- 頭條一種新型反凸極永磁同步電機的弱磁特性分析2021-03-27 作者：李春艷 王豫 孟濤 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語黑龍江大學機電工程學院的研究人員李春艷、王豫、孟濤，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出一種新型反凸極永磁同步電機，利用轉子永磁體分段磁橋和調整鐵心為直軸磁通提供路徑從而實現直軸電感大于交軸電感。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有高效率和高功率密度等優點，在電動車和數控機床等領域已獲得廣泛的研究和應用。但是永磁同步電機采用永磁體勵磁導致勵磁磁場無法調節，在電機基速以上運行區域時必須進行弱磁控制才能拓寬轉速范圍。理想的弱磁條件是直軸電感與負向的弱磁電流的乘積恰好抵消掉永磁體產生的磁通。
實現弱磁主要采用兩種途徑，一是增大負向的直軸弱磁電流，二是提高直軸電感。但是增大負向直軸弱磁電流不僅增加銅耗，而且還有可能引起不可逆退磁。采用增大直軸電感的方法又受到電機結構上的限制，因為內置式永磁同步電機轉子中永磁體始終放置于直軸位置，無法獲得較大數值的直軸電感。這就是永磁同步電機弱磁困難的原因。
永磁同步電機直軸電感小于交軸電感，也被稱為凸極永磁同步電機。通過結構上的特殊設計，使得永磁同步電機的直軸電感大于交軸電感，稱之為反凸極永磁同步電機。反凸極永磁同步電機擁有較大數值的直軸電感，更有利于實現弱磁，因此反凸極永磁同步電機成為永磁同步電機領域研究的熱點之一。
目前國內外學者對反凸極永磁同步電機進行了相關的研究。
有學者提出一種反凸極永磁同步電機。這種電機在轉子中將部分磁鋼采用軟磁材料代替。利用材料的屬性，改變電機磁路從而獲得反凸極特征。由于直軸電感大于交軸電感，這類電機能夠在低速時采用正值的直軸電流控制產生正值的磁阻轉矩，正向電流對永磁體具有增磁作用，能夠提升永磁體工作點。在高轉速運行時電機可以使用相對較小的直軸弱磁電流來削弱氣隙磁通，實現弱磁升速，有效提升了電機的弱磁范圍。
有學者提出的反凸極盤式永磁同步電機通過設計磁極中軟磁材料和永磁體的比例調整電機的弱磁性能。對比了與傳統永磁同步電機在控制上的差異，實現了接近31的弱磁擴速范圍。
有學者提出一種磁通可控的反凸極永磁電機。電機直軸上采用厚度薄且磁化狀態可變的釤鈷永磁體激勵，緩解了直軸磁路的飽和，增加了直軸電感。同時在交軸磁路上采用較大的磁通屏障，來減小交軸電感，從而獲得反凸極特性。這種電機在不同的運行狀態下對永磁體進行充磁去磁來改變磁化狀態，使低速時具有大磁鏈產生轉矩，高速時具有較小磁鏈減小弱磁電流。由于正值的直軸電流產生磁場增強的效果，永磁體的不可逆退磁風險大大降低了。
有學者提出磁場增強型永磁同步電機。通過轉子結構上的創新性改變，使得電機的直軸電感大于交軸電感。低速時電機處于磁場增強狀態，具有正值的磁阻轉矩。高速時較小的直軸電流減小永磁體不可逆退磁的風險并提高了電機的弱磁范圍。
有學者提出的反凸極永磁同步電機方案中永磁體在轉子中分段分層放置，交軸磁路中增加弧形磁障減小交軸電感。電機具有直軸電感大于交軸電感的反凸極特征。
有學者提出的反凸極永磁同步電機方案中永磁體在轉子中呈M形布置，在交軸磁路上設置三角形通風孔增加交軸磁阻。和普通永磁同步電機相比，該反凸極永磁同步電機減少了永磁體的用量，最大電磁轉矩提高了3.33%。
綜上所述，尋找合適的反凸極永磁同步電機轉子結構，實現低速大轉矩、高速寬廣的恒功率運行范圍具有十分重要的意義和價值。
為此，黑龍江大學機電工程學院的研究人員提出一種新型反凸極永磁同步電機，利用轉子永磁體分段磁橋和調整鐵心為直軸磁通提供路徑從而實現直軸電感大于交軸電感。低速運行時采取正值的直軸電流控制產生正值的磁阻轉矩，同時正向電流可有效提高永磁體的工作點。高轉速運行電機可以使用相對較小的直軸弱磁電流來削弱氣隙磁通，實現弱磁升速，有效擴大電機的弱磁范圍。建立新型反凸極永磁同步電機的直交軸磁路模型，分析新型反凸極永磁同步電機電磁轉矩特性和弱磁特性，并進行有限元分析。
圖1 反凸極永磁同步電機轉子
圖2 反凸極永磁同步電機磁場分布
反凸極永磁同步電機最高轉速達到額定轉速的三倍。理論分析結果與仿真分析結果相吻合，驗證了反凸極永磁同步電機弱磁的有效性和可行性。
通過定性分析和定量計算表明：
- 1）反凸極永磁體同步電機的電磁轉矩正比于極弧系數、匝數、永磁體厚度；反比于氣隙長度、偏心距離、調整鐵心直線段徑向長度和磁橋寬度。永磁體到圓心的距離對電磁轉矩的影響較小。
- 2）反凸極永磁同步電機最高轉速可達額定轉速的三倍，電機調速比約為1:3。反凸極永磁同步電機的弱磁效果正比于氣隙、偏心距離、調節鐵心直線段徑向寬度和磁橋寬度，反比于極弧系數、匝數、永磁體厚度和永磁體到圓心的距離。
- 3）反凸極永磁同步電機在額定轉速以下運行的不足之處是調整鐵心直線段和永磁體分段磁橋導致漏磁比普通永磁同步電機大，永磁體利用率略微下降，但通過仿真計算仍可滿足額定功率輸出。此不足之處恰好在弱磁運行時轉換為優點，有利于擴大電機的弱磁范圍。這種反凸極永磁同步電機方案為解決永磁同步電機的弱磁問題提供了一條新途徑，研究具有理論和實際價值。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“反凸極永磁同步電機弱磁特性分析”，作者為李春艷、王豫、孟濤。
