新型磁場調制式永磁電機的結構設計及其驅動研究

楊忠學，段玉波，連國一

(1.東北石油大學，大慶 163318； 2.哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080)

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新型磁場調制式永磁電機的結構設計及其驅動研究

楊忠學1，段玉波1，連國一2

(1.東北石油大學，大慶 163318； 2.哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080)

傳統永磁同步電機驅動負載時，往往需要通過大量的減速裝置來進行傳動，為了解決這一問題，出現了一種新型磁場調制式永磁電機，它打破了傳統齒輪嚙合，實現內部非接觸式傳動。闡述了其結構及工作原理，并在此基礎上對電機磁路結構做了進一步的改進，提高了永磁體的利用率，同時利用有限元軟件對其進行電磁分析，且采用場路耦合的方法，實現聯合驅動仿真。計算結果表明改進后的新型磁場調制式永磁電機具有優良的電磁特性及可控性。

磁場調制式永磁電機；有限元；場路耦合；磁路結構

0 引 言

在日常生活中電動機的許多應用場合，都需要其具有較低的轉速及足夠大的扭矩，目前絕大部分電動機是通過減速齒輪裝置，來達到降速提高扭矩的目的。然而在電機傳動機構中加入了機械齒輪后，整個傳動系統的體積，重量，噪音明顯加大，其傳動精度，效率及響應速度都受到了相應的影響，齒輪的磨損降低了其壽命及可靠性。因此隨著社會的發展，低速大扭矩的直驅電機將得到廣泛的應用。

很多文獻對此做了研究 ，如電動車輪轂式直驅永磁無刷電機[1]、電梯直接驅動永磁外轉子同步曳引機[2]、抽油機直驅式低速大扭矩永磁同步電機[3]。

磁場調制式永磁齒輪具有高扭矩密度、無接觸傳動、噪聲小、效率高等優點。因此磁場調制式永磁齒輪與永磁電機同軸組合成的傳動系統，以其自身獨特的傳動特性，高轉矩密度，必將適應于低速大轉矩的應用場合。目前國內外許多學者對此進行了研究，文獻[4]提出的復合型游標電機，采用有限元的方法對其進行了電磁仿真。文獻[5]中結合了數值解析分析方法計算了復合電機電磁場，并制作了樣機。文獻[6]給出了磁力齒輪外轉式永磁無刷電機，并簡化了電機結構。通過仿真實驗，驗證了設計的合理性。文獻[7]針對復合電機損耗進行了仿真計算，并進行了電機結構上的改進。文獻[8]將傳統分數槽永磁同步電機與復合電機機械性能和效率進行了對比。

本文針對直驅式永磁同步電機的設計，提出一種新型磁場調制式永磁電機，將磁性齒輪非接觸式傳動這一特點，與傳統外轉子表貼式永磁同步電機結合，并對其磁路結構進行了改進，完成結構的設計，同時采用有限元軟件對新型結構電機進行電磁性能的分析，最后通過場路耦合方法，搭建了永磁同步電機調速系統，實現了電機動態性能分析。

1 新型磁場調制式永磁電機結構及工作原理

1.1 磁場調制式永磁電機初始結構

磁場調制式永磁電機初始結構如圖1所示，此結構為雙層氣隙，內定子與外轉子之間，均勻分布25塊調磁鐵塊，內定子是三相6極36槽單層整數繞組，外轉子由22對均勻分布的表貼磁鋼及轉子鐵心軛組成，采用徑向充磁方式。

圖1 磁場調制式永磁電機初始結構

1.2 磁場調制式永磁電機改進結構

改進結構后的磁場調制式永磁電機結構如圖2所示，此結構為三層氣隙，其特點是將圖1中轉子軛部添加25個齒后，變為外定子，永磁轉子采用軸向端部固定方式進行傳動。

圖2 磁場調制式永磁電機改進結構

1.3 磁場調制式永磁電機運行機理

新型磁場調制式永磁電機是通過對傳統永磁同步電機結構進行了改進，并結合了磁場調制式特點，實現其扭矩的放大及變速目的。其結構主要由三部分組成，分別是少極的內定子和多極的外轉子，兩者中間為導磁非導磁材料交替排列的調磁鐵環，起到調制內外磁場的目的。新型磁場調制式永磁電機利用調磁鐵塊引起主磁路磁阻發生變化，使兩邊的主極磁場經調制后產生相應磁極對數的諧波磁場，從而實現扭矩的穩定傳輸。與傳統的永磁同步電機相比，其主要特點在于采用磁場調制原理，可以達到更低輸出轉速的目的。

