王 豫，李春艳

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

稀土永磁同步电机具有体积小、功率密度高、效率高和可靠性高等优点，永磁同步电机驱动控制系统被广泛应用在机械、建材和军工等行业中。但因其采用永磁体进行励磁，一旦做成样机，永磁体的磁性能基本不会发生改变，磁场固定而无法调节，因而永磁同步电机在转速超过额定转速之后必须进行弱磁控制[1-2]。

传统的弱磁方法通过增加电机直轴去磁电流，通过电机电枢反应的去磁作用使得电机的气隙磁场减弱，从而实现弱磁。这种方法的缺点是降低电机的效率以及永磁体更易发生不可逆去磁。提高永磁同步电机的弱磁调速能力主要有两种途径：

1)从电机本体角度进行设计优化。学者们提出多种特种结构永磁电机实现弱磁。例如文献[3-6]提出通用改变为磁路磁阻或改变磁通路径实现弱磁的电机方案;文献[7-9]提出一种气隙磁场可调的可控磁通的转子结构;文献[10-11]提出一种增加漏磁的电机结构，改变了磁通路径，提高了永磁同步电机的弱磁性能;文献[12]提出的一种永磁段与磁阻段相结合的复合转子结构，但这种结构为了提高弱磁能力，直轴电感非常大;文献[13]提出了一种励磁磁场相互抵消的双段转子结构，通过改变双段转子之间的角度差来实现气隙磁场的调节;文献[14]提出一种混合励磁结构，此混合式磁极结构具有可以获得较宽的调速范围，且结构简单，效率高等优点;文献[15-16]提出的一种表面-内置式电机结构，此结构改善了表贴式永磁同步电机弱磁调速范围小，功率密度低和内置式永磁同步电机转矩波动大、漏磁凸出等问题。

2)通过控制方法进行弱磁性能优化研究。在控制方法上常见的主要有矢量控制和直接转矩控制两种方式。矢量控制方法例如超前角弱磁控制方法[17]、无电解电容永磁同步电机驱动系统过调制法[18-20]和由Bose B K教授提出的六步电压法[21]等。直接转矩控制方法例如基于模糊控制的永磁同步电机直接转矩控制技术[22]和基于改进占空比计算方法的永磁同步电机直接转距控制技术[23]。

永磁同步电机在弱磁研究方向上取得了丰硕的成果，但永磁同步电机弱磁问题并未完美解决，国内外学者仍在永磁同步电机弱磁调速问题上积极探索，寻求宽弱磁调速范围的永磁同步电机转子结构以及弱磁控制方法。本文提出一种基于漏磁可调机理的永磁同步电机转子结构，通过导磁块在滑轨槽的运动调节转子漏磁，实现提高永磁同步电机的弱磁调速范围。

1 电机结构和弱磁原理

1.1 电机结构

图1 基于漏磁可调机理的永磁同步电机转子结构Fig.1 Rotor structure of the PMSM based on the principle of adjustable leakage flux

基于漏磁可调机理的永磁同步电机的定子采用4极36槽结构，与普通永磁同步电机的定子结构相同。转子结构见图1。转子由转子铁芯、永磁体、导磁块、弹簧和滑轨槽构成。其中导磁块和弹簧放置在滑轨槽中。弹簧的自由端与导磁块固定连接，另一端固定在滑轨槽靠近转子外周的那一侧的铁心上。导磁块与弹簧静止时的长度之和短于滑轨槽的径向长度。导磁块可在滑轨槽中自由滑动。电机转速在基速及基速以下运行时导磁块在滑轨槽中位置见图1(a)。电机转速在基速以上运行时导磁块在滑轨槽中的位置见图1(b)。

1.2 电机弱磁原理

以图1(a)中受力分析对象导磁块1为例，作用在滑轨槽中导磁块上的力有电磁力、离心力和摩擦力。电磁力可分解为径向分量和切向分量，其中电磁力径向分量的方向指向转子正圆心，且电磁力的切向分量数值很小，故使得摩擦力数值也很小。离心力方向和电磁力径向分量的方向相反。导磁块上的受力决定导磁块的运动，可分为以下两种情况：

1)电机转速等于或低于基速。作用在导磁块上的电磁力径向分量大于离心力，此时导磁块在滑轨槽中固定在位于图1(a)中所示的位置上运行。以转子铁心圆心为参考点，导磁块在滑轨槽中的径向高度不高于永磁体的径向高度。高于永磁体的径向高度的滑轨槽内的空气磁阻大，该部分滑轨槽起到两个相邻永磁体之间的隔磁槽作用，即电机的极间漏磁较小，和普通永磁同步电机转子的极间漏磁相当。滑轨槽的设置不影响额定转速及其以下运行时的电磁转矩输出。

