永磁磁阻電機(jī)的案例
【設(shè)計(jì)】混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車用永磁磁阻電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，同步磁阻電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其驅(qū)動(dòng)電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機(jī)控制成本更高、難度更大；在轉(zhuǎn)矩密度、效率及功率因數(shù)方面，同步磁阻電機(jī)較永磁同步電機(jī)存在差距；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大問(wèn)題也是限制同步磁阻電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的重要因素。
永磁磁阻電機(jī)是同步磁阻電機(jī)的一種改進(jìn)形式。由于其轉(zhuǎn)矩密度和功率密度高、凸極比大、調(diào)速性能優(yōu)異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域中。但永磁磁阻電機(jī)同樣存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。
至此，針對(duì)目前電動(dòng)車用電機(jī)的稀土永磁成本過(guò)高的問(wèn)題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機(jī)，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。基于有限元仿真軟件JMAG，重點(diǎn)分析研究了新型永磁磁阻電機(jī)與原全釹鐵硼永磁同步電機(jī)在額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和凸極比上的差異。針對(duì)新型電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)諧波含量過(guò)高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大和轉(zhuǎn)矩輸出能力不足的問(wèn)題，進(jìn)一步提出一種切向混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分析優(yōu)化了切向混合磁鋼比例和位置參數(shù)。最終得到的新型永磁磁阻電機(jī)同時(shí)具有較高輸出轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高凸極比和低廉的成本。
展開(kāi) 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
本文以一臺(tái)實(shí)際使用的電動(dòng)汽車用52 kW永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，針對(duì)由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)研究。采用有限元方法，側(cè)重對(duì)比分析了“U”形、“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，不同磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。結(jié)合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，對(duì)比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結(jié)構(gòu)，得出雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當(dāng)前汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用要求的情況下，明顯降低電機(jī)成本。
1 磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能的影響分析
通過(guò)電機(jī)學(xué)的原理性分析，可得到永磁同步電機(jī)在d,q,o坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq
(1)
由式(1)可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)分量:第一個(gè)分量是電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩Tm，表征了電機(jī)永磁體勵(lì)磁磁鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；第二個(gè)分量為電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，表征了因電機(jī)交直軸磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。
圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。
展開(kāi) 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。
圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。磁障類似于常規(guī)永磁電機(jī)的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率，同步磁阻電機(jī)的磁障一般設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向?qū)挾萕為磁障寬度，為簡(jiǎn)化分析，本文設(shè)定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區(qū)域?yàn)榇耪祥g隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉(zhuǎn)子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。
圖1 永磁磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2 磁障形狀及層數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響
本文以一臺(tái)52 kW電動(dòng)汽車用混合式永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，電機(jī)的基本參數(shù)如表1、表2所示。
展開(kāi) 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。
圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。磁障類似于常規(guī)永磁電機(jī)的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率，同步磁阻電機(jī)的磁障一般設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向?qū)挾萕為磁障寬度，為簡(jiǎn)化分析，本文設(shè)定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區(qū)域?yàn)榇耪祥g隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉(zhuǎn)子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。
圖1 永磁磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2 磁障形狀及層數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響
