新型磁场调制式永磁电机的结构设计及其驱动研究

杨忠学，段玉波，连国一

(1.东北石油大学，大庆 163318； 2.哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080)



新型磁场调制式永磁电机的结构设计及其驱动研究

杨忠学1，段玉波1，连国一2

(1.东北石油大学，大庆 163318； 2.哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080)

传统永磁同步电机驱动负载时，往往需要通过大量的减速装置来进行传动，为了解决这一问题，出现了一种新型磁场调制式永磁电机，它打破了传统齿轮啮合，实现内部非接触式传动。阐述了其结构及工作原理，并在此基础上对电机磁路结构做了进一步的改进，提高了永磁体的利用率，同时利用有限元软件对其进行电磁分析，且采用场路耦合的方法，实现联合驱动仿真。计算结果表明改进后的新型磁场调制式永磁电机具有优良的电磁特性及可控性。

磁场调制式永磁电机；有限元；场路耦合；磁路结构

0 引 言

在日常生活中电动机的许多应用场合，都需要其具有较低的转速及足够大的扭矩，目前绝大部分电动机是通过减速齿轮装置，来达到降速提高扭矩的目的。然而在电机传动机构中加入了机械齿轮后，整个传动系统的体积，重量，噪音明显加大，其传动精度，效率及响应速度都受到了相应的影响，齿轮的磨损降低了其寿命及可靠性。因此随着社会的发展，低速大扭矩的直驱电机将得到广泛的应用。

很多文献对此做了研究 ，如电动车轮毂式直驱永磁无刷电机[1]、电梯直接驱动永磁外转子同步曳引机[2]、抽油机直驱式低速大扭矩永磁同步电机[3]。

磁场调制式永磁齿轮具有高扭矩密度、无接触传动、噪声小、效率高等优点。因此磁场调制式永磁齿轮与永磁电机同轴组合成的传动系统，以其自身独特的传动特性，高转矩密度，必将适应于低速大转矩的应用场合。目前国内外许多学者对此进行了研究，文献[4]提出的复合型游标电机，采用有限元的方法对其进行了电磁仿真。文献[5]中结合了数值解析分析方法计算了复合电机电磁场，并制作了样机。文献[6]给出了磁力齿轮外转式永磁无刷电机，并简化了电机结构。通过仿真实验，验证了设计的合理性。文献[7]针对复合电机损耗进行了仿真计算，并进行了电机结构上的改进。文献[8]将传统分数槽永磁同步电机与复合电机机械性能和效率进行了对比。

本文针对直驱式永磁同步电机的设计，提出一种新型磁场调制式永磁电机，将磁性齿轮非接触式传动这一特点，与传统外转子表贴式永磁同步电机结合，并对其磁路结构进行了改进，完成结构的设计，同时采用有限元软件对新型结构电机进行电磁性能的分析，最后通过场路耦合方法，搭建了永磁同步电机调速系统，实现了电机动态性能分析。

1 新型磁场调制式永磁电机结构及工作原理

1.1 磁场调制式永磁电机初始结构

磁场调制式永磁电机初始结构如图1所示，此结构为双层气隙，内定子与外转子之间，均匀分布25块调磁铁块，内定子是三相6极36槽单层整数绕组，外转子由22对均匀分布的表贴磁钢及转子铁心轭组成，采用径向充磁方式。

图1 磁场调制式永磁电机初始结构

1.2 磁场调制式永磁电机改进结构

改进结构后的磁场调制式永磁电机结构如图2所示，此结构为三层气隙，其特点是将图1中转子轭部添加25个齿后，变为外定子，永磁转子采用轴向端部固定方式进行传动。

图2 磁场调制式永磁电机改进结构

1.3 磁场调制式永磁电机运行机理

新型磁场调制式永磁电机是通过对传统永磁同步电机结构进行了改进，并结合了磁场调制式特点，实现其扭矩的放大及变速目的。其结构主要由三部分组成，分别是少极的内定子和多极的外转子，两者中间为导磁非导磁材料交替排列的调磁铁环，起到调制内外磁场的目的。新型磁场调制式永磁电机利用调磁铁块引起主磁路磁阻发生变化，使两边的主极磁场经调制后产生相应磁极对数的谐波磁场，从而实现扭矩的稳定传输。与传统的永磁同步电机相比，其主要特点在于采用磁场调制原理，可以达到更低输出转速的目的。

