曹彥博,梅從立,朱傳輝，彭 濤,張國琴,姚 瑋,薛 超,高國旺

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710000;2.浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

當(dāng)今世界大約45%的電能被電機(jī)消耗，在“雙碳”目標(biāo)下，提高電機(jī)效率是有效減少能量消耗和CO2排放的重要措施之一。異步起動永磁同步電機(jī)(Line-start permanent magnetic synchronous motor，LSPMSM)相比于感應(yīng)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子繞組替換成永磁體，具有體積小、重量輕，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，具有替代感應(yīng)電機(jī)的潛能。事實上，LSPMSM很多成果已用于工業(yè)生產(chǎn)，如水泵、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域，并取得了良好的節(jié)能效果[1]。需要指出，LSPMSM起動和同步性能仍然有待進(jìn)一步研究，尤其是同步提升起動和同步能力的設(shè)計理論與方法尚未取得突破。筆者圍繞LSPMSM基本結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模分析方法、優(yōu)化設(shè)計等方面近年來的主要研究成果，對它們進(jìn)行了綜述，最后指出LSPMSM的發(fā)展趨勢。

1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計流程

LSPMSM設(shè)計流程類似感應(yīng)電機(jī)設(shè)計，通常包括4個階段步驟：1) 定子和繞組設(shè)計。通過需求參數(shù)(輸出功率、轉(zhuǎn)速、效率及功率因素)來假設(shè)一些主要參數(shù)(槽數(shù)、電機(jī)長度到內(nèi)定子長度比率、氣隙磁通密度)，并通過主要參數(shù)計算出電機(jī)尺寸(定子直徑、轉(zhuǎn)子直徑、軸直徑、定子槽直徑、氣隙長度、電機(jī)長度、每槽的導(dǎo)體數(shù))。2) 轉(zhuǎn)子鼠籠設(shè)計。此階段要考慮轉(zhuǎn)子籠阻值、轉(zhuǎn)子齒飽和程度、轉(zhuǎn)子銅條數(shù)量等。3) 永磁體設(shè)計。可以選擇多種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等，然后優(yōu)化計算永磁體尺寸。4) 計算穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)分析。如果不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需重新設(shè)計；符合設(shè)計，則進(jìn)一步優(yōu)化方案[2-3]。此外，在LSPMSM設(shè)計過程中，還需要注意裝配工藝，例如轉(zhuǎn)子電火花線切割、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動測試、軸承壓縮、轉(zhuǎn)子動態(tài)平衡測試等。

1.2 轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計是LSPMSM關(guān)鍵設(shè)計問題之一。不同轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電機(jī)的瞬態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程、氣隙磁密波形的正弦畸變率、諧波大小以及永磁體用量等都有很大的影響。通常，轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為表面式、內(nèi)置式、混合式、雙極式等。

1.2.1 表面式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分為凸出式(圖1)和插入式(圖2)兩種。凸出式結(jié)構(gòu)便于組裝和生產(chǎn)，具有良好的同步轉(zhuǎn)矩。Hung等[3]通過建立異步轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩模型，分析得出在同步階段凸出式具有高效率優(yōu)勢，但是在起動階段負(fù)載和同步能力不佳。Shang等[2]通過dq軸電感等效模型的建立以及參數(shù)變量(匝數(shù)，輔助相電流，永磁體厚度等)分析，得出表面式轉(zhuǎn)子相比內(nèi)置式轉(zhuǎn)子LSPMSM具有更好的性能。Zamani等[4]提出表面磁化電流和疊加定理的分析方法，對4種不同面包形或圓弧形的表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖1)進(jìn)行分析，得出八邊形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖1(d))齒槽轉(zhuǎn)矩最小，圓形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖1(a))起動轉(zhuǎn)矩最大等特點。

