齊占偉，馬海濤

(1．火箭軍指揮學院，武漢430012；2．南京師范大學附屬中學丁家莊初級中學，南京210028)

0 引 言

電力驅(qū)動作為一種無污染的動力方式，受到了社會越來越廣泛的關注[1-3]。永磁同步電機由于其高效率、高功率密度等特點，已經(jīng)在很多領域廣泛應用[4-6]。隨著日益增長的低成本、高轉(zhuǎn)矩驅(qū)動系統(tǒng)需求，很多新型永磁電機結構被提出。

一方面，目前電機鐵心通過沖片工藝加工制造，存在著硅鋼片利用率低，沖壓力要求較高等問題。模塊化制造工藝可以降低沖壓機等設備需求，同時減少鐵心浪費，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)矩作為電機轉(zhuǎn)矩的重要組成部分，通常可以提高電機的容錯能力，并提升整體轉(zhuǎn)矩。然而，現(xiàn)有永磁電機中的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大點之間存在約45°電角度的偏移，因此在實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大化的過程中，兩個轉(zhuǎn)矩分量都無法充分利用。為了進一步提升轉(zhuǎn)矩，很多學者通過改變轉(zhuǎn)子結構，減小磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩之間的夾角，從而實現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩偏移效應，提高輸出平均轉(zhuǎn)矩[12-16]。

文獻[12-13]在內(nèi)置式永磁電機的基礎上，利用極內(nèi)不對稱永磁體實現(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，結構復雜。文獻[14]將不對稱轉(zhuǎn)子鐵心結構應用于輻條式永磁電機，從而實現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩偏移。文獻[15]同時采用了不對稱永磁體和不對稱轉(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。但這兩種轉(zhuǎn)子結構依舊需要大量磁障來降低永磁磁場漏磁。文獻[16]同時使用輻條式永磁和表貼式永磁，并通過磁極整形使表貼式永磁體不對稱，從而偏轉(zhuǎn)磁阻轉(zhuǎn)矩，然而該結構永磁體加工工藝復雜。同時上述結構都需要轉(zhuǎn)子整體加工，制造成本相對較高。

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

但是文獻[17]中提出的轉(zhuǎn)子結構仍舊采用空氣磁障來改變磁路。本文基于文獻[17]，在轉(zhuǎn)子磁障區(qū)域增加了切向充磁的永磁體，進一步利用有限的轉(zhuǎn)子空間，提升轉(zhuǎn)矩密度。通過對不同充磁方向時電機的特性有限元仿真分析，驗證了這一方法的可行性。在此基礎上，優(yōu)化了電機轉(zhuǎn)子結構參數(shù)，得到了較為理想的結果。

1 電機轉(zhuǎn)子結構

文獻[17]提出的模塊化轉(zhuǎn)子結構如圖1(a)所示，為便于區(qū)分，后文稱其為結構A。這種結構中，轉(zhuǎn)子鐵心被分成了p個模塊，其中p為極數(shù)?？梢钥闯?，每一個磁極跨越兩個模塊，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，在進一步提升轉(zhuǎn)子空間利用率的同時，提升磁密度，提升電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

在增加切向永磁體的時候，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)所示的結構B中，每一個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NS極范圍和永磁d、q軸定義與文獻[17]中結構A一致。然而，圖1(c)所示的結構C中，每一個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NS極范圍和永磁d、q軸定義與結構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)子結構雖然都利用了磁障的空間，但兩者的磁路截然不同。同時，由于磁極在其極面內(nèi)的位置不同，兩種結構引起的磁阻轉(zhuǎn)矩特性也不盡相同。

為對比結構A、B、C三種轉(zhuǎn)子電機的特性，這里選用一臺使用分布繞組的12槽4極電機進行有限元仿真。電機的主要參數(shù)如表1所示，繞組分布如圖2所示。

表1 仿真用電機的主要參數(shù)