外转子输出转速，主要由内定子电流频率及外转子极对数决定。假设内定子由三相电流形成pi对旋转磁极，外转子是po对磁极，调磁铁块的个数是Ns，内定子电流频率是f，Gr为内外气隙转速比。则外转子旋转速度ωo与它们之间有如下关系：

Ns=pi+po

(1)

(2)

(3)

2 磁场调制式永磁电机有限元仿真分析

初始结构的磁场调制式永磁电机和结构改进后的磁场调制式永磁电机设计参数如表1、表2所示。文中利用有限元软件对两种结构电机进行了二维有限元下的瞬态仿真计算。

表1 初始结构磁场调制式永磁同步电机设计参数

表2 结构改进后磁场调制式永磁同步电机设计参数

2.1 两种结构电机空载运行特性

空载运行特性是电机的基本特性之一，通过空载运行特性可以知道电机磁路设计的是否合理。本文对两种结构电机在空载状态，转子以600 r/min运行时，进行了电磁仿真计算，得到如下仿真数据。图3(a)为初始结构的磁场调制式永磁电机的空载磁链，图3(b)为结构改进后磁场调制式永磁电机的空载磁链，经对比可知，结构改进后的磁场调制式永磁电机，在永磁体相同用量时，永磁磁链幅值提高了0.9倍。由于两种结构电机为表贴式永磁同步电机，常采用id=0 控制方式驱动 ，对于表贴式永磁同步电机电磁转矩Te=1.5pψfiq，可以看出当定子绕组q轴电流相同时，较初始结构磁场调制式永磁电机,结构改进后的磁场调制式永磁电机的输出电磁转矩更高。

(a)初始结构的永磁电机(b)结构改进后永磁电机

图3 空载磁链波形

初始结构及结构改进后磁场调制式永磁电机空载反电势波形如图4所示，对其进行FFT分解后，得到基波及各次谐波频谱如图5所示。基于谐波分析结果，可以直观地看出，改进后的空载反向电势畸变率小，可以有效抑制负载时转矩脉动。

(a)初始结构的永磁电机(b)结构改进后永磁电机

图4 空载反电势波形

图5 空载反电势谐波分析

图6为改进前后两种永磁电机径向气隙磁密波形，从图7中的径向气隙磁密傅里叶分解，可以看出，结构改进后气隙磁密基波幅值明显提高，畸变率相对减小，且气隙磁密的波形得到了改善，从而提高电机转矩输出能力，加大了电机弱磁扩速范围。

(a)初始结构的永磁电机(b)结构改进后永磁电机

图7 径向气隙磁密谐波分析

根据图8所示两种结构磁场调制式永磁电机齿槽转矩波形，可知结构改进前后的磁场调制式永磁电机齿槽转矩波形几乎没有发生改变，且结构优化后的磁场调制式永磁电机转矩波动幅值相对较小。

(a)初始结构的永磁电机(b)结构改进后永磁电机

图8 齿槽转矩波形

2.2 两种结构电机稳态运行分析

电机在稳态运行时，转矩脉动将严重影响控制精度，同时引发振动噪声。而电机损耗，直接影响着电机运行时温升及效率。下图为两种结构电机在相同负载条件下进行的电磁仿真计算，图9 为改进前后磁场调制永磁电机稳态电磁转矩波形,其相应的损耗波形如图10所示。从图9中可以看出改进前后磁场调制式永磁电机，在负载为40N·m时，转矩脉动都很小，有利于负载条件下的稳定运行。而由图10中的损耗数据表明，结构改进后磁场调制式永磁电机较初始结构永磁电机总损耗明显加大，其原因是由于改后永磁电机的总损耗，较初始结构磁场调制式永磁电机增加了外定子轭部的铁损及永磁体的涡流损耗，与其铜耗减少量相比，增加的较多，故总损耗加大 。

