易出現(xiàn)溫升過(guò)高問(wèn)題，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)要求較高。同時(shí)較大溫升也會(huì)對(duì)永磁體造成不可逆退磁現(xiàn)象，使得在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)一般要考慮以上因素而留有一定冗余量，從而限制電機(jī)出力、抑制功率密度的提高，制約了電機(jī)性能的提升［2］。

磁通切換型永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱FSPMSM)則較好地解決了以上兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)將永磁體布置在定子齒上，定子槽分布電樞繞組，轉(zhuǎn)子采用凸極齒輪式結(jié)構(gòu)。在大大簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，定子內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)使得電機(jī)具有較高的功率密度和功率因數(shù)，降低了永磁體的退磁風(fēng)險(xiǎn)，在電動(dòng)汽車、航空動(dòng)力推進(jìn)等應(yīng)用場(chǎng)合有著較好的應(yīng)用前景。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞新型FSPMSM 結(jié)構(gòu)拓?fù)?、電磁性能參?shù)計(jì)算以及新型高效控制算法等方面展開(kāi)了深入的研究，取得了一系列研究成果［3-5］。與同尺寸PMSM 相比，F(xiàn)SPMSM 具有較高的功率和轉(zhuǎn)矩密度，工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)具有優(yōu)良的調(diào)速區(qū)間，因此本文從分析FSPMSM 工作原理入手，在計(jì)算了其電磁特性基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究其轉(zhuǎn)矩特性，最后制作了一臺(tái)三相12 槽/10 極2 kW 樣機(jī)。

1 FSPMSM 結(jié)構(gòu)及磁通切換原理分析

圖1 12 槽/10 極FSPMSM 繞組排列與三維剖面圖

所謂磁通切換原理，是指隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鏈會(huì)隨之發(fā)生方向和數(shù)量改變，產(chǎn)生正負(fù)極性交變和數(shù)值大小變化。電機(jī)的一個(gè)電周期即為一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，對(duì)應(yīng)著磁通數(shù)值隨磁鏈從進(jìn)入繞組到穿出繞組在最大與最小之間變化［6］。當(dāng)凸極轉(zhuǎn)子在穿出和穿入兩個(gè)位置之間持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電樞繞組匝鏈的永磁磁鏈就不斷地在正負(fù)最大值范圍內(nèi)呈重復(fù)性周期變化，繞組兩端產(chǎn)生幅值和相位交替變化的反電勢(shì)，此過(guò)程即被稱為“磁通切換”［7］。FSPMSM 是在磁通切換原理上發(fā)展而來(lái)，F(xiàn)SPMSM 工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其工作原理可進(jìn)一步通過(guò)圖2 來(lái)闡述。圖中實(shí)線代表永磁磁通分布，虛線代表電樞反應(yīng)磁通分布，“·”代表電流流出，“×”代表電流流入。

圖2 FSPMSM 電動(dòng)運(yùn)行工作原理

在圖2(a)初始位置，凸極轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子極H1和H2分別正對(duì)一塊永磁體，電樞繞組電流如圖中所示?？梢钥闯鰧?duì)H1，其左邊總的合成磁通是加強(qiáng)的，而右邊的電樞反應(yīng)磁通與永磁磁通方向相反，這樣使得總的合成力方向向左，在H2位置的情況是相同的。因此，轉(zhuǎn)子會(huì)向左運(yùn)動(dòng)到圖2(b)所示位置。改變定子電樞繞組中電流方向，對(duì)轉(zhuǎn)子極H1和H2采用同樣方法進(jìn)行重新分析，不難發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀粫?huì)受到一個(gè)合成向左的力吸引帶動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)。顯然，當(dāng)把圖中的電流反向，則電機(jī)就會(huì)向右運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)凸極轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，從而調(diào)整定子電樞電流的大小和方向，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度的控制，從而實(shí)現(xiàn)FSPMSM 電動(dòng)運(yùn)行。

2 電機(jī)電磁特性分析

圖3 分析了FSPMSM 的磁場(chǎng)分布，電機(jī)采用定子永磁式結(jié)構(gòu)，因此在剖分時(shí)在定子軛部增加一層空氣區(qū)域以分析其外部漏磁情況，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖3(a)所示，從圖中可以看出其網(wǎng)格剖分質(zhì)量較好。電機(jī)無(wú)負(fù)載時(shí)磁力線分布如圖3(b)所示，因其采用定子永磁型結(jié)構(gòu)，在軛部有稍許漏磁，從其磁力線分布中可以明顯看出其5 對(duì)極結(jié)構(gòu)。

