新型机械轴向变磁通永磁同步电机分析研究

刘细平， 钟清伟， 谢清华， 黄跃飞

(1. 江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000：2. 江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

新型机械轴向变磁通永磁同步电机分析研究

刘细平1， 钟清伟1， 谢清华1， 黄跃飞2

(1. 江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000：2. 江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

为解决传统变磁通永磁电机在基速以上运行可靠性差和调磁困难的问题，提出一种附加机械调磁装置的新型轴向变磁通永磁同步电机。采用有限元法对电机运行于不同转速时的磁场分布进行分析，建立轴向变磁通永磁同步电机三维有限元仿真模型，获得了电机在不同转速下气隙磁密、绕组磁链及空载反电势、电感等电磁特性。分析结果表明：在基速以下时，机械调磁装置不动作，该电机能以大转矩运行；在基速以上时，机械装置相应动作，电机可在宽范围恒功率运行，调磁效果较好。通过制作样机和构建电机系统试验平台，验证了理论分析和设计的有效性。

机械变磁通；永磁同步电机；轴向磁通；电磁特性；有限元分析

0 引 言

为解决永磁同步电机反电动势随转速的线性增加与电机调速范围要求较宽[1-3]，以及在新能源发电场合中存在能源随机性强、用户对电能的质量要求较高的矛盾[4-5]，有规律地调节电机工作磁场强弱成为重要方法之一。为随机发电场合的宽范围稳压发电及驱动电机的高效变速运行提供技术支持，探求有效调节电机磁场强弱的方式成为电机领域的研究新热点之一。近年来，经过国内外研究学者的不懈努力，提出了多种解决方案，如混合励磁电机、记忆永磁电机、机械变磁通永磁同步电机等多种调磁电机，并进行了深入的研究，取得了丰硕的成果[6]。然而，现有的调磁电机存在调磁控制难度高、运行可靠性低、永磁体退磁风险及功率密度低等缺点。

论文所提出的新型机械变磁通轴向磁场永磁同步电机，由双转子单定子轴向磁场永磁同步电机和机械调磁装置两部分组成，弥补了传统电机永磁用量多、运行可靠性低等缺点，在完全无励磁功率损耗的基础上实现电机高效率和高功率密度。此类新型机械变磁通永磁同步电机具有结构简单紧凑、磁力线集中和高转矩密度，调磁控制简单且弱磁能力强的优点，在恒功率驱动和恒压发电等领域具有重要的应用价值。

1 电机基本结构及工作原理

1.1 电机基本结构

MVFAFPMSM所采用的轴向磁场永磁同步电机，呈扁平状，结构简单紧凑，如图1所示。轴向磁场永磁同步电机采用单定子/双转子结构，又称TOURS型结构，能有效地抑制单边磁拉力现象。矩形永磁体呈周向排列表贴于转子背轭内侧；两侧永磁体相对应磁极极性相同。定子铁心采用无槽结构，有利于抑制齿槽效应，减小转矩波动，降低电机噪音和振动；环形电枢绕组采用集中绕组形式，以背绕方式缠绕于环形定子铁心上，故其绕组端部较短，能有效减小端部绕组的电阻和功率损耗，有利于抑制电机的端部效应，提高电机效率。机械调磁装置在左侧转子盘上。此处转子盘即为MVFAFPMSM一侧转子，通过轴承与电机转轴相装配，可绕转轴自由转动。轮毂和电机另一侧转子同轴固定于电机转轴上，可随转轴同步旋转。为提高调磁装置的运行可靠性，其采用双凸轮结构。整个机械调磁装置位于MVFAFPMSM外侧。

图1 电机整体结构Fig.1 Strcucture of MVFAFPMSM

1.2 电机工作原理

利用MVFAFPMSM的机械调磁装置中凸轮的离心力和弹簧的反作用力推动连杆，可调节两转子间相对位置，实现机械自动调节功能。两转子错开角度是机械调磁装置的重要输出参数，为电机本体与机械调磁装置之间的唯一调节变量。图2所示为机械调磁装置工作机理示意图。

