“2015第二届轨道交通供电系统技术大会”本周五开幕
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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员朱永彬、林珍，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，从永磁同步电动机结构特点和弱磁运行原理入手，结合电动汽车的特殊运行工况，分析电机磁路结构及主要参数对电动机弱磁性能的影响，综述了国内外电动机弱磁性能研究的发展现状，为电动汽车用永磁同步电动机弱磁性能的研究提供参考。
随着世界范围内资源、能源及环境问题日益凸显，电动汽车以其较高的能量利用率和环境友好性逐渐取代传统能源汽车，带来整个行业的变革。因此近年来，电动汽车的研发与推广应用受到越来越多国家的重视[1]。
驱动电机及其控制系统作为电动汽车的关键部件，对整车性能优劣起决定性作用。稀土永磁同步电机（PMSM）自上世纪80年代面世以来，以其转矩密度高、效率及功率因数高、结构和尺寸灵活多样等优点，广受推广应用。
随着电力电子器件及变频技术的发展，永磁同步电动机优越的调速性能更加明显，因而在包括电动汽车在内的多种领域得到更加广泛的应用。
由于电动汽车具有频繁启停、负荷爬坡、频繁加减速等复杂循环工况，要求其驱动系统不仅具有高功率、高转矩密度，还要求有一个较宽的调速范围，以满足各种工况[2]。
电动汽车用PMSM转子由稀土永磁体励磁，由于励磁磁场不可调节，同时受直流母线电压及逆变器容量限制，在系统超过额定功率后，随着转速上升，输出功率将下降，若不采用弱磁扩速，则无法运行到较高的转速。因此，如何进行弱磁控制以尽可能扩大汽车用永磁电动机的调速范围，成为国内外学者关注的热点[1]-[3]。
1 永磁同步电动机结构模型及弱磁原理（略）
依转子永磁体安装位置不同，车用永磁同步电动机可分为表贴式和内置式两种。表贴式永磁电动机永磁体位于转子表面，由于永磁体磁导率接近空气，PMSM工作气隙相对均匀，等效气隙较大，直轴电抗小，无磁阻转矩，不适合弱磁控制。
内置式永磁电动机永磁体位于转子内部，其直、交轴磁路不对称，由此产生的磁阻转矩可提高电动机过载能力及转矩、功率密度，且同功率密度下电动机直轴电感较表贴式大，这就为弱磁扩速带来优势。
如何从电机本体设计着手，通过优化电动机参数和转子磁路结构，使电动机获得良好的扩速性能，成为问题的关键[4]-[5]。
2 新型结构永磁同步电动机弱磁研究现状
实际上，传统结构的永磁同步电动机，无论采取何种转子结构，其永磁体总是串联在电动机的直轴磁路上，等效气隙较大，采取参数优化所获得的直轴电抗依然较小，在正常的电枢电压下，即使电流为纯直轴电流，弱磁效果依然差强人意；而永磁体在弱磁控制时面临的退磁风险，也制约着电动机扩速性能的提高。因而近年来各国学者们一直在研究新的特种结构电动机，以满足更多更广场合弱磁扩速的需要。下文从几种不同弱磁手段，介绍多种新型结构永磁同步电动机。
2.1 改变转子结构使磁通可控
传统永磁电动机通常采用单一永磁体励磁，其直轴电感较小，弱磁扩速时id幅值需要很大，才能产生足够的直轴去磁磁动势，这就增大了定子绕组损耗；而由于逆变器输出容量限制，id不可能无限增大，导致弱磁能力往往不理想。为此，采用两种永磁体构成混合式转子磁路结构，通过控制辅助永磁体充磁方向，使气隙永磁磁通可控，成为一种思路。天津大学陈益广教授运用这种方法，提出了一种内置混合式磁通可控永磁同步电动机，其结构如图2所示[7]-[8]。
图2 混合式转子磁通可控电动机
该电动机在转子永磁体槽内同时放置钕铁硼和铝镍钴两种永磁体，由于铝镍钴永磁的剩磁密度很高而矫顽力较低，通过控制直轴电流矢量脉冲的方向和幅值可以控制铝镍钴永磁的磁化方向和强度；而钕铁硼的剩磁和矫顽力都很高，其充磁方向不会随id脉冲方向改变。气隙中永磁磁通主要由钕铁硼提供，其磁化方向长度决定着气隙永磁磁场的强弱，也即决定着电动机的低速性能。
施加正向id脉冲时，铝镍钴与钕铁硼磁化方向一致，此时为助磁作用。施加反向id脉冲时，不同的id幅值决定铝镍钴被反向磁化的强弱，也即决定了铝镍钴将钕铁硼产生的磁通在转子内旁路的数量不同，这就使得气隙永磁磁通变得可控，达到弱磁控制的目的。
另一思路指出，虽然单一永磁体励磁时，转子向电枢绕组提供的永磁磁通难以调节，但若能通过增加一段转子，向定子绕组提供反向磁通，其最终效果也是弱磁。因而学者们提出复合转子结构电动机并进行了研究，其中为电动汽车驱动而设计的永磁加磁阻的复合转子是一种可行性较高的方式，其结构如图3所示[9]。
图3 复合式转子结构
奥地利学者W.Muhlegger较早提出这种结构转子并对此作了深入研究，这种复合式转子结构由一个永磁段和一个磁阻段构成，两段转子的直轴方向一致，并使二者之间有一定的间隙，以减少漏磁。这种转子结构可以使电动机直轴电感较大，利于弱磁，但由于增加了磁阻段，电动机转矩、功率密度不可避免地降低，且高速运行时铁耗较大。
2.2 改变磁通路径弱磁