圖1 表面式-凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

插入式結(jié)構(gòu)相比于凸出式結(jié)構(gòu)，繼承了凸出式結(jié)構(gòu)易于安裝的優(yōu)點，并且具有漏磁少的特點，而且轉(zhuǎn)子銅條對磁場分布影響小，具有良好的氣隙磁場分布[5]。轉(zhuǎn)子銅條端部圓直徑在一定范圍內(nèi)增長，起動轉(zhuǎn)矩也會變大。針對電機(jī)效率問題，Kim等[6]提出了超高速異步起動插入式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗估值理論(圖2)，基于冷凍滲透率理論和電機(jī)經(jīng)驗法對電機(jī)的渦流損耗做了估值，為高效設(shè)計進(jìn)行了理論探索。

圖2 表面式-插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為徑向式(圖3)、切向式和混合式等結(jié)構(gòu)。

徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、阻礙退磁、轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度強(qiáng)等優(yōu)勢[7]。安忠良[8]設(shè)計出正方形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、八邊形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、星形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有減少鼠籠面積，永磁體位置更加靈活等特點，通過改變永磁體的位置使其更接近于轉(zhuǎn)子表面，減少漏磁密度、改善氣隙磁通分布、減少諧波等優(yōu)點。Liang等[9]提出一種六邊形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將每個永磁體分為兩段，通過網(wǎng)格開關(guān)搜索理論對不對稱轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行優(yōu)化，可以有效減少轉(zhuǎn)矩脈動。Kobayashi等[10]對八邊形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將永磁體改為二層結(jié)構(gòu)并且分段，有效扼制由于氣隙磁通密度的諧波分量造成的齒槽轉(zhuǎn)矩危害。由于齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波分量與氣隙磁通密度平方成函數(shù)關(guān)系，八邊形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以有效減少鼠籠面積。通過使永磁體位置更接近于轉(zhuǎn)子表面，可以有效減少漏磁，改善氣隙磁通量分布，減少諧波。Lee等[11]通過設(shè)計圖3(a)結(jié)構(gòu)，減少轉(zhuǎn)子總面積，使永磁體的位置更貼近于轉(zhuǎn)子外徑，減少漏磁，改善氣隙磁通量分布，減少諧波。圖3(b)永磁體用量更少，可以有效降低成本。

圖3 徑向式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有較高的氣隙磁通密度、功率密度和恒功率運(yùn)行等特點，但由于切向式結(jié)構(gòu)漏磁大，需要隔磁環(huán)，不僅增加制造工藝和成本，甚至導(dǎo)致起動能力不佳等問題。而且交直軸磁路不對稱導(dǎo)致氣隙磁場畸變，起動轉(zhuǎn)矩減少則影響起動性能[6-8]。由于切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)本質(zhì)上具有不佳的起動與同步性能，不適合高負(fù)載高牽入場合，這類結(jié)構(gòu)側(cè)重于關(guān)注起動性能設(shè)計研究。常見設(shè)計是通過增加鼠籠電阻提高起動轉(zhuǎn)矩或是通過減少永磁體尺寸來減少制動轉(zhuǎn)矩，但是同時會降低同步能力或劣化穩(wěn)態(tài)性能。尚靜等[7]提出在轉(zhuǎn)子鐵心中引入多個空氣槽的方案用于減少氣隙磁場畸變率和增加電磁轉(zhuǎn)矩，也有采用深槽技術(shù)來改善起動能力[8]。Yan等[12]通過圖4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比，在復(fù)合實心轉(zhuǎn)子上增加軸向槽和鼠籠條也可以增強(qiáng)電磁轉(zhuǎn)矩，在全載的情況下實心轉(zhuǎn)子具有良好的起動能力。Yan等[13]更進(jìn)一步驗證增加軸向槽或鼠籠(圖4(a)，(b))的作用，具有鼠籠的實心轉(zhuǎn)子有利于降低轉(zhuǎn)子電抗，軸向槽通過擴(kuò)大渦流面積進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)子電抗。轉(zhuǎn)子電抗減少會增強(qiáng)電磁轉(zhuǎn)矩，改善電機(jī)的起動和同步性能。