图2 机械调磁装置的工作机理示意Fig.2 Operating mechanism diagram of mechanical device

根据机械调磁装置的工作机理，可将MVFAFPMSM的运行状态分为两个阶段，即：基速以下(基本工作状态)和基速以上(弱磁状态)。

1)基本工作状态：此状态下，凸轮离心力不足以克服弹簧拉力及摩擦力，机械调磁装置无动作，未起角度调节作用(即α=0)，此时电机相当于一台双气隙型轴向电机。

根据电磁感应定律，电枢绕组线圈两侧有效导体切割磁力线，产生大小和方向均相同的感应电动势E，且在一个电周期内正反交替有规律变化，呈正弦分布[7]。此时每个线圈端部的感应电动势e可表示为

e=2NE=2NBglvc。

(1)

式中：N为线圈匝数；Bg为轴向气隙磁密；l为切割导体的有效长度；vc为有效导体的平均圆周线速度，可由公式(2)计算得到

(2)

式中，ω为电机旋转角速度，Rin为电机定子内半径。综合公式(1)和(2)，可得

(3)

2)弱磁状态：此状态时，凸轮在离心力、弹簧拉力及摩擦力作用下推动连杆运动，迫使电机两转子间错开一定的机械角度α(即α≠0)。对于不同的电机转速，机械装置将在不同的位置达到平衡，转子间错开的角度也发生变化。机械角度的错开使两侧永磁磁动势之间存在一定的相位差αe，其与机械角度的关系如下：

αe=pα。

(4)

式中，p为电机极对数。电机两侧永磁体对称分布，故两侧轴向气隙磁密Bg大小相等，但在弱磁状态下气隙磁密在空间上存在相应的相位差，且与两侧永磁磁动势间的相位差相同。因此，两侧有效导体将感应出大小相等，相位差为αe电角度的电动势E，如图3所示。此时，每个线圈端部的感应电动势e′ 可表示为

(5)

根据电机学原理[8]，电机在工作时，电枢绕组中将产生感应电动势。结合图3，可知线圈两侧感应电动势间的电角度αe只能在区间(0°，180°)内变化；而此电机为8对极电机，即两转子间错开的机械角度α的变化区间为(0°，22.5°)。综上所述，MVFAFPMSM每相电枢绕组的感应电动势表达式如下所示：

(6)

式中，mc为电机每相绕组的串联线圈数；ω0为电机的基速(为1 800 r/min，即ω0=60π)。由式(6)可知，转子间错开角度α是电机实现机、电、磁三者耦合的关键参数。若电机的机械调磁装置设计合理，在基速以上保持ωcos(pα/2)的值恒定， MVFAFPMSM即能实现弱磁控制，也可在宽转速范围内实现恒压输出和恒功率运行。

图3 绕组感应电动势矢量图Fig.3 Vector diagram of EMF

1.3 电机主要参数

机械变磁通轴向磁场永磁同步电机主要设计参数如表1所示。

表1 MVFAFPMSM主要尺寸

2 电机特性有限元分析

2.1 电机有限元模型

将利用Solidworks建立的电机三维模型导入至Maxwell 3D中，通过定义电机各部分材料和边界条件，施加激励源和进行网格剖分等步骤。根据模型的对称性，仅对电机四分之一模型进行仿真。图4所示为电机本体四分之一模型的网格剖分图。

图4 电机网格剖分Fig.4 Mesh generation of machine

2.2 磁场分布

采用Maxwell软件对电机进行有限元分析，不考虑涡流和磁滞作用，同时忽略电机电枢反应和电枢绕组端部的影响，MVFAFPMSM内的磁场可简化为三维静态磁场来分析。图5为电机四分之一结构模型时所对应的空载三维磁密云图。图5(a)为转子磁密云图。无论电机运行在基速以下还是基速以上，两侧转子磁密分布不随转子错开角度的变化而变化。图5(b)为电机运行于基速以下即两转子间未错开角度时的定子铁心磁密云图。此时，由表贴在两转子盘上的永磁体产生电机主磁通，通过气隙进入定子铁心中，两侧磁通进行矢量合成。由于两侧转子盘上的永磁体完全对称，定子铁心面向两转子内侧的磁密云图则同样具有高度对称性，此时，定子铁心内的合成磁通达到峰值，铁心中间层的磁通密度最小。