外轉子輸出轉速，主要由內定子電流頻率及外轉子極對數決定。假設內定子由三相電流形成pi對旋轉磁極，外轉子是po對磁極，調磁鐵塊的個數是Ns，內定子電流頻率是f，Gr為內外氣隙轉速比。則外轉子旋轉速度ωo與它們之間有如下關系：

Ns=pi+po

(1)

(2)

(3)

2 磁場調制式永磁電機有限元仿真分析

初始結構的磁場調制式永磁電機和結構改進后的磁場調制式永磁電機設計參數如表1、表2所示。文中利用有限元軟件對兩種結構電機進行了二維有限元下的瞬態仿真計算。

表1 初始結構磁場調制式永磁同步電機設計參數

表2 結構改進后磁場調制式永磁同步電機設計參數

2.1 兩種結構電機空載運行特性

空載運行特性是電機的基本特性之一，通過空載運行特性可以知道電機磁路設計的是否合理。本文對兩種結構電機在空載狀態，轉子以600 r/min運行時，進行了電磁仿真計算，得到如下仿真數據。圖3(a)為初始結構的磁場調制式永磁電機的空載磁鏈，圖3(b)為結構改進后磁場調制式永磁電機的空載磁鏈，經對比可知，結構改進后的磁場調制式永磁電機，在永磁體相同用量時，永磁磁鏈幅值提高了0.9倍。由于兩種結構電機為表貼式永磁同步電機，常采用id=0 控制方式驅動 ，對于表貼式永磁同步電機電磁轉矩Te=1.5pψfiq，可以看出當定子繞組q軸電流相同時，較初始結構磁場調制式永磁電機,結構改進后的磁場調制式永磁電機的輸出電磁轉矩更高。

(a)初始結構的永磁電機(b)結構改進后永磁電機

圖3 空載磁鏈波形

初始結構及結構改進后磁場調制式永磁電機空載反電勢波形如圖4所示，對其進行FFT分解后，得到基波及各次諧波頻譜如圖5所示。基于諧波分析結果，可以直觀地看出，改進后的空載反向電勢畸變率小，可以有效抑制負載時轉矩脈動。

(a)初始結構的永磁電機(b)結構改進后永磁電機

圖4 空載反電勢波形

圖5 空載反電勢諧波分析

圖6為改進前后兩種永磁電機徑向氣隙磁密波形，從圖7中的徑向氣隙磁密傅里葉分解，可以看出，結構改進后氣隙磁密基波幅值明顯提高，畸變率相對減小，且氣隙磁密的波形得到了改善，從而提高電機轉矩輸出能力，加大了電機弱磁擴速范圍。

(a)初始結構的永磁電機(b)結構改進后永磁電機

圖7 徑向氣隙磁密諧波分析

根據圖8所示兩種結構磁場調制式永磁電機齒槽轉矩波形，可知結構改進前后的磁場調制式永磁電機齒槽轉矩波形幾乎沒有發生改變，且結構優化后的磁場調制式永磁電機轉矩波動幅值相對較小。

(a)初始結構的永磁電機(b)結構改進后永磁電機

圖8 齒槽轉矩波形

2.2 兩種結構電機穩態運行分析

電機在穩態運行時，轉矩脈動將嚴重影響控制精度，同時引發振動噪聲。而電機損耗，直接影響著電機運行時溫升及效率。下圖為兩種結構電機在相同負載條件下進行的電磁仿真計算，圖9 為改進前后磁場調制永磁電機穩態電磁轉矩波形,其相應的損耗波形如圖10所示。從圖9中可以看出改進前后磁場調制式永磁電機，在負載為40N·m時，轉矩脈動都很小，有利于負載條件下的穩定運行。而由圖10中的損耗數據表明，結構改進后磁場調制式永磁電機較初始結構永磁電機總損耗明顯加大，其原因是由于改后永磁電機的總損耗，較初始結構磁場調制式永磁電機增加了外定子軛部的鐵損及永磁體的渦流損耗，與其銅耗減少量相比，增加的較多，故總損耗加大 。