2)电机转速高于额定转速。作用在导磁块上的离心力随着速度的增加而逐渐增大，使得离心力大于电磁力的径向分量，导磁块通过弹簧在滑轨槽中径向往靠近转子铁心外周的方向运动，直至离心力和电磁力重新达到平衡。导磁块将在该速度下稳定运行在滑轨槽中的新位置。此时，以转子铁心圆心为参考点，导磁块径向高度超过永磁体的径向高度。该部分滑轨槽由原来的空气被磁阻小的部分导磁块取代，该充满导磁块的部分滑轨槽无法起到极间隔磁作用，即电机的极间漏磁增大，气隙磁通减小。随着电机转速的增加，作用在导磁块的离心力越大，导磁块在滑轨槽中运动的位移越大。充满导磁块的滑轨槽长度越长，电机极间漏磁越大，即永磁体发出的磁通经过充满导磁块的部分滑轨槽在转子内部闭合的磁通越多，气隙磁通越小，弱磁效果越好。

空载磁通路径能直观展示电机的弱磁原理。基于漏磁可调机理的永磁同步电机的空载磁通路径示意图见图2。由图2可见，电机转速在基速及基速以下运行时，与传统永磁同步电机相似，除磁桥处有部分漏磁外，永磁体发出的磁通绝大部分通过气隙经过定子铁心。电机转速在基速以上运行时，永磁体发出的部分磁通经过充满导磁块的部分滑轨槽在转子铁心内部闭合，转子极间漏磁增大，永磁体发出的磁通经过气隙的磁通变小，即气隙磁场减弱。

2 有限元仿真分析

建立4极36槽基于漏磁可调机理的永磁同步电机的有限元分析模型进行有限元仿真分析。电机的基本尺寸和额定参数见表1。

图2 基于漏磁可调机理的永磁同步电机磁通路径示意图Fig.2 Magnetic flux path of the PMSM based on the principle of adjustable leakage flux

表1 永磁同步电机基本参数Table 1 Basic parameters of PMSM

2.1 空载磁力线和空载反电势仿真

定义滑轨槽中导磁块运动的距离为变量s。导磁块位于滑轨槽如图1(a)所示的位置上，此时s=0 mm。基于漏磁可调机理的永磁同步电机在额定转速条件下运行时，电机空载磁力线分布图见图3。

图3 空载磁力线分布图 (s=0 mm, n=1 700 rpm)Fig.3 No-load magnetic flux distribution of the new PMSM

电机转速在基速以及基速以下运行时导磁块静止不动。由图3可见，永磁体发出的磁通经过永磁体径向高度以上对应的滑轨槽的磁力线很少，因永磁体径向高度以上的部分滑轨槽起到隔磁作用。电机的极间漏磁和传统永磁同步电机相似，因此电机转速在基速及基速以下运行时不影响电磁转矩输出，与理论分析一致。

基于漏磁可调机理的永磁同步电机在额定转速条件下运行时空载反电势波形见图4。电机空载反电势幅值245.5 V，有效值172.4 V。空载反电势波形接近正弦波形。良好的空载反电势波形有利于减小电机的转矩脉动。

2.2 额定负载转矩仿真

基于漏磁可调机理的永磁同步电机在额定转速条件下运行，电枢绕组通入额定电流输出的电磁转矩波形见图5。

图4 电机空载反电势波形Fig.4 Waveform of the back electromotive force (EMF)

图5 额定负载转矩波形Fig.5 Waveform of the electromagnetic torque

基于漏磁可调机理的永磁同步电机在额定转速条件下运行时输出电磁转矩4.36 N·m，空载摩擦转矩按照额定转矩的3%计算，空载摩擦转矩为0.13 N·m，则电机输出机械转矩为4.23 N·m。根据电机输出功率公式(1)计算出基于漏磁可调机理的永磁同步电机的输出功率为752.6 W，大于750 W，仿真计算结果表明该电机在额定转速条件下输出功率满足额定输出功率要求。

(1)

式中，P、T和n分别为电机的输出功率、机械转矩和电机转速。

2.3 弱磁特性仿真

电机转速在额定转速和低于额定转速运行时导磁块固定不动，此时s=0 mm。电机转速超过额定转速后，作用在导磁块上的离心力大于电磁力，导磁块在滑轨槽内开始运动。导磁块运动的最大距离是4 mm，即s=4 mm。导磁块运动的距离越大，转子相邻永磁体之间的极间漏磁越大，气隙磁通越小，弱磁效果越好。在静态场中计算导磁块运动不同距离时对应的电磁力，根据作用在导磁块上电磁力和离心力的平衡关系推导出电机转速，得到电机转速和导磁块运动距离s的对应关系，见图6。

建立s从0～4 mm的电机计算模型，根据电机转速和导磁块运动距离s的对应关系，分别给定相应的电机转速，在该转速条件下带载运行，仿真计算电机的最大输出的电磁转矩，得到电机电磁转矩与转速的对应关系，见图7。

图6 电机转速与导磁块移动距离(s)的对应关系Fig.6 Motor speed versus magnetic block mobile distance (s)

图7 电机转矩-转速特性Fig.7 Electromagnetic torque versus motor speed

图8 空载磁力线分布 (s=4 mm, n=5 220 rpm)Fig.8 Distribution of the no-load magnetic flux (s=4 mm, n=5 220 rpm)