圖2 仿真用12槽4極電機的繞組分布

2 磁阻轉(zhuǎn)矩偏移特性分析

電機的平均總轉(zhuǎn)矩Ttotal可以分為兩個部分：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、結構B電機和結構C電機永磁d、q軸和磁阻d、q軸分布。定義逆時針方向，即左側(cè)為正方向。對于傳統(tǒng)電機，如圖3(a)所示，永磁q軸和磁阻d軸重合，這導致了永磁轉(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)矩達到最大值時，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

對于磁阻轉(zhuǎn)矩偏移型模塊化電機而言，永磁q軸和磁阻d軸之間的相位角實現(xiàn)了偏移，因此其轉(zhuǎn)矩公式可以寫成：

(2)

式中，αs為永磁q軸和磁阻d軸之間的夾角。

由于結構B中磁路與結構A相似，因此其d、q軸定義與結構A相同，如圖3(b)所示[17]。由圖3(b)可以看出，結構B中αs=45°，因此可以在β=0處同時實現(xiàn)永磁和磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值。但結構C中αs=-45°，如圖3(c)所示，這導致了磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩方向相反，因而會引起總轉(zhuǎn)矩下降。為了實現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩的提升，對結構C進行左右反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)永磁與磁阻轉(zhuǎn)矩疊加，從而實現(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。但實際中由于結構限制等因素，αs很難實現(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 電機優(yōu)化及性能對比分析

3.1 電機優(yōu)化

電機模塊化轉(zhuǎn)子設計參數(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)化目標為最大轉(zhuǎn)矩。優(yōu)化后的電機結構如圖6所示。為了方便區(qū)分，后文稱其為模型A，模型B，模型C。

圖5 電機模塊化轉(zhuǎn)子設計參數(shù)

圖6 三種優(yōu)化后電機模型

3.2 電機性能對比及分析

三臺電機在400 r/m轉(zhuǎn)速下的空載反電動勢如圖7所示?？梢钥闯觯Ｐ虰和模型C的基波反電動勢較模型A均有明顯提升，因此會產(chǎn)生更大的永磁轉(zhuǎn)矩。同時，模型B的諧波含量較大，因此會產(chǎn)生較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。

圖7 空載反電勢對比

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩對比

轉(zhuǎn)矩對比如圖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，說明模型B能夠更好地提升轉(zhuǎn)矩性能。同時，與模型A相比，模型B和模型C的轉(zhuǎn)矩脈動會大幅度降低，尤其是6次諧波含量有明顯下降。

圖9 額定轉(zhuǎn)矩對比

圖10進一步明晰轉(zhuǎn)矩成分在各個電機中的含量。容易看出，磁阻轉(zhuǎn)矩在點轉(zhuǎn)矩脈動提升中都起到積極作用，且在各個電機中的大小基本一致。但永磁轉(zhuǎn)矩部分，模型B提升明顯，這是因為引入了額外的切向充磁永磁體導致的，該結果證明該方法可以有效提升轉(zhuǎn)矩，增加電機的轉(zhuǎn)矩密度。

圖10 轉(zhuǎn)矩成分對比

4 結 論

本文現(xiàn)有結構基礎上，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。提出的電機采用轉(zhuǎn)子鐵心模塊化結構，能夠降低制作工藝難度和制造成本，同時能夠隨電流超前角的相位偏移磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機的永磁轉(zhuǎn)矩最大點和磁阻轉(zhuǎn)矩最大點更加接近，更好地利用永磁和磁阻轉(zhuǎn)矩分量，提高電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。本文在分析磁阻轉(zhuǎn)矩偏移原理的基礎上，利用有限元仿真驗證了理論的正確性。結果表明，結構B能夠?qū)崿F(xiàn)更大的永磁轉(zhuǎn)矩，因而能實現(xiàn)最大的總轉(zhuǎn)矩輸出。此外，提出的電機能大幅度降低轉(zhuǎn)矩脈動，提升機械性能。