本文以一臺(tái)52 kW電動(dòng)汽車用混合式永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，電機(jī)的基本參數(shù)如表1、表2所示。
展開(kāi) 
新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望
圖1 發(fā)卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機(jī)技術(shù)
多相電機(jī)在輸出相同功率時(shí)的母線電壓低于傳統(tǒng)的三相電機(jī)，且具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和更強(qiáng)的容錯(cuò)能力[9]，因此適用于對(duì)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)[10]。以雙三相永磁同步電機(jī)為例，電機(jī)的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢(shì)，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11,12]。同時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)兩套繞組采用隔離中線設(shè)計(jì)，相比4相與5相電機(jī)，降低了系統(tǒng)的階次，便于分析與控制，在電機(jī)與控制器發(fā)生故障時(shí)，控制算法不需要大的更改即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行控制，因此雙三相永磁同步電機(jī)也成為了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。
（三）永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)
永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電機(jī)+磁阻電機(jī)”的融合，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉(zhuǎn)矩較大，是一種少稀土/無(wú)稀土永磁電機(jī)方案。同時(shí)，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問(wèn)題，還具有更寬廣的高效率調(diào)速范圍。因此，該技術(shù)路線已經(jīng)被應(yīng)用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見(jiàn)圖2）。
永磁同步磁阻電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)界普遍看好的技術(shù)路線。但是其也面臨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、制造設(shè)備成本高、最優(yōu)電流角度變化大等問(wèn)題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于一些嚴(yán)重依賴廉價(jià)稀土永磁體、研發(fā)能力和制造加工能力差的企業(yè)將是不小的沖擊。
（四）輪轂電機(jī)技術(shù)
圖2 寶馬i3車用永磁同步磁阻電機(jī)
輪轂電機(jī)的形式多樣，但國(guó)內(nèi)外的研究多集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)[13～16]。輪轂電機(jī)的應(yīng)用能夠給新能源汽車帶來(lái)一系列明顯優(yōu)勢(shì)：省掉了變速器、傳動(dòng)軸、差速器等機(jī)械傳動(dòng)部分，可以實(shí)現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動(dòng)，且留下更多的底盤(pán)空間給電池包。
展開(kāi) 新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望
圖1 發(fā)卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機(jī)技術(shù)
多相電機(jī)在輸出相同功率時(shí)的母線電壓低于傳統(tǒng)的三相電機(jī)，且具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和更強(qiáng)的容錯(cuò)能力[9]，因此適用于對(duì)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)[10]。以雙三相永磁同步電機(jī)為例，電機(jī)的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢(shì)，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11,12]。同時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)兩套繞組采用隔離中線設(shè)計(jì)，相比4相與5相電機(jī)，降低了系統(tǒng)的階次，便于分析與控制，在電機(jī)與控制器發(fā)生故障時(shí)，控制算法不需要大的更改即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行控制，因此雙三相永磁同步電機(jī)也成為了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。
（三）永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)
永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電機(jī)+磁阻電機(jī)”的融合，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉(zhuǎn)矩較大，是一種少稀土/無(wú)稀土永磁電機(jī)方案。同時(shí)，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問(wèn)題，還具有更寬廣的高效率調(diào)速范圍。因此，該技術(shù)路線已經(jīng)被應(yīng)用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見(jiàn)圖2）。
永磁同步磁阻電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)界普遍看好的技術(shù)路線。但是其也面臨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、制造設(shè)備成本高、最優(yōu)電流角度變化大等問(wèn)題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于一些嚴(yán)重依賴廉價(jià)稀土永磁體、研發(fā)能力和制造加工能力差的企業(yè)將是不小的沖擊。
（四）輪轂電機(jī)技術(shù)
圖2 寶馬i3車用永磁同步磁阻電機(jī)
輪轂電機(jī)的形式多樣，但國(guó)內(nèi)外的研究多集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)[13～16]。輪轂電機(jī)的應(yīng)用能夠給新能源汽車帶來(lái)一系列明顯優(yōu)勢(shì)：省掉了變速器、傳動(dòng)軸、差速器等機(jī)械傳動(dòng)部分，可以實(shí)現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動(dòng)，且留下更多的底盤(pán)空間給電池包。
展開(kāi) 直流勵(lì)磁同步電機(jī)和磁阻電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
轉(zhuǎn)子無(wú)線勵(lì)磁原理示意圖：