圖4 切向式實心轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合式結(jié)構(gòu)具有切向式結(jié)構(gòu)和徑向式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但其復(fù)雜的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致裝配工藝復(fù)雜和制造成本上漲，隔磁橋設(shè)計難度增加，以及由交、直軸同步電抗及其凸極率不同會導(dǎo)致過低牽入同步和磁阻轉(zhuǎn)矩問題。

Shehata等[14]將徑向式結(jié)構(gòu)圓環(huán)型、V型、U型，以及混合式的W型和傾斜型分別在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能下進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，在空載情況下，傾斜型具有良好的起動性能和同步性能；在負(fù)載情況下，五種類型都能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，因為混合型的齒槽轉(zhuǎn)矩最小，所以其起動時間最快。在穩(wěn)態(tài)性能上，傾斜型結(jié)構(gòu)在效率、功率因數(shù)上不如徑向式結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。Bao等[15]，F(xiàn)eng等[16]提出混合式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖5)，相比于徑向式結(jié)構(gòu)在功率因數(shù)、效率上有了較大提高，且具有因永磁體尺寸減少而降低成本等特點。Ugale等[17]提出了新型混合型轉(zhuǎn)子拓?fù)?圖6)，通過改善氣隙磁通密度來達(dá)到提高功率因數(shù)、減少額定電流、增大節(jié)能效果，而且具有不需要磁軸且易于安裝等特點。

圖5 帶通風(fēng)孔W型轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 混合式U型轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.3 雙極式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在風(fēng)扇、水泵和壓縮機(jī)等場合中，需要雙速或多速的電動機(jī)。由于雙轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組匝數(shù)異常多，而過多的匝數(shù)會降低氣隙磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而惡化起動轉(zhuǎn)矩和同步能力。通過使用達(dá)蘭德繞組，改變繞組連接點來改變高/低轉(zhuǎn)速的定子繞組[14-16]，可以解決這一問題。

Amiri等[18]提出3種不同類型雙極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：具有雙永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有n極永磁體和m極磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有雙磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。有研究將雙極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖7)分別與4極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和8極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比，結(jié)果表明極性轉(zhuǎn)子中的8極有一半會阻礙4極的磁場方向?qū)е職庀洞磐p少。另一半雖順著4極的磁場方向，但會造成磁場過飽和。在瞬態(tài)性能上，雙極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)dq軸電抗小于4極結(jié)構(gòu)，而反電動勢則大于8極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，都會造成過大的制動轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致起動失敗。為了解決這一問題，提出圖8轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有相對較高的反電動勢，在可以起動成功的前提下提高電磁轉(zhuǎn)矩，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

圖7 雙極式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 雙極式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ghoroghchian等[19]提出新型雙極式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖9)，與圖8結(jié)構(gòu)對比，分別在8/4極運(yùn)行下，由于具有較高的反電動勢和較低的制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)效率、功率因數(shù)也均有所提高。永磁體體積也比圖8減少了15%，從而有效降低了制造成本。

圖9 新型雙極式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.4 表面式-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有起動時間短和轉(zhuǎn)矩波紋小的特點，但其功率密度不足。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有較高的功率密度和負(fù)載能力，但其漏磁通較大。表面式-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以有效減少漏磁通，同時擁有較強(qiáng)的負(fù)載能力(圖10)。司紀(jì)凱等[20]研究了表面式-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中銅層厚度、永磁體厚度和退磁對電機(jī)性能的影響。銅層厚度影響轉(zhuǎn)子電阻，從而影響異步轉(zhuǎn)矩。永磁體厚度影響空載反電動勢，從而影響制動轉(zhuǎn)矩。考慮到退磁會提升電機(jī)的瞬態(tài)性能，但會降低其穩(wěn)態(tài)性能，當(dāng)退磁超過臨界點時會危害到電機(jī)的使用壽命，Jikai等[21]提出了將田口理論和響應(yīng)面理論結(jié)合，對內(nèi)置式齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、反電動勢和永磁體用量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，從而提高電機(jī)效率和優(yōu)化過程。