(a)初始结构的永磁电机(b)结构改进后永磁电机

图9 电机稳态运行时电磁转矩波形

图10 电机损耗

3 结构改进后的磁场调制式永磁电机起动调速性能分析

传统非自启动正弦波永磁同步电机，通过采用施加理想正弦电压电流激励，来实现稳态分析，并未考虑实际运行时，电压电流所含大量谐波分量。本文采用场路耦合的方法，搭建的永磁同步电机调速系统，采用SVPWM调制算法，实现电机的变频调速目的。电机方面充分考虑了漏磁、损耗、磁路饱和及电流中所含大量谐波对电机运行时性能的影响，实现电机与控制系统无缝连接。

图11为结构改进后的磁场调制式永磁电机联合仿真的驱动系统模型。其采用单相桥式不可控整流电路为主电路提供直流电源，利用id=0矢量控制产生驱动脉冲，通过三相逆变电路，完成电机启动、调速、加载等过程。下面对几种运行工况进行了仿真分析。

图11 结构改进后磁场调制式永磁电机联合仿真模型

3.1 电机空载条件下启动调速加载

图12为结构改进后磁场调制式永磁电机在空载条件下起动，40ms时提升转速，70ms时，突然施加5N·m负载的电流、转速、转矩波形。从图中可以看出结构改进后永磁电机在控制系统下，转矩脉动较小，转速平稳，动态响应快。由此可以看出改进后的磁场调制式永磁电机具有较好地可控性。

(a)电流波形(b)转速波形

(c) 转矩波形

3.2 电机负载条件下的启动调速

图13为结构改进后磁场调制式永磁电机带20N·m负载条件下启动，50ms时提升转速的电流、转速、转矩波形，可以看出结构改进后的磁场调制式永磁电机在负载条件下，对比图12(a)电流波形，其正弦性较好，谐波含量较小，并具有良好的带载起动能力。

(a)电流波形(b)转速波形

(c) 转矩波形

4 结 语

本文通过对结构改进前后磁场调制式永磁电机电磁及调速性能的分析，验证了结构改进后磁场调式永磁电机设计的合理性，并根据仿真数据得到如下结论：

(1) 结构改进后的磁场调制式永磁电机，提高了转矩输出能力，与具有相同外形尺寸初始结构的磁场调制式永磁电机相比较，转矩密度更高，永磁体用量更少。

(2) 结构改进后的磁场调制式永磁电机通过场路耦合方法，实现与控制系统有机结合。仿真数据表明，所搭建控制系统具有较强的适应性和鲁棒性，使得电机具有良好的动态响应，证实了结构改进后磁场调制式永磁电机具有较好的可控性，同时为动态分析新型磁场调制式永磁电机在各种工况下运行，提供较为真实的驱动条件。

(3) 结构改进后的磁场调制式永磁电机损耗较之前明显提高，针对损耗过大问题可以进一步在永磁转子方面进行改进，以减小涡流损耗，降低永磁体退磁风险。

[1] 宫海龙,柴凤,程树康.内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究[J].微电机，2010,43(2):1-4.

[2] 葛菁.电梯用武齿轮拽引极设计研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[3] 陈睿.游梁式抽油机低转速大转矩稀土永磁电机的设计[D].沈阳:沈阳工业大学，2012.

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[8]RASMUSSENPO,FRANDSENTV,JENSENKK,etal.Experimentalevaluationofamotorintegratedpermanentmagnetgear[J].IEEETransactiononIndustryApplications,2013,49(2):850-859.

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

国家自然科学基金项目(51107022)；黑龙江省杰出青年科学基金项目(JJ2016JQ0049)；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金项目(RC2014QN007005)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0015-04

杨忠学(1974-)，男，硕士，研究方向为新型磁齿轮复合电机的设计与研究。