传统弱磁方法利用直轴电流产生的去磁磁动势进行弱磁，永磁体面临不可逆退磁的风险，电动机性能可能遭到永久性破坏[10]- [11]。
由式(6)可知，增大直轴电感，可以获得更高的转速。为尽可能增大内置式永磁同步电动机的直轴电感，以增强其弱磁能力，有学者提出将转子内永磁体分段放置的思想。文献[12]中Rukmi Dutta，M.F.Rahman等人提出一种电动机径向磁路分段的转子结构，如图4所示。
图4 转子永磁体分段结构
该电动机利用隔磁磁桥将永磁体分为三段。传统结构的内置式永磁电动机，永磁体整体串联在直轴磁路中，其直轴磁路大部为铁心，磁通经铁心穿过永磁体，使得磁路饱和程度较高，直轴电感相对较小。通过隔磁磁桥将永磁体分为三段，使原磁通路径被切断，饱和程度降低，增大了直轴电感。经过实际样机试验对比分析可知，该电动机弱磁范围为600~6000 rpm，表明分段永磁体结构具有优秀的弱磁能力。
文献[13]提出了一种新型永磁同步电动机，如图5所示。不同于传统电动机，该电动机在永磁体外层再增加一层铁心，并利用隔磁磁桥，将外层铁心分为8段，A、B、C、D均位于交轴位置上，另外四段覆盖在永磁体上。
图5 通过改变磁通路径弱磁
当恒功率运行时，电枢绕组中通以直轴电流，电枢反应磁场通过永磁体表面的铁心，再由A、B、C、D四块软铁各自形成通路。这样利用直轴电流改变磁通路径，减少了从永磁体到电枢的磁通，而通过永磁体本身的磁通并没有变化，这不仅增强了电动机的弱磁能力，也可避免永磁体发生不可逆退磁。
2.3 采用多段转子磁场相互抵消弱磁
在对电动机齿槽效应研究的过程中发现，采用转子斜极，可以削弱电动机齿槽转矩。受此试验结果的启发，有学者提出将电动机转子分段，调节各段转子之间的夹角，便可控制通过电枢绕组中的永磁磁通，从而实现弱磁的目的[14]-[17]。
文献[18]提出一种两段转子结构电动机，如图6所示。以各段转子磁极直轴夹角为基准度量转子之间的相对位置，当两段转子夹角为0°时，它们的磁通完全一致，叠加后使气隙磁场最大。调节直轴夹角，使两段转子的磁场出现相位差，其共同作用的磁场将会减少，这就达到了弱磁控制的目的。
图6 转子分段结构电动机
该电动机的技术难点主要集中于如何在电动机运行的过程中调节转子段之间的夹角，关于调节机构的设计，学者们也做了相关研究。文献[15]中提出一种螺旋调节机构，如图7所示，该机构在调节转子之间夹角的同时，还可以调节转子与定子相对位置，改变定转子耦合面积，从而使弱磁能力得到提高[17]。
图7 转子分段结构螺旋调节装置
2.4 改变励磁回路磁阻弱磁
电动机在旋转过程中不可避免产生离心力，且离心力随转速上升而增大。利用这个离心力，控制电动机结构随转速变化，就可以控制气隙磁场，实现弱磁。
比较有代表性的是哈尔滨工业大学窛宝泉等人提出的利用离心力动态调节磁路磁阻的8极切向转子磁路结构电动机[19]-[20]，其结构如图8所示，在同一永磁体槽中，槽最外侧为位置固定的副永磁体，主永磁体初始位置在槽内靠近转子轭的部位，且可在槽内滑动。如图所示在转子永磁体槽靠近副永磁体一端的外侧，放置倒三角形的非导磁材料。
图8 动态调节磁路转子结构
基速以下运行时，离心力较小，主永磁体位于图中初始位置，此时转子励磁磁路不通过非导磁材料，气隙磁通较大。随着转速上升超过基速，离心力逐渐增大，主永磁体开始沿槽向外侧移动，磁路同时向外侧移动，由于非导磁材料的存在，磁路磁阻增大，气隙磁场减弱，实现弱磁。
除以上各种弱磁方法以外，学者们受电励磁同步电动机控制励磁电流调节磁场的启发，还提出将永磁同步电动机加装励磁绕组进行调磁，形成混合励磁同步电动机，可集电励磁电动机和永磁同步电动机的优点于一身，实现高转矩、功率密度，宽调速范围，适宜做电动汽车驱动电动机。
3 电动机参数对弱磁运行性能的影响（略）
4 采用控制算法进行弱磁（略）
随着永磁同步电动机矢量控制和直接转矩控制方法的日渐成熟，除优化电动机结构和磁路设计外，还可以从控制策略入手，通过合适的控制算法，实现永磁同步电动机的弱磁控制，以下将介绍几种较有代表性的弱磁控制方法：超前角弱磁控制；电流调节器法；前馈弱磁；过调制方法；六步电压法。
5 总结
作为电动汽车牵引电机，必须具有转矩、功率密度大、调速范围宽、系统效率高、适应环境能力强、电磁兼容性好等特点，此外还需考虑电动机的制作成本和使用寿命等。
本文从电机本体结构和控制策略两方面综述了近年来永磁同步电动机弱磁性能的研究发展状况。电机结构的创新，虽然一定程度上提高了电动机的弱磁运行能力，但其结构的复杂为控制带来困难；而当前各种控制算法中也存在诸如对电机参数的依赖性、计算转矩输出需要知道功角、需要估算定子磁链等问题。
如何从本体结构和控制策略两方面结合，寻找既适于弱磁运行，又易于进行弱磁控制的电动机成为未来研究的重点方向。
本文介绍的新型结构电动机的各种弱磁思想，为后续的电动汽车用的永磁同步电动机研究提供思路，读者可综合考虑自身实际运用场合及性能要求，采取适宜的结构实现弱磁。
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