圖10 表面式-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 性能優(yōu)化設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度與臨界轉(zhuǎn)速

在進(jìn)行磁路設(shè)計時，永磁體槽、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條會增加轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，它們相互作用也會影響到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度[22]。LSPMSM本身也存在漏磁系數(shù)過大的問題，會導(dǎo)致永磁材料利用率過低。徐哲貝等[23]認(rèn)為采用隔磁措施會削弱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，對于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，需要在永磁體外面裝一個復(fù)合護(hù)套，避免轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力致使永磁體損害或飛逸；對于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，要考慮隔磁橋影響，保證電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力不會致使轉(zhuǎn)子磁軛發(fā)生形變，并且也要保證隔磁橋的磁飽和程度，以增加永磁體的利用率，因此合適的隔磁橋長寬度也值得進(jìn)一步研究。張飛等[24]指出轉(zhuǎn)子磁極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和定子、轉(zhuǎn)子間電磁吸力共同作用產(chǎn)生的徑向拉力也是影響轉(zhuǎn)子沖片安全性的因素之一。轉(zhuǎn)子沖片磁極等效受力圖見圖11。Cheng等[25]建立了具有定子和轉(zhuǎn)子雙面齒槽LSPMSM電磁力與齒寬關(guān)系，推導(dǎo)了電磁力分布解析表達(dá)式。

當(dāng)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輕則會加劇轉(zhuǎn)子振動，重則會引起重大事故。通常有兩種方法估算臨界轉(zhuǎn)速：近似計算法、實測法。估算一階臨界轉(zhuǎn)速的方法有三種：代換法、當(dāng)量直徑法、圖解法[22]。電機(jī)設(shè)計中，當(dāng)測量出臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值接近于轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速時，需要采取措施來調(diào)整轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速,比如改變系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量,合理選取軸承和設(shè)計軸座等之類。在轉(zhuǎn)子設(shè)計中，影響臨界轉(zhuǎn)速的因素有支座、軸上的法蘭連接元件，盤狀零部件的回轉(zhuǎn)效應(yīng)，各類聯(lián)軸器、系統(tǒng)部分的阻尼，系統(tǒng)的切向力、軸向力等[26]。

2.2 瞬態(tài)性能優(yōu)化

LSPMSM瞬態(tài)性能主要包括起動性能和同步能力[27]兩個方面。

2.2.1 起動性能

起動性能的改善可以從最大化起動轉(zhuǎn)矩、最小化制動轉(zhuǎn)矩和最大化允許負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量等角度進(jìn)行考慮，一般通過以下技術(shù)實現(xiàn)。

1) 不均勻氣隙

Iepure等[28]研究了具有漸進(jìn)變化氣隙的單相LSPMSM，以改善起動性能。Bensaida等[29]提出一種可變氣隙寬度錐形氣隙設(shè)計，用于提升單相LSPMSM起動能力。陳壘等[30]將均勻氣隙結(jié)構(gòu)與不均勻氣隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比(圖12)，得出不均勻槽形結(jié)構(gòu)在磁場3，5，7次諧波有比較大的消減的結(jié)論。雖然不均勻氣隙結(jié)構(gòu)起動時間慢少許，但是符合設(shè)計要求，并且轉(zhuǎn)矩脈動得到大幅度抑制，增加了電機(jī)在高負(fù)載下的穩(wěn)定性。

圖12 不均勻氣隙結(jié)構(gòu)