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3.1.7 電勵(lì)磁同步電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是磁場(chǎng)可控，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子繞組電流大小，從而控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制磁場(chǎng)；特別是高速區(qū)域，達(dá)到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向?qū)挾鹊哪康?；而不?em>永磁同步電機(jī)的被動(dòng)、不得不FOC增加直軸電流分量、達(dá)到增加直軸磁場(chǎng)的目的。從而降低高速區(qū)的相端電壓。轉(zhuǎn)子繞組電流可以通過(guò)PWM控制，調(diào)節(jié)不同占空比，調(diào)節(jié)平均勵(lì)磁電流大小，從而控制勵(lì)磁磁場(chǎng)。
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3.1.8 從扭矩-轉(zhuǎn)速特性案例可以看出，在高速區(qū)域，輸出功率并沒(méi)有下降太多，基本保持水平，這個(gè)原因就是因?yàn)殡妱?lì)磁繞組的磁場(chǎng)可以主動(dòng)控制，根據(jù)需要控制勵(lì)磁電流大?。欢?em>永磁同步電機(jī)需要FOC弱磁被動(dòng)控制直軸磁場(chǎng)，產(chǎn)生多余的電能損耗，高速區(qū)和輸出功率下降幅度較大。
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3.2 磁阻同步電機(jī)
3.2.1 “控制器示意圖，三相電流示意圖”見(jiàn)“3.1 電勵(lì)磁同步電機(jī)”。
3.2.2 電勵(lì)磁同步電機(jī)與同步磁阻電機(jī)區(qū)別：
1) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，電勵(lì)磁是繞組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；而磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒(méi)有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機(jī)完全依靠磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩，能量來(lái)源于定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)能力（磁力線）總是盡力流過(guò)磁阻小的轉(zhuǎn)子磁路路徑，對(duì)應(yīng)的在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了同等極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，伴著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。
3.2.3 電機(jī)剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機(jī)有其先天的劣勢(shì)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、影響NVH效果。如下圖是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)示意圖。
展開(kāi) 【討論】永磁同步電機(jī)相對(duì)于永磁直流電機(jī)好在哪，為什么現(xiàn)在的電動(dòng)汽車都采用同步電機(jī)？
永磁同步電機(jī)是定子勵(lì)磁，不需要碳刷。而且控制自由度更高，同時(shí)控制相位和電壓，啟動(dòng)性能很好。反過(guò)來(lái)傳統(tǒng)直流永磁電機(jī)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，需要碳刷給轉(zhuǎn)子供電。而且控制只能控制電壓，適應(yīng)性差。
同步磁阻電機(jī)原理&結(jié)構(gòu)介紹
同步磁阻電機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子的正交軸和直軸的磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率）不等而產(chǎn)生的，它沒(méi)有勵(lì)磁繞組或永磁體 。
同步磁阻電機(jī)的構(gòu)造
磁阻電機(jī)的定子可以是分布式和集中式繞組，由框架和帶繞組的鐵芯組成。
同步磁阻電機(jī)
分布式繞組同步磁阻電機(jī)定子
磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子分為三種主要類型：凸極轉(zhuǎn)子、軸向疊片轉(zhuǎn)子和橫向疊片轉(zhuǎn)子。
帶凸極轉(zhuǎn)子
軸向疊片轉(zhuǎn)子
橫向疊片轉(zhuǎn)子
同步磁阻電機(jī)的工作原理
通過(guò)定子繞組的交流電在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子試圖通過(guò)施加的磁場(chǎng)建立其最具導(dǎo)磁性的軸（d 軸）以最小化磁路中的磁阻（磁阻）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)矩的幅度與直接 Ld 和正交 Lq 電感之間的差值成正比。因此，差異越大，產(chǎn)生的扭矩就越大。
同步電機(jī)的磁場(chǎng)線
可以借助下圖解釋主要思想。由各向異性材料組成的物體“a”沿d軸和q軸具有不同的電導(dǎo)率，而物體“b”的各向同性磁性材料在所有方向上具有相同的電導(dǎo)率。如果 d 軸和磁場(chǎng)線之間存在角度，則施加到各向異性物體“a”的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生扭矩。顯然，如果物體“a”的 d 軸與磁場(chǎng)線不重合，物體就會(huì)在磁場(chǎng)中引入畸變。在這種情況下，扭曲磁力線的方向?qū)⑴c物體的 q 軸重合。
在磁場(chǎng)中具有各向異性幾何形狀 (a) 和各向同性幾何形狀 (b) 的物體
具有各向異性幾何形狀的物體周圍的磁場(chǎng)線
在同步磁阻電機(jī)中，磁場(chǎng)由正弦分布的定子繞組產(chǎn)生。磁場(chǎng)以同步速度旋轉(zhuǎn)，可視為正弦曲線。在這種情況下，總會(huì)有一個(gè)扭矩旨在通過(guò)減少沿 q 軸的場(chǎng)失真（δ→0）來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能。如果角度δ保持不變，例如通過(guò)控制磁場(chǎng)，那么電磁能將不斷地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。定子電流負(fù)責(zé)磁化并產(chǎn)生試圖減少磁場(chǎng)失真的轉(zhuǎn)矩。
展開(kāi) 同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)
來(lái)源：杭州易泰達(dá)科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價(jià)格大幅度波動(dòng)，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機(jī)的推廣應(yīng)用。通常，稀土磁鋼的價(jià)格占電機(jī)總價(jià)格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機(jī)的成本。另一方面，由于其他類型的電機(jī)，如直流電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)等在控制上都有不同的弱點(diǎn)，難以取代同步電機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，因此，研發(fā)不使用稀土磁鋼的同步電機(jī)就提上了議事日程。