图5(c)为定子铁心在转子错开位置时的磁密云图。相对于对齐位置，由于机械调整装置的作用使转子盘旋转，两转子之间产生相对位移，此时相应永磁体之间错开一定角度。根据最小磁阻原理，靠近定子铁心外表面两侧的磁通密度最大，由外向内逐渐减小，中间部分磁通密度最小[9]。与对齐位置不同，此时定子两侧的磁通密度不再对称。由于仅两转子错开角度，而其它参数不变，故转子错开后磁通回路的磁阻不变，且永磁体产生的总磁通与气隙磁通密度均不会发生变化。然而两转子间的角位移将相应减少定子铁心中的合成磁通，实现了对电机的弱磁。

3 电磁特性分析

3.1 气隙磁密

电机主磁路由气隙、定转子铁心等构成，气隙磁通由表贴在转子盘上的永磁体产生，电机内磁场呈轴向分布[10]。由于该电机为双转子结构，故有两个气隙，为方便分析，定义机械调磁装置所在转子盘为左侧，另一侧为右侧。图6(a)所示为转子对齐位置时电机左侧空载气隙磁密分布图。电机内的气隙磁密幅值相等，左右两侧气隙磁密波形呈周期性有规律对称分布，且谐波含量少。图6(b)给出了转子错开15°时左侧气隙的空载气隙磁密分布图。当转子错开位置时，气隙磁密的幅值不会发生变化，电机右侧气隙磁密不会发生变化，分布与相对位置时一致，而电机左侧的气隙磁密波形偏移了一定角度。此时，两侧气隙磁密产生一个相位角，线圈有效边切割磁场产生的感应电动势也将相应地产生一个相位角，通过矢量合成后可对电机产生弱磁效果。

图5 磁密云图分布Fig.5 Flux density distribution in stator

3.2 绕组磁链及空载反电势

MVFAFPMSM采用集中绕组，电机旋转时绕组有效边切割磁力线，在定子中形成两条磁通回路。定子采用无槽铁心结构，可有效降低谐波畸变率，提高电机绕组磁链的正弦度。

图6 气隙磁密分布图Fig.6 Distribution of airgap flux density

利用傅里叶变换对绕组磁链进行谐波分析。图7为A相绕组磁链的各次谐波分量柱状图，经计算分析，在电机处于1 800 r/min的工况下，电机绕组磁链的基波含量为0.036 7 Wb。分析表明，MVFAFPMSM绕组磁链谐波含量较少，有利于提高电机电枢绕组磁链的正弦度。

图7 谐波分量柱状图Fig.7 Histogram of harmonic

图8(a)所示为电机在基速时三相绕组磁链波形。在基速以下时，三相绕组磁链的波形对称性好，周期随转速的上升而变小。图8(b)为电机运行在3 000 r/min时三相绕组磁链波形图。此时，电机进入弱磁控制阶段，绕组磁链周期缩短为2.5ms，峰值较对齐位置时有显著降低，弱磁效果明显。

图8 不同转速下三相绕组磁链波形Fig. 8 Three phase coil flux linkage waveforms at different rotating speed

图9为电机不同转速下反电势波形图。当电机工作在基速下时，电机转子处于对齐位置，随着电机转速的升高，反电势幅值也随之增大，呈线性上升关系，且在1 800 r/min时，反电势达到最大，如图9(a)所示。当电机转速超过1 800 r/min时，两转子开始错开角度，电机进入弱磁控制环节，绕组感应电动势的峰值并没有增加，而与基速(1 800 r/min)时相等，约为50 V左右，可实现了稳压的效果，如图9(b)所示。