2) 實心轉(zhuǎn)子

復(fù)合實心轉(zhuǎn)子[12]使用脫氧鋼材料，可以有效提高LSPMSM起動性能。Yan等[31]研究了軸向槽實心轉(zhuǎn)子技術(shù)，可增加電機(jī)在高負(fù)載下的起動和同步能力。Palangar等[27]發(fā)現(xiàn)，在相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量情況下，只有有縫隙的實心轉(zhuǎn)子才能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，其他類型的轉(zhuǎn)子均處于振動階段，造成同步能力失效。Yan等[32]提出梨型槽設(shè)計(圖13)并且精確計算出轉(zhuǎn)子槽漏磁電抗的方法，并通過有限元得出不斷增長的槽主體長度可以提高起動轉(zhuǎn)矩，隨著不斷增長地漏磁電抗率和電阻也能增強(qiáng)起動轉(zhuǎn)矩的結(jié)論。

圖13 開口梨型槽和槽層

3) 制動轉(zhuǎn)矩

在加速過程中，太高或太低的制動轉(zhuǎn)矩會使速度產(chǎn)生振蕩，這是由于永磁體所產(chǎn)生的磁通量的問題，因此必須有足夠高的磁通量才能提供良好的同步轉(zhuǎn)矩，足夠低的磁通量才能提供良好的起動性能。因此，選擇合適的永磁體尺寸在電機(jī)設(shè)計中尤為重要。影響制動轉(zhuǎn)矩的三個因素為繞組電流、轉(zhuǎn)子鼠籠電流和渦流損耗(定轉(zhuǎn)子)[33]。Isfahani等[34]認(rèn)為轉(zhuǎn)子電阻是影響永磁同步電機(jī)起動性能的因素。影響轉(zhuǎn)子電阻的因素有定子電阻、磁化電感、定轉(zhuǎn)子漏磁電感和磁化率等。經(jīng)過驗證，定子電阻只有達(dá)到特定的值才能加強(qiáng)同步能力，高磁化率可以減少目標(biāo)轉(zhuǎn)子電阻，磁化電感、定轉(zhuǎn)子漏磁電感可以增大目標(biāo)轉(zhuǎn)子電阻。也有一些其他的因素會影響LSPMSM的起動性能，比如端環(huán)、鼠籠條、轉(zhuǎn)子磁路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等[27,35]。

4) 變匝數(shù)技術(shù)

當(dāng)提高起動轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子電阻、凸極率和反電動勢應(yīng)該被設(shè)計得比較小，但會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)性能下降。因此，變匝數(shù)技術(shù)[36]被提出用于平衡起動轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)性能。變匝繞組連接電路如圖14所示，在起動過程中，雙擲開關(guān)接近于a，擁有更少的匝數(shù)。當(dāng)永磁同步電機(jī)鎖定在同步能力下，雙擲開關(guān)接近于b，恢復(fù)之前的匝數(shù)。繞組的分布如圖15所示，當(dāng)起動繞組置于槽的頂部時，變匝繞組產(chǎn)生的特定磁導(dǎo)槽勢非常小。但小的漏磁電感也對穩(wěn)態(tài)性能有積極的效果，所以繞組的分布應(yīng)該選擇圖14的b位置。

圖14 變匝繞組連接電路

圖15 拋棄繞組和起動繞組的不同分布

5) 其他優(yōu)化技術(shù)