(a)初始結構的永磁電機(b)結構改進后永磁電機

圖9 電機穩態運行時電磁轉矩波形

圖10 電機損耗

3 結構改進后的磁場調制式永磁電機起動調速性能分析

傳統非自啟動正弦波永磁同步電機，通過采用施加理想正弦電壓電流激勵，來實現穩態分析，并未考慮實際運行時，電壓電流所含大量諧波分量。本文采用場路耦合的方法，搭建的永磁同步電機調速系統，采用SVPWM調制算法，實現電機的變頻調速目的。電機方面充分考慮了漏磁、損耗、磁路飽和及電流中所含大量諧波對電機運行時性能的影響，實現電機與控制系統無縫連接。

圖11為結構改進后的磁場調制式永磁電機聯合仿真的驅動系統模型。其采用單相橋式不可控整流電路為主電路提供直流電源，利用id=0矢量控制產生驅動脈沖，通過三相逆變電路，完成電機啟動、調速、加載等過程。下面對幾種運行工況進行了仿真分析。

圖11 結構改進后磁場調制式永磁電機聯合仿真模型

3.1 電機空載條件下啟動調速加載

圖12為結構改進后磁場調制式永磁電機在空載條件下起動，40ms時提升轉速，70ms時，突然施加5N·m負載的電流、轉速、轉矩波形。從圖中可以看出結構改進后永磁電機在控制系統下，轉矩脈動較小，轉速平穩，動態響應快。由此可以看出改進后的磁場調制式永磁電機具有較好地可控性。

(a)電流波形(b)轉速波形

(c) 轉矩波形

3.2 電機負載條件下的啟動調速

圖13為結構改進后磁場調制式永磁電機帶20N·m負載條件下啟動，50ms時提升轉速的電流、轉速、轉矩波形，可以看出結構改進后的磁場調制式永磁電機在負載條件下，對比圖12(a)電流波形，其正弦性較好，諧波含量較小，并具有良好的帶載起動能力。

(a)電流波形(b)轉速波形

(c) 轉矩波形

4 結 語

本文通過對結構改進前后磁場調制式永磁電機電磁及調速性能的分析，驗證了結構改進后磁場調式永磁電機設計的合理性，并根據仿真數據得到如下結論：

(1) 結構改進后的磁場調制式永磁電機，提高了轉矩輸出能力，與具有相同外形尺寸初始結構的磁場調制式永磁電機相比較，轉矩密度更高，永磁體用量更少。

(2) 結構改進后的磁場調制式永磁電機通過場路耦合方法，實現與控制系統有機結合。仿真數據表明，所搭建控制系統具有較強的適應性和魯棒性，使得電機具有良好的動態響應，證實了結構改進后磁場調制式永磁電機具有較好的可控性，同時為動態分析新型磁場調制式永磁電機在各種工況下運行，提供較為真實的驅動條件。

(3) 結構改進后的磁場調制式永磁電機損耗較之前明顯提高，針對損耗過大問題可以進一步在永磁轉子方面進行改進，以減小渦流損耗，降低永磁體退磁風險。

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Study on Design and Drive of the Novel Magnetic Field Modulation Type Permanent Magnet Motor

YANGZhong-xue1,DUANYu-bo1,LIANGuo-yi2

(1.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The mechanical gearboxes was widely used for transmission in the traditional permanent magnet synchronous motor driving system.In order to solve this problem, a novel flux-modulated-motor (FMM) which realizes the non-contact transmission instead of the tradition gear engagement was studied in previous research.The basic structure and operating principle of the motor were described in this paper, and then its magnetic circuit structure was improved which resulted in the improvement of the permanent magnets utilization.The electromagnetic performances of the motor were analyzed by using the finite elememt, and the compound drive was achieved by using the field-circuit coupled method.The results show that the novel flux-modulated motor has excellent electromagnetic performances and controllability.

flux-modulated motor; finite element; field circuit coupled; magnetic structure

2015-09-30

國家自然科學基金項目(51107022)；黑龍江省杰出青年科學基金項目(JJ2016JQ0049)；哈爾濱市科技創新人才研究專項基金項目(RC2014QN007005)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0015-04

楊忠學(1974-)，男，碩士，研究方向為新型磁齒輪復合電機的設計與研究。