3.3 电感特性

绕组电感是电机电磁性能的重要指标之一。计算电机电感包括以下几类：1)电枢绕组电感；2)励磁绕组电感；3)电枢绕组和励磁绕组之间的互感。由于MVFAFPMSM利用机械装置进行调磁，电机无励磁绕组。图10(a)和图10(b)分别给出了MVFAFPMSM的三相电枢绕组自感和互感，从图中电枢电感的波形可知，电枢自感和电枢互感均具有较好的对称性，不同相位的自感和互感波动较小，幅值也相差不大。

图9 不同转速下反电势波形Fig.9 Three phase EMF waveforms at different rotating speed

图10 电机三相绕组自感与互感Fig.10 Induction waveforms of three phase windings

表2给出了电枢绕组电感均值。

表2 电枢绕组电感均值

4 样机与测试平台

根据上述电机基本结构参数，制作了一台试验样机，用以验证机械调磁的可行性，如图11所示。

图11 样机实物图Fig. 11 Physical map of phototype

图12所示为搭建得样机试验测试平台。通过原动机驱动MVFAFPMSM电机，展开其发电实验研究，测试其空载反电势。图13和图14所示为电机在不同转速下A相绕组的空载感应电动势有限元仿真波形和试验波形。由于盘式电机制造工艺、材料属性及工况环境的局限性，在电机装配过程中两侧气隙长度难以控制，最终导致测试结果会发生轻微偏移，使两者结果之间存在一定的误差。由图13可知，电机在1 800 r/min时，A相感应电动势的仿真波形峰值约为50.4 V，试验波形峰值约为49.5 V，两者相差甚小；同理，3 000 r/min的仿真值与试验值也较接近，误差较小，表明样机的设计研制较为合理。

图12 样机实验测试平台Fig.12 Prototype experimental test platform

对比图13和图14中可知，相对于电机工作在1 800 r/min时的感应电动势波形，转速为3 000 r/min时得波形有明显变化，这是由于电机在3 000 r/min时，机械调磁装置迫使两转子错开了一定角度，改变了电机内部的磁场分布，从而导致感应电动势中的谐波含量有所增加，波形正弦度降低；而在1 800 r/min时，电机两转子处于对齐位置，工作磁场中谐波含量较少，感应电动势波形的正弦度较高。

5 电机调磁特性

图15所示为样机空载运行于3 000 r/min时机械调磁能力的试验结果，N和Y分别表示电机在无和采用机械调磁装置情况下的感应电动势试验波形。与有限元仿真波形对比可知，样机试验结果与仿真数据大致相同，误差在允许范围内，验证了机械调磁理念的可行性和仿真研究的正确性。

图14 A相空载感应电动势仿真与试验波形(转速为3 000 r/min)Fig.14 Simulation and experimental waveforms of A phase EMF (operating at 3 000 r/min)

图15 机械弱磁能力试验结果Fig.15 Result of flux weakening ability test

表3所示为绕组磁链与错开角度的数值关系表。

表3 绕组磁链与错开角度的数值关系表

从表中可知，电机弱磁程度随两转子盘错开角度的增加近似线性增大。当错开角度为20°时，弱磁效果可达到84%。当错开角度达到360°/16=22.5°时，理论上弱磁效果可以达到百分之百。上述研究结果表明，此类电机仅通过附加在转盘外侧的机械调整装置，调节两转子间错开角度即可改变电机内部的磁场分布及电磁特性，降低电机的相感应电动势，达到弱磁效果；当两转子错开角度越大，弱磁效果越明显。

6 总结

本文通过建立MVFAFPMSM的有限元结构模型，计算了电机的静态磁场的分布规律，获得了气隙磁密和电磁特性，制作了一台样机验证电机设计的可行性，获得了以下结论：

1)机械调磁装置可随电机转速变化产生有规律运动，不同的转子错开角度，无需额外控制装置，可靠性高。

2)电机在基速以下时，机构无弱磁作用，电机以较大转矩运行；基速以上时，电机进入弱磁阶段，能实现宽范围恒功率运行和稳压输出。

3)弱磁效果明显。在转子错开角度达到20°时，弱磁效果约为84%。在恒压发电及恒功率宽转速范围驱动领域具有广阔的应用前景。

[1] 王凤翔． 永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向[J]．电工技术学报，2012，27(3)：12-24． WANG Fengxiang. Application and development tendency of PM machine in wind power generation system [J]. Transations of China Electrotechnical Society,2012,27(3):12-24.

