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永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有高效率和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域已獲得廣泛的研究和應(yīng)用。但是永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁導(dǎo)致勵(lì)磁磁場(chǎng)無(wú)法調(diào)節(jié)，在電機(jī)基速以上運(yùn)行區(qū)域時(shí)必須進(jìn)行弱磁控制才能拓寬轉(zhuǎn)速范圍。理想的弱磁條件是直軸電感與負(fù)向的弱磁電流的乘積恰好抵消掉永磁體產(chǎn)生的磁通。

實(shí)現(xiàn)弱磁主要采用兩種途徑，一是增大負(fù)向的直軸弱磁電流，二是提高直軸電感。但是增大負(fù)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(jī)結(jié)構(gòu)上的限制，因?yàn)閮?nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中永磁體始終放置于直軸位置，無(wú)法獲得較大數(shù)值的直軸電感。這就是永磁同步電機(jī)弱磁困難的原因。

永磁同步電機(jī)直軸電感小于交軸電感，也被稱為凸極永磁同步電機(jī)。通過(guò)結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)，使得永磁同步電機(jī)的直軸電感大于交軸電感，稱之為反凸極永磁同步電機(jī)。反凸極永磁同步電機(jī)擁有較大數(shù)值的直軸電感，更有利于實(shí)現(xiàn)弱磁，因此反凸極永磁同步電機(jī)成為永磁同步電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)反凸極永磁同步電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的研究。

有學(xué)者提出一種反凸極永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)在轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)能夠在低速時(shí)采用正值的直軸電流控制產(chǎn)生正值的磁阻轉(zhuǎn)矩，正向電流對(duì)永磁體具有增磁作用，能夠提升永磁體工作點(diǎn)。在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)電機(jī)可以使用相對(duì)較小的直軸弱磁電流來(lái)削弱氣隙磁通，實(shí)現(xiàn)弱磁升速，有效提升了電機(jī)的弱磁范圍。

有學(xué)者提出的反凸極盤式永磁同步電機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)磁極中軟磁材料和永磁體的比例調(diào)整電機(jī)的弱磁性能。對(duì)比了與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)在控制上的差異，實(shí)現(xiàn)了接近31的弱磁擴(kuò)速范圍。

有學(xué)者提出一種磁通可控的反凸極永磁電機(jī)。電機(jī)直軸上采用厚度薄且磁化狀態(tài)可變的釤鈷永磁體激勵(lì)，緩解了直軸磁路的飽和，增加了直軸電感。同時(shí)在交軸磁路上采用較大的磁通屏障，來(lái)減小交軸電感，從而獲得反凸極特性。這種電機(jī)在不同的運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)永磁體進(jìn)行充磁去磁來(lái)改變磁化狀態(tài)，使低速時(shí)具有大磁鏈產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)具有較小磁鏈減小弱磁電流。由于正值的直軸電流產(chǎn)生磁場(chǎng)增強(qiáng)的效果，永磁體的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)大大降低了。

有學(xué)者提出磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁同步電機(jī)。通過(guò)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新性改變，使得電機(jī)的直軸電感大于交軸電感。低速時(shí)電機(jī)處于磁場(chǎng)增強(qiáng)狀態(tài)，具有正值的磁阻轉(zhuǎn)矩。高速時(shí)較小的直軸電流減小永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)并提高了電機(jī)的弱磁范圍。

有學(xué)者提出的反凸極永磁同步電機(jī)方案中永磁體在轉(zhuǎn)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(jī)具有直軸電感大于交軸電感的反凸極特征。

有學(xué)者提出的反凸極永磁同步電機(jī)方案中永磁體在轉(zhuǎn)子中呈M形布置，在交軸磁路上設(shè)置三角形通風(fēng)孔增加交軸磁阻。和普通永磁同步電機(jī)相比，該反凸極永磁同步電機(jī)減少了永磁體的用量，最大電磁轉(zhuǎn)矩提高了3.33%。

綜上所述，尋找合適的反凸極永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩、高速寬廣的恒功率運(yùn)行范圍具有十分重要的意義和價(jià)值。

為此，黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的研究人員提出一種新型反凸極永磁同步電機(jī)，利用轉(zhuǎn)子永磁體分段磁橋和調(diào)整鐵心為直軸磁通提供路徑從而實(shí)現(xiàn)直軸電感大于交軸電感。低速運(yùn)行時(shí)采取正值的直軸電流控制產(chǎn)生正值的磁阻轉(zhuǎn)矩，同時(shí)正向電流可有效提高永磁體的工作點(diǎn)。高轉(zhuǎn)速運(yùn)行電機(jī)可以使用相對(duì)較小的直軸弱磁電流來(lái)削弱氣隙磁通，實(shí)現(xiàn)弱磁升速，有效擴(kuò)大電機(jī)的弱磁范圍。建立新型反凸極永磁同步電機(jī)的直交軸磁路模型，分析新型反凸極永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性和弱磁特性，并進(jìn)行有限元分析。

圖1 反凸極永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖2 反凸極永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)分布

反凸極永磁同步電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的三倍。理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了反凸極永磁同步電機(jī)弱磁的有效性和可行性。

通過(guò)定性分析和定量計(jì)算表明：

• 1）反凸極永磁體同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于極弧系數(shù)、匝數(shù)、永磁體厚度；反比于氣隙長(zhǎng)度、偏心距離、調(diào)整鐵心直線段徑向長(zhǎng)度和磁橋?qū)挾?。永磁體到圓心的距離對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小。
• 2）反凸極永磁同步電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)額定轉(zhuǎn)速的三倍，電機(jī)調(diào)速比約為1:3。反凸極永磁同步電機(jī)的弱磁效果正比于氣隙、偏心距離、調(diào)節(jié)鐵心直線段徑向?qū)挾群痛艠驅(qū)挾?，反比于極弧系數(shù)、匝數(shù)、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(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行的不足之處是調(diào)整鐵心直線段和永磁體分段磁橋?qū)е侣┐疟绕胀ㄓ来磐诫姍C(jī)大，永磁體利用率略微下降，但通過(guò)仿真計(jì)算仍可滿足額定功率輸出。此不足之處恰好在弱磁運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)換為優(yōu)點(diǎn)，有利于擴(kuò)大電機(jī)的弱磁范圍。這種反凸極永磁同步電機(jī)方案為解決永磁同步電機(jī)的弱磁問(wèn)題提供了一條新途徑，研究具有理論和實(shí)際價(jià)值。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“反凸極永磁同步電機(jī)弱磁特性分析”，作者為李春艷、王豫、孟濤。