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一种新型反凸极永磁同步电机的弱磁特性分析
黑龙江大学机电工程学院的研究人员李春艳、王豫、孟涛，在2019年《电工技术学报》增刊2上撰文，提出一种新型反凸极永磁同步电机，利用转子永磁体分段磁桥和调整铁心为直轴磁通提供路径从而实现直轴电感大于交轴电感。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有高效率和高功率密度等优点，在电动车和数控机床等领域已获得广泛的研究和应用。但是永磁同步电机采用永磁体励磁导致励磁磁场无法调节，在电机基速以上运行区域时必须进行弱磁控制才能拓宽转速范围。理想的弱磁条件是直轴电感与负向的弱磁电流的乘积恰好抵消掉永磁体产生的磁通。
实现弱磁主要采用两种途径，一是增大负向的直轴弱磁电流，二是提高直轴电感。但是增大负向直轴弱磁电流不仅增加铜耗，而且还有可能引起不可逆退磁。采用增大直轴电感的方法又受到电机结构上的限制，因为内置式永磁同步电机转子中永磁体始终放置于直轴位置，无法获得较大数值的直轴电感。这就是永磁同步电机弱磁困难的原因。
永磁同步电机直轴电感小于交轴电感，也被称为凸极永磁同步电机。通过结构上的特殊设计，使得永磁同步电机的直轴电感大于交轴电感，称之为反凸极永磁同步电机。反凸极永磁同步电机拥有较大数值的直轴电感，更有利于实现弱磁，因此反凸极永磁同步电机成为永磁同步电机领域研究的热点之一。
目前国内外学者对反凸极永磁同步电机进行了相关的研究。
有学者提出一种反凸极永磁同步电机。这种电机在转子中将部分磁钢采用软磁材料代替。利用材料的属性，改变电机磁路从而获得反凸极特征。由于直轴电感大于交轴电感，这类电机能够在低速时采用正值的直轴电流控制产生正值的磁阻转矩，正向电流对永磁体具有增磁作用，能够提升永磁体工作点。在高转速运行时电机可以使用相对较小的直轴弱磁电流来削弱气隙磁通，实现弱磁升速，有效提升了电机的弱磁范围。
有学者提出的反凸极盘式永磁同步电机通过设计磁极中软磁材料和永磁体的比例调整电机的弱磁性能。对比了与传统永磁同步电机在控制上的差异，实现了接近3 1的弱磁扩速范围。
有学者提出一种磁通可控的反凸极永磁电机。电机直轴上采用厚度薄且磁化状态可变的钐钴永磁体激励，缓解了直轴磁路的饱和，增加了直轴电感。同时在交轴磁路上采用较大的磁通屏障，来减小交轴电感，从而获得反凸极特性。这种电机在不同的运行状态下对永磁体进行充磁去磁来改变磁化状态，使低速时具有大磁链产生转矩，高速时具有较小磁链减小弱磁电流。由于正值的直轴电流产生磁场增强的效果，永磁体的不可逆退磁风险大大降低了。
有学者提出磁场增强型永磁同步电机。通过转子结构上的创新性改变，使得电机的直轴电感大于交轴电感。低速时电机处于磁场增强状态，具有正值的磁阻转矩。高速时较小的直轴电流减小永磁体不可逆退磁的风险并提高了电机的弱磁范围。
有学者提出的反凸极永磁同步电机方案中永磁体在转子中分段分层放置，交轴磁路中增加弧形磁障减小交轴电感。电机具有直轴电感大于交轴电感的反凸极特征。
有学者提出的反凸极永磁同步电机方案中永磁体在转子中呈M形布置，在交轴磁路上设置三角形通风孔增加交轴磁阻。和普通永磁同步电机相比，该反凸极永磁同步电机减少了永磁体的用量，最大电磁转矩提高了3.33%。
综上所述，寻找合适的反凸极永磁同步电机转子结构，实现低速大转矩、高速宽广的恒功率运行范围具有十分重要的意义和价值。
为此，黑龙江大学机电工程学院的研究人员提出一种新型反凸极永磁同步电机，利用转子永磁体分段磁桥和调整铁心为直轴磁通提供路径从而实现直轴电感大于交轴电感。低速运行时采取正值的直轴电流控制产生正值的磁阻转矩，同时正向电流可有效提高永磁体的工作点。高转速运行电机可以使用相对较小的直轴弱磁电流来削弱气隙磁通，实现弱磁升速，有效扩大电机的弱磁范围。建立新型反凸极永磁同步电机的直交轴磁路模型，分析新型反凸极永磁同步电机电磁转矩特性和弱磁特性，并进行有限元分析。
图1 反凸极永磁同步电机转子
图2 反凸极永磁同步电机磁场分布
反凸极永磁同步电机最高转速达到额定转速的三倍。理论分析结果与仿真分析结果相吻合，验证了反凸极永磁同步电机弱磁的有效性和可行性。
通过定性分析和定量计算表明：
1）反凸极永磁体同步电机的电磁转矩正比于极弧系数、匝数、永磁体厚度；反比于气隙长度、偏心距离、调整铁心直线段径向长度和磁桥宽度。永磁体到圆心的距离对电磁转矩的影响较小。
2）反凸极永磁同步电机最高转速可达额定转速的三倍，电机调速比约为1:3。反凸极永磁同步电机的弱磁效果正比于气隙、偏心距离、调节铁心直线段径向宽度和磁桥宽度，反比于极弧系数、匝数、永磁体厚度和永磁体到圆心的距离。
3）反凸极永磁同步电机在额定转速以下运行的不足之处是调整铁心直线段和永磁体分段磁桥导致漏磁比普通永磁同步电机大，永磁体利用率略微下降，但通过仿真计算仍可满足额定功率输出。此不足之处恰好在弱磁运行时转换为优点，有利于扩大电机的弱磁范围。这种反凸极永磁同步电机方案为解决永磁同步电机的弱磁问题提供了一条新途径，研究具有理论和实际价值。
以上研究成果发表在2019年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“反凸极永磁同步电机弱磁特性分析”，作者为李春艳、王豫、孟涛。
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