同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機(jī)的一個(gè)特例，從永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩， 后一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，而同步磁阻電機(jī)是僅利用磁阻轉(zhuǎn)矩的電機(jī)， 其轉(zhuǎn)矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的一樣，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特殊，通常有如下幾種：
為了提高交直軸電感的差，需要提高直軸電感，并降低交軸電感，又由于電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)需要由定子電流產(chǎn)生，所以電機(jī)必須使用盡可能小的氣隙，減少勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)；盡量保證漏感處于較低水平，亦即保證槽漏感，端部漏感，諧波漏感，等均較低，因此經(jīng)過(guò)分析，需要使用多層磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)。
同步磁阻電機(jī)的控制及性能特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)可以采用多種控制方式，DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制是其中的一種。DTC 是以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)，在控制中不使用計(jì)算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對(duì)控制器 MCU 的要求低，動(dòng)態(tài)性能好，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開(kāi) 案例分享：某開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁計(jì)算
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁計(jì)算分析在電機(jī)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)、降低成本、提高效率和可靠性以及智能化設(shè)計(jì)等方面都具有重要的必要性。因此，在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)行電磁計(jì)算分析是不可或缺的一環(huán)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁計(jì)算涉及多個(gè)方面，包括磁鏈、電感、電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩等。
電磁計(jì)算分析能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)等。這些性能參數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)和選型的重要依據(jù)。通過(guò)電磁計(jì)算分析，設(shè)計(jì)師可以針對(duì)特定應(yīng)用需求，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到性能更佳的電機(jī)產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的效率與其電磁設(shè)計(jì)密切相關(guān)。通過(guò)電磁計(jì)算分析，可以找出影響電機(jī)效率的關(guān)鍵因素，如磁通分布、鐵損、銅損等，并據(jù)此對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的電機(jī)能夠減少能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而降低運(yùn)行成本。
建模設(shè)置
1）幾何建模
建立三相18-12開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)1/3模型，如圖所示。1/3模型中包括定子、轉(zhuǎn)子、繞組以及求解域。
圖1 三相18-12開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
2）材料設(shè)置
三相18-12開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模型中有三種材料，材料的電磁屬性如表所示。
其中繞組線圈使用紫銅材料，定轉(zhuǎn)子硅鋼片使用DW310-50材料，其余為空氣。DW310-50為非線性磁導(dǎo)率，該材料的B-H曲線（以DW310-15材料B-H曲線代替）如圖所示。
圖2 DW310-15B-H曲線
3）邊界設(shè)置
根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)和繞組分相規(guī)則，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)1/3模型采用對(duì)稱邊界，并且設(shè)置定子最外邊為磁力線平行邊界，如圖所示。
圖3 對(duì)稱邊界與磁力線平行邊界
設(shè)置定轉(zhuǎn)子之間氣隙的中心線為滑移界面，并且設(shè)置滑移界面內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域，如圖所示。
展開(kāi) 
關(guān)于永磁同步電機(jī)的10個(gè)知識(shí) 附永磁同步電機(jī)三個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt、反電勢(shì)系數(shù)Ke、磁鏈Phi之間
采用永磁同步電機(jī)因其自身結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，集曳引電機(jī)、曳引輪、電磁制動(dòng)器、光電編碼器于一身，易于安裝，便于使用，使得其在行業(yè)內(nèi)近十年來(lái)大展身手、普遍開(kāi)來(lái)。特別是在無(wú)機(jī)房電梯的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，將永磁同步曳引電機(jī)安裝在電梯的井道里，既節(jié)約了機(jī)房的建造成本，又美化了建筑物外觀。當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí)，永磁同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)夾角來(lái)適應(yīng)，其響應(yīng)速度很快。
為了使電梯有良好的起、制動(dòng)舒適性和平層準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)中加入了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置裝置和電壓電流檢測(cè)裝置，隨時(shí)確定電機(jī)磁場(chǎng)的大小、方向。位置檢測(cè)裝置采用轉(zhuǎn)子位置傳感器（光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等）。轎廂負(fù)載檢測(cè)裝置可采用位置型、壓力型等多種形式，對(duì)電梯負(fù)載進(jìn)行預(yù)先測(cè)量并計(jì)算，給出恰當(dāng)方向和大小的力矩，可輸出開(kāi)關(guān)量、模擬量（電壓）和頻率量（高頻抗干擾性強(qiáng)，能遠(yuǎn)距離傳送）等。