Palangar等[27]綜述了其他起動性能優(yōu)化方法，比如空間諧波的影響、優(yōu)化斜槽角度、磁化電感技術(shù)等。

2.2.2 同步能力優(yōu)化

電動機(jī)能否達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，與電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、牽入同步時的脈動轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)(包括電動機(jī)和負(fù)載)轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，也與電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線在接近同步轉(zhuǎn)速時的坡度有關(guān)。Wymeerschl等[37]討論了具有同步能力的3個參數(shù)：參數(shù)、臨界負(fù)載轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)慣量。電壓和轉(zhuǎn)子電阻會極大影響起動轉(zhuǎn)矩、最低起動轉(zhuǎn)矩和同步能力；反電動勢是由繞組的數(shù)量、繞組的分布和剩磁所決定的，對電機(jī)的同步能力具有積極的影響，但會造成在低速時起動失敗。當(dāng)起動轉(zhuǎn)矩很低時，電機(jī)在低速時未能同步的幾率是很高的。起動轉(zhuǎn)矩會因電阻的增大而增大，所以當(dāng)電阻足夠高，能夠補(bǔ)償起動轉(zhuǎn)矩時，電阻的減少會提高負(fù)載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)慣量。

轉(zhuǎn)子電阻值不會影響LSPMSM穩(wěn)態(tài)性能，但會極大影響瞬態(tài)性能。轉(zhuǎn)子電阻能夠改善同步性能，相對較大的轉(zhuǎn)子電阻更利于起動性能改善。但是，轉(zhuǎn)子電阻增長并不會一直加強(qiáng)起動性能。研究表明，轉(zhuǎn)子電阻最佳值可以實現(xiàn)電機(jī)最佳起動性能。Isfahani等[34]推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電阻最佳值公式。研究表明，特定的定子電阻值和增長的磁導(dǎo)率能夠減少最佳值轉(zhuǎn)子電阻，不斷增長的定轉(zhuǎn)子漏磁電感和磁化電感也可以增加最佳值轉(zhuǎn)子電阻，從而達(dá)到最佳起動性能。

Jedryczka等[38]通過以效率、功率因數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)，使用智能優(yōu)化算法對轉(zhuǎn)子條進(jìn)行優(yōu)化。對于優(yōu)化前后轉(zhuǎn)子條橫截面形狀(圖16)，可以提高LSPMSM的同步能力，并且在原始的負(fù)載慣量下增長75%，電機(jī)也能成功起動，并且穩(wěn)態(tài)性能也沒有下降。

圖16 異步起動永磁同步電機(jī)的銅條

2.3 穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化

對LSPMSM的穩(wěn)態(tài)特性研究相對集中在效率與功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩脈動方面。

2.3.1 效率與功率因數(shù)方面

損耗主要包括定子鐵心損耗、轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體渦流損耗等。Jia等[39]通過研究鐵芯損耗在空間離散密度的非線性損耗，得到只有渦流損耗密度分布的不同。將氣隙磁通進(jìn)行傅里葉展開，計算渦流損耗的諧波分析得出槽的諧波場對鐵心損耗有極大的影響。Jian等[40]研究鐵心損耗、轉(zhuǎn)子銅損與電壓、負(fù)載條件的關(guān)系，表明在空載條件下，當(dāng)電壓升高時，鐵心損耗也會增長,但轉(zhuǎn)子銅損會先下降再升高。在額定電壓條件下，當(dāng)負(fù)載增長時，鐵心損耗會保持不變,但轉(zhuǎn)子銅損是空載條件的4倍。安忠良等[41]對LSPMSM鐵心損耗與結(jié)構(gòu)件損耗進(jìn)行了分析，得出適用于LSPMSM的齒部與軛部修正系數(shù)。

通過優(yōu)化永磁體配置可以有效提升效率和功率因數(shù)。Sarac[42]使用遺傳算法，對電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計的三個變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即永磁體厚度、永磁體形狀、永磁體跨度，通過優(yōu)化選取使齒槽轉(zhuǎn)矩最小值的參數(shù)。由于對永磁體參數(shù)做優(yōu)化，總體損耗有所減少，功率因數(shù)也有所改善。Knypnskil等[43]使用群狼算法，對于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)四個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：永磁體寬度、永磁體厚度、相對跨度、間隙深度。以功率因數(shù)和效率為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)，經(jīng)過多次迭代，有效提高電機(jī)的功率因數(shù)和效率。