圖3 12 槽/10 極FSPMSM 磁場(chǎng)分布

圖4 為其空載氣隙磁密分布?？梢钥闯?，此電機(jī)的氣隙磁密波形分布不規(guī)則，諧波分量稍多，類似于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。同時(shí)由于永磁體是切向交替充磁的，使得電機(jī)聚磁效應(yīng)明顯，兩塊永磁體產(chǎn)生的磁通會(huì)聚在一起穿過(guò)氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒，即使不可避免地有相當(dāng)?shù)穆┐磐?，該電機(jī)的氣隙磁密依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類型永磁電機(jī)。由圖中可以看出，磁密峰值可以達(dá)到2.4 T，而較高的氣隙飽和程度能夠匝鏈更多的繞組磁通，大大增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。

由圖1(a)可知，12 槽/10 極FSPMSM 每相繞組有4 個(gè)線圈，其中兩兩相對(duì)的線圈分別呈180°對(duì)稱。以A 相為例，由于水平方向上A+和A-同屬A相，每相磁通和線圈磁通通過(guò)疊加滿足式(1)。同理反電勢(shì)滿足式(2)。疊加后的電機(jī)磁鏈和反電勢(shì)分布如圖5 所示，波形均呈現(xiàn)雙極性，并且由圖5 看以看出，此電機(jī)每相磁通和反電勢(shì)正弦度較好，表明電機(jī)諧波分量較小。

當(dāng)電機(jī)永磁體磁力線通過(guò)定轉(zhuǎn)子間氣隙時(shí)，由于磁力線有沿著最短路徑特性，因而在電機(jī)定轉(zhuǎn)子間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿圓周分布的不平衡磁拉力來(lái)縮短電機(jī)氣隙。對(duì)PMSM 而言，理論上若電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布均勻，則其轉(zhuǎn)子在圓周方向上所受磁拉力也是均勻的，其總的合力為零，在此情況下電機(jī)不存在不平衡磁拉力。然而因?yàn)橹圃旃に?、組合裝配技術(shù)的誤差，使得不平衡磁拉力不可輕易忽視。并且現(xiàn)有研究表明，在一些特定極槽配合下，無(wú)論電機(jī)的定轉(zhuǎn)子組裝是否存在偏心、電機(jī)組件加工質(zhì)量如何、電機(jī)處于靜態(tài)或者負(fù)載，此時(shí)都存在不平衡磁拉力，其值大小對(duì)電機(jī)性能有著重要影響。FSPMSM 不平衡磁拉力如圖6 所示。

由圖6 可以看出，F(xiàn)SPMSM 不平衡磁拉力較傳統(tǒng)徑向PMSM 相比，具有如下特點(diǎn):(1)在不平衡磁拉力二維平面分布方面，呈橢圓分布，這點(diǎn)與傳統(tǒng)徑向電機(jī)相似。(2)Y 軸垂直方向較X 軸水平方向不平衡磁拉力要小，電機(jī)不平衡磁拉力在垂直方向要比水平方向小28 %左右。

1925年8月，因積極支持女師大學(xué)生風(fēng)潮而被教育總長(zhǎng)章士釗非法免除教育部?jī)L事職，魯迅奮起抗?fàn)?，向平政院提交控告章士釗的訴狀。

3 FSPMSM 轉(zhuǎn)矩特性研究

表1 為FSPMSM 與傳統(tǒng)PMSM 主要參數(shù)，為了公平對(duì)比，兩者采用相同功率等級(jí)和尺寸外徑。

表1 FSPMSM 與傳統(tǒng)PMSM 主要參數(shù)

FSPMSM 一個(gè)顯著特點(diǎn)是有著較大的輸出轉(zhuǎn)矩，這點(diǎn)由其轉(zhuǎn)矩輸出特性圖可以得到，如圖7 所示。

圖4 氣隙磁密分布

圖5 FSPMSM 磁鏈與反電勢(shì)波形

圖6 FSPMSM 不平衡磁拉力

圖7 12 槽/10 極FSPMSM 轉(zhuǎn)矩特性

由圖7 可以看出，所設(shè)計(jì)FSPMSM 其輸出轉(zhuǎn)矩為12 N·m，而表1 中所采用同尺寸傳統(tǒng)PMSM 輸出轉(zhuǎn)矩為10.2 N·m，因此同尺寸FSPMSM 較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型PMSM 輸出轉(zhuǎn)矩增加20%左右，且隨著電機(jī)功率等級(jí)的增加，其在得到大轉(zhuǎn)矩輸出的同時(shí)，所特有的電機(jī)結(jié)構(gòu)使得散熱較傳統(tǒng)PMSM 有明顯提升。同時(shí)從圖7 可以看出，在保證高轉(zhuǎn)矩輸出能力的同時(shí)，也必然導(dǎo)致了其齒槽轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通永磁電機(jī)。而較大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)帶來(lái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)有較大噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電機(jī)不能正常工作。因此，需研究如何保證大輸出轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，盡可能地降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)確定所設(shè)計(jì)電機(jī)功率以及定轉(zhuǎn)子極槽數(shù)目后，其定轉(zhuǎn)子尺寸可由以下功率尺寸方程確定［8］:

式中:p 為電機(jī)永磁極對(duì)數(shù);ks為繞組因數(shù);koi為定子外徑與轉(zhuǎn)子外徑之比;kd為漏磁系數(shù);As為線負(fù)荷;Bg為氣隙磁密峰值。

而電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:

由上述兩個(gè)表達(dá)式可以看出，對(duì)于FSPMSM 來(lái)說(shuō)，永磁體極弧系數(shù)，轉(zhuǎn)子齒寬、齒深，以及裂比(定轉(zhuǎn)子外徑之比)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大［9］?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化上述參數(shù)，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而提高電機(jī)工作性能。

定義轉(zhuǎn)子齒寬系數(shù)krw:

式中:kr0為初始轉(zhuǎn)子齒寬，即等于定子齒寬，對(duì)于12槽/10 極FSPMSM 來(lái)說(shuō)，其由12 個(gè)定子鐵心單元組成，而定子齒寬所占一個(gè)單元弧長(zhǎng)的比例為1/4，對(duì)應(yīng)7.5°，弧度制為π/24。kr為不同轉(zhuǎn)子齒寬，kr取不同值，對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子齒寬系數(shù)krw。

在此基礎(chǔ)上定義轉(zhuǎn)子齒深系數(shù)krd:

式中:kd為轉(zhuǎn)子齒深，不同的kd對(duì)應(yīng)不同的齒深系數(shù)krd。

令ksr為電機(jī)的裂比，即定轉(zhuǎn)子外徑比值:

式中:kso為電機(jī)定子外徑;kro為電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑。

采用有限元軟件對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)選取如表2 所示，優(yōu)化前后齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖8 所示。

表2 FSPMSM 電機(jī)主要參數(shù)優(yōu)化對(duì)比

由圖8 可以看出，電機(jī)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化前，初始齒槽轉(zhuǎn)矩最大值為0.8 N·m，接近輸出轉(zhuǎn)矩的9% ～10%，嚴(yán)重影響電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化后，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值約為0.18 N·m，此時(shí)僅為輸出轉(zhuǎn)矩的1.5% ～2%，可以保證電機(jī)高效平穩(wěn)運(yùn)行。

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)論證

基于上述Ansoft 有限元計(jì)算和分析，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)2 kW 三相12/10 極FSPMSM，繞組形式采用集中式三相繞組，其主要參數(shù)如表3 所示。

表3 三相12 槽/10 極FSPMSM 樣機(jī)主要參數(shù)

以此電機(jī)為基礎(chǔ)，連同轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖9 所示。

當(dāng)FSPMSM 工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀測(cè)量其轉(zhuǎn)矩輸出特性，實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算對(duì)比如圖10 所示，由圖10 中可以看出，實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算總體吻合度較好，輸出轉(zhuǎn)矩稍許跌落，主要原因在于電機(jī)的端部效應(yīng)所引起的損耗。電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min 時(shí)，實(shí)測(cè)最大輸出轉(zhuǎn)矩約為12.2 N·m，與設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)矩吻合。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后對(duì)比

圖9 FSPMSM 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖10 實(shí)測(cè)輸出轉(zhuǎn)矩與有限元計(jì)算對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

在深入分析FSPMSM 磁通切換原理基礎(chǔ)上，對(duì)該電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。采用有限元方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)12 槽/10 極FSPMSM，分析并計(jì)算了其氣隙磁密、磁鏈、反電勢(shì)等靜態(tài)特性，研究了其不平衡磁拉力特點(diǎn)。分析了轉(zhuǎn)矩特性，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程，計(jì)算了其輸出轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩，并分析了電機(jī)不同參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，給出了優(yōu)化后參數(shù)取值區(qū)間。最后通過(guò)設(shè)計(jì)一臺(tái)12/10 極2 kW樣機(jī)對(duì)上述分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)測(cè)輸出轉(zhuǎn)矩與有限元計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了上述分析的正確性，表明此類電機(jī)具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩、方便冷卻等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步研究此類電機(jī)在較小體積和質(zhì)量、較大出力等限制較多場(chǎng)合應(yīng)用有一定參考價(jià)值。

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