[2] CHAU K T,JIANG J Z,Liu C H,et al. A new efficient permanent-magnet vernier machine for wind power generation [J]. IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(6):1475-1478.

[3] 刘细平，郑爱华，王晨.双定子混合励磁同步发电机电磁设计分析与实验研究[J].电机与控制学报，2012,16(7)：23-28. LIU Xiping,ZHENG Aihua,WANG Chen. Electromagnetic design analysis and experiment of a dual-stator hybrid excitation synchronous generator [J]. Electric Machines and Control,2012,16(7):23-28.

[4] CAO W P,MECRO B C,ATKINSON G J,et al. Overview of electric motor technologies used for more electric aircraft (MEA) [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(9):3523-3531.

[5] CHEN Y，ZHU Z Q，HOWE D．Three-dimensional lumped-parameter magnetic circuit analysis of single-phase flux-switching permanent-magnet motor [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(6)：1701-1710.

[6] ZHU Z Q．永磁电机研究的新进展[J]．电工技术学报，2012，27(3)：1-11． ZHU Z Q. Recent advances on permanent magnet machines [J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(3):1-11.

[7] 刘细平，林鹤云，杨成峰．新型双定子混合励磁风力发电机三维有限元分析及实验研究[J]．中国电机工程学报，2008，28(20)：142-146． LIU Xiping,LIN Heyun,YANG Chengfeng. 3-D FEA and experiment study of novel dual-stator hybrid excited wind generator [J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(20):142-146.

[8] 汤蕴璆，史乃．电机学[M]．北京：机械工业出版社，2011．

[9] FABIO G C,GIULIO D D,FEDERICO C．Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48(6)：2120-2205．

[10] 刘细平，郑爱华，王晨.定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机三维有限元分析预实验研究[J].电工技术学报，2012,27(10)：106-113. LIU Xiping,ZHENG Aihua,WANG Chen. 3-D finite element analysis and experiment study of stator-separated axial flux-switching hybrid excitation synchronous machine [J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(10):106-113.

(编辑：刘素菊)

Analysis of a mechanical axial variable flux permanent magnet synchronous machine

LIU Xi-ping1， ZHONG Qing-wei1， XIE Qing-hua1， HUANG Yue-fei2

(1.School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

For overcoming the low reliability and difficultly of flux-adjusting for the traditional variable-flux permanent magnet machine above the basic speed,a variable-flux axial field permanent magnet synchronous machine (MVFAFPMSM) with additional mechanical device is proposed. The magnetic field distribution of MVFAFPMSM operating at different speeds was analysed by finite element method. Some electromagnetic characteristics including air-gap flux density,flux linkage,EMF at no-load,and winding inductance,etc.at different speeds were investigated by establishing the 3-D finite element model of MVFAFPMSM. The analysis results show that MVFAFPMSM can run at the high torque without the action of the mechanism device,and it can operate at constant power over a wide range above base speed by the corresponding action of mechanical device. A good field control ability was obtained. The prototype machine and its system platform verify the validation of theoretical analysis.

mechanically variable-flux；permanent magnet synchronous machine；axial flux；electromagnetic characteristics；finite element analysis

2016-01-22

国家自然科学基金(51267006、51007033)；江西省科技计划(20151BBE50109、20151442040049)；江西理工大学清江拔尖人才项目；江西省研究生创新专项基金项目(YC2015-S282)

刘细平(1976—)，男，博士，教授，研究生导师，研究方向为稀土永磁电机设计、风力发电及其相关控制； 钟清伟(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为稀土永磁电机设计与控制； 谢清华(1991—)，男，硕士，研究方向为稀土永磁电机设计及机电联合仿真分析； 黄跃飞(1975—)，男，硕士，研究方向为机械动力学仿真。

钟清伟

10.15938/j.emc.2017.06.004

TM 315

A

1007-449X(2017)06-0026-08