永磁同步電機(jī)，準(zhǔn)確的講，應(yīng)該叫異步起動(dòng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)。這種電機(jī)，使用中可以同尺寸代替原來(lái)的Y,Y2,Y3等電機(jī)。減少了更換過(guò)程的麻煩。與普通電機(jī)相比，永磁電機(jī)有其自己的特點(diǎn)：
1、轉(zhuǎn)速恒定，為同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速較普通電機(jī)稍高，比如普通電機(jī)4極轉(zhuǎn)速為1400n/min多轉(zhuǎn)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速就是1500n/min，丟轉(zhuǎn)少。
2、功率因數(shù)高。永磁電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速一致，轉(zhuǎn)子磁極采用永磁磁鋼，沒(méi)有電流，定子上感應(yīng)電流減小，因此功率因數(shù)高。可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可使其工作在滯后功率因數(shù)、單位功率因數(shù)和超前功率因數(shù)。一般滯后功率因數(shù)都可以達(dá)到和超過(guò)0.95，大量使用永磁電機(jī)，可以省去無(wú)功功率補(bǔ)償器等設(shè)備。
3、效率高，特別是運(yùn)行效率高。永磁電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極采用永磁體--釹鐵硼磁鋼，靠永磁體的磁場(chǎng)就可以保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子也就沒(méi)有繞組損耗。轉(zhuǎn)子鐵耗也沒(méi)有，因此效率較普通電機(jī)高的多。
展開(kāi) 研究與設(shè)計(jì)|抑制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，但是本身的結(jié)構(gòu)使其比其他傳統(tǒng)電機(jī)有更大的振動(dòng)和噪聲，因此抑制SRM振動(dòng)仍是研究的熱門領(lǐng)域。為了抑制電機(jī)的振動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種新型的電機(jī)結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)子兩側(cè)開(kāi)孔，并在此基礎(chǔ)上對(duì)定子齒頂開(kāi)槽。以一臺(tái)7.5 kW、1 500 r/min、12/8極SRM為例，通過(guò)有限元分析仿真，對(duì)新型電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算，并得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在保證平均轉(zhuǎn)矩基本保持不變的情況下，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及徑向力。與原始電機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)下降了16.01%，徑向力峰值下降了19.96%。因此，證明了該方法對(duì)SRM振動(dòng)抑制有較好的效果，對(duì)后續(xù)SRM設(shè)計(jì)及控制具有一定的借鑒意義。
抑制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究
薛惟棟, 曲兵妮
(太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)
0 引 言
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、各相獨(dú)立工作、功率電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電器、航空航天、電動(dòng)汽車以及機(jī)械制造等各個(gè)領(lǐng)域。然而由于自身雙凸極結(jié)構(gòu)的特性，SRM的振動(dòng)噪聲比其他傳統(tǒng)電機(jī)高，振動(dòng)和噪聲已成為SRM目前最大的問(wèn)題[1-2]。
展開(kāi) 高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流換相的最優(yōu)控制
引 言
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子無(wú)繞組和永磁體，與其他電機(jī)相比較轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可以高速旋轉(zhuǎn)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，增加了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的使用范圍。但是SRM具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大和噪聲大的缺點(diǎn)。精確控制需要精確的位置信號(hào)。合適的開(kāi)關(guān)角隨著電流與轉(zhuǎn)速的不同而變化。這篇論文研究了離線狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)角。
電流換相過(guò)程中考慮了兩個(gè)不同的控制目標(biāo)：
1、給定電流下的最大輸出轉(zhuǎn)矩；2、最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。開(kāi)關(guān)角被看做相電流與轉(zhuǎn)速的函數(shù)。計(jì)算所得的最佳值被儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)成一個(gè)二維表格。
在SRD仿真模型上進(jìn)行了優(yōu)化過(guò)程，并進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
SRM模型
通常做以下假設(shè)：定轉(zhuǎn)子尺寸是理想的，忽略渦流和相間互感。在此假設(shè)下，SRM的轉(zhuǎn)矩可以表示為每個(gè)相轉(zhuǎn)矩的和，每個(gè)相轉(zhuǎn)矩只與各自的相電流和轉(zhuǎn)子位置相關(guān)。相轉(zhuǎn)矩可以從磁鏈-電流-轉(zhuǎn)子位置角特性曲線得出來(lái)。這些曲線可以通過(guò)靜態(tài)測(cè)量獲得，并存入二維表格中。這個(gè)方法需要大量測(cè)量或計(jì)算。并且表格也是比較難建立的。并且二維表格在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中也是低效的。為了避免上述提到的困難，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩公式化簡(jiǎn)，可以將磁鏈與轉(zhuǎn)矩變化為兩個(gè)一維函數(shù)。從而通過(guò)簡(jiǎn)化后的模型離線計(jì)算出最佳開(kāi)關(guān)角。
優(yōu)化過(guò)程
通過(guò)模型分析了SRM的兩個(gè)控制目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是使得平均轉(zhuǎn)矩與參考電流比值最大；第二個(gè)目標(biāo)是轉(zhuǎn)矩的均方根與平均轉(zhuǎn)矩比值最大。將這兩個(gè)目標(biāo)看作轉(zhuǎn)速和電流值的函數(shù)。通過(guò)MATLAB完成仿真和優(yōu)化程序，通過(guò)MATLAB工具箱中的OPTIMZATION來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)果如圖1所示。
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