由图6和图7可见，计算的电机最高转速为5 220 rpm。电机转速达到最高转速时，能够输出电磁转矩1.38 N·m，即额定转矩的32.8%。与额定转速1 700 rpm相比，电机的弱磁调速范围达到3倍。

当导磁块运动到靠近铁心外周一侧的滑轨槽顶端时，此时s=4 mm。电机转速再增加，作用在导磁块上的离心力始终大于电磁力，因此导磁块固定在如图1(b)所示的位置上。电机在最高转速下空载运行对应的空载磁力线分布图见图8。

同图3所示的额定转速运行条件下的空载磁力线相比，电机转速在最高转速运行时空载磁力线经过气隙穿过定子铁心的条数明显减少，这也验证了电机弱磁的有效性。

3 电机电磁参数对弱磁特性的影响分析

3.1 导磁块对弱磁范围的影响

通过导磁块在滑轨槽中的运动调节转子相邻永磁体之间的极间漏磁，从而实现调节气隙磁场。运用有限元方法计算导磁块宽度和长度对弱磁范围的影响见图9和图10。

图9 导磁块宽度对弱磁范围的影响Fig.9 Effect of the width of the magnetic conductor on the flux-weakening range

图10 导磁块长度对弱磁范围的影响Fig.10 Effect of the length of the magnetic conductor on the flux-weakening range

导磁块的宽度对弱磁范围的影响较小，而导磁块的长度对弱磁范围的影响较大。电机的最高转速随着导磁块长度的增加而逐渐增大，但导磁块长度增加至8mm以后，最高转速增幅放缓。这是因为导磁块的磁阻和铁心磁阻接近，放置在槽中其宽度并不实质性改变转子回路的磁阻，对最高转速数值影响小。导磁块的长度越长，永磁体发出的磁通经过导磁块闭合的磁通数目越多，电机的极间也就漏磁越大，因此电机的最高转速越高。

3.2 气隙长度对弱磁范围的影响

气隙长度是影响电机性能的重要参数之一。气隙长度对基于漏磁可调机理的永磁同步电机的弱磁范围的影响见图11。

电机的最高转速随着气隙长度的增加而增加。这是因为随着气隙长度的增加，转子励磁回路的磁路磁阻增加，气隙磁通密度会下降，因此有利于提高电机的弱磁调速范围。但过大的气隙会降低额定负载运行时的电磁转矩。因此电机的气隙长度应在满足额定负载电磁转矩输出条件下尽可能选择较大的气隙以增加电机的弱磁调速范围。

3.3 电流对弱磁范围的影响

导磁块滑动至滑轨槽顶端时，此时速度再增加，由于离心力始终大于电磁力，因此导磁块再次固定不动。在此条件下，可借鉴传统永磁同步电机通入负向直轴电流利用电枢反应的去磁作用实现进一步提高电机的转速范围。定子电流对基于漏磁可调机理的永磁同步电机的弱磁范围的影响见图12。

图11 气隙长度对弱磁范围的影响Fig.11 Effect of the length of the air gap on the flux-weakening range

图12 定子电流对弱磁范围的影响Fig.12 Effect of the current on the flux-weakening range

电机通入的电流越大，电机的最高转速越大，随着电流的逐渐增加，电机最高转速增加幅度小幅放缓。这是因为随着电流的增加，电机直轴去磁分量增加，提高了电机的弱磁调速范围，但随着电流的增加，电机饱和程度亦会增加，因此电机最高转速增加的幅度会有所放缓。

图13 永磁体厚度对弱磁范围的影响Fig.13 Effect of the thickness of the permanent magnet on the flux-weakening range

3.4 永磁体对弱磁范围的影响

更大的永磁体尺寸有利于提高电磁转矩，同时大尺寸永磁体也会提供更多的永磁磁链。根据永磁同步电机最高转速公式(2)，永磁磁链越大，电机的最高转速越小，弱磁范围越窄。

(2)

式中，ulim、p、ψ、Ld和ilim分别为电动机的端电压、极对数、永磁磁链、直轴电感和电机的极限电流。

永磁体厚度对弱磁范围的影响见图13。随着永磁体厚度的增加，电机的最高转速值下降，电机永磁体厚度超过5 mm后，最高转速值下降明显。这是因为随着永磁体厚度的增加，永磁磁链逐渐增大，弱磁范围变窄，仿真结果和理论分析一致。通过分析可知基于漏磁可调机理的永磁同步电机永磁体厚度为3～5 mm较为合适。

4 结 论

通过导磁块在滑轨槽中运动调节转子极间漏磁，从而调节气隙磁场，实现弱磁扩速。通过理论分析和有限元仿真验证基于漏磁可调机理的永磁同步电机具有良好的弱磁性能，电机弱磁范围为额定转速的3倍。分析表明导磁块的宽度对弱磁范围影响小；导磁块越长，气隙和电流越大以及永磁体充磁厚度越小，则更有利于提高电机的弱磁范围。