2.3.2 轉(zhuǎn)矩脈動方面

齒槽轉(zhuǎn)矩會降低轉(zhuǎn)矩質(zhì)量并且影響電機(jī)的光滑運(yùn)行，產(chǎn)生振蕩和機(jī)器噪聲。通常削弱齒槽轉(zhuǎn)矩方法有：優(yōu)化極弧系數(shù)和設(shè)計分?jǐn)?shù)槽繞組[44]。

1) 優(yōu)化極弧系數(shù)

齒槽轉(zhuǎn)矩對永磁極弧系數(shù)的改變是極為敏感的，所以極弧系數(shù)的范圍應(yīng)該選擇盡可能的小。Yang等[45]發(fā)現(xiàn)極弧系數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并且推導(dǎo)出極弧系數(shù)的可行范圍，使用改進(jìn)的區(qū)域削去法和有限元理論的組合優(yōu)化極弧系數(shù)的最佳值，達(dá)到齒槽轉(zhuǎn)矩的最小值。

2) 設(shè)計分?jǐn)?shù)槽繞組

Zhang等[46]推導(dǎo)出齒槽轉(zhuǎn)矩呈周期性變化，而周期性的數(shù)量取決于極數(shù)、定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子槽數(shù)的組合。當(dāng)周期性越多時，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值越小。隨即提出每相每極槽數(shù)小于1的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有良好的起動和運(yùn)行性能。相比于傳統(tǒng)LSPMSM電機(jī)，齒槽轉(zhuǎn)矩得到削弱，改善了磁場波形，增加了繞組利用率。

3 LSPMSM研究展望

未來，LSPMSM設(shè)計既要保證有良好的起動品質(zhì)，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的力矩指標(biāo)，又要保證有較強(qiáng)的運(yùn)行可靠性，還要盡量控制成本。這些要求對設(shè)計而言都是互相矛盾、互相影響和互相制約的，在設(shè)計上能夠達(dá)到上述要求，必須創(chuàng)新設(shè)計理論，今后研究應(yīng)致力于以下幾個方面：

1) 生態(tài)化優(yōu)化設(shè)計方面。稀土永磁材料是不可再生資源，LSPMSM設(shè)計在降低損耗、減少材料使用、減少溫升，以及起動、同步性統(tǒng)一優(yōu)化等方面尚缺少研究，需要發(fā)展全性能設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。

2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。通過創(chuàng)新轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，可以實現(xiàn)對磁阻轉(zhuǎn)矩的充分利用，進(jìn)一步達(dá)到電機(jī)輸出效率最大化。

3) 熱問題設(shè)計方面。LSPMSM溫升問題研究相對較少。熱性能問題會引發(fā)永磁體退磁問題，嚴(yán)重影響電機(jī)性能，甚至造成電機(jī)故障。當(dāng)溫度上升時，鐵心損耗、永磁體損耗也會不同程度上升。因此，熱問題分析在LSPMSM上尤為重要，目前尚缺少足夠研究。

4) 專業(yè)化應(yīng)用研究方面。例如，雙極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)LSPMSM主要應(yīng)用于雙轉(zhuǎn)速或多速的場合，如風(fēng)扇、壓縮機(jī)等。根據(jù)具體應(yīng)用場合，LSPMSM轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計將會更加有針對性。

4 結(jié) 論

LSPMSM主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域，也有適用于其他雙轉(zhuǎn)速場合(如空調(diào)、冷卻器)。筆者對LSPMSM基本結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，聚焦于LSPMSM設(shè)計流程、轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、起動性能、同步能力優(yōu)化，以及效率和功率因數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩等方面。立足于LSPMSM的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了LSPMSM未來在生態(tài)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計和專業(yè)化設(shè)計等方向上需要進(jìn)一步深入研究。目前，LSPMSM仍然存在設(shè)計難點，如同時獲得高起動性能和牽入同步能力的設(shè)計方法還有待進(jìn)一步提升。