可調(diào)磁通電機(jī)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

鄭 萍，王明嶠，喬光遠(yuǎn)，劉法亮，張書寬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱 150080)

在世界范圍內(nèi)，日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題使得傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展面臨空前挑戰(zhàn)[1]，新能源汽車成為未來汽車的發(fā)展方向[2].我國在《中國制造2025》中將“節(jié)能與新能源汽車”列為我國未來重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，作為新能源汽車的最主要車型，擁有巨大發(fā)展空間的電動汽車受到廣泛關(guān)注.驅(qū)動電機(jī)作為電動汽車的核心技術(shù)之一，是電動汽車的研究重點(diǎn)，開發(fā)先進(jìn)的驅(qū)動電機(jī)也是提升我國在電動汽車領(lǐng)域?qū)嵙Φ闹匾緩街籟3].

永磁同步電機(jī)(permanent-magnet synchronous machine,PMSM)因其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為電動汽車車用電機(jī)的主流機(jī)種，其占有率呈現(xiàn)逐年上升趨勢.但是傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)面臨著一些急需解決的問題：永磁同步電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)困難，導(dǎo)致其恒功率區(qū)域較窄，寬速運(yùn)行受限；電機(jī)一般采用弱磁控制進(jìn)行擴(kuò)速，但需要持續(xù)施加直軸弱磁電流，這將產(chǎn)生額外的銅損，導(dǎo)致電機(jī)在高速區(qū)域效率較低；電機(jī)在運(yùn)行過程中永磁體可能出現(xiàn)局部溫度過高、承受去磁電流沖擊、或由于運(yùn)行工況惡劣出現(xiàn)劇烈振動等情況，有局部退磁風(fēng)險(xiǎn)；電機(jī)所用稀土永磁材料價(jià)格受到國際形勢和國家政策的影響，價(jià)格波動較大.

針對上述問題，有學(xué)者提出了一種能夠調(diào)節(jié)氣隙磁場強(qiáng)弱的電機(jī)—可調(diào)磁通電機(jī)(variable-flux machine,VFM)，又被稱作記憶電機(jī)[4].可調(diào)磁通電機(jī)的概念提出以來，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，先后發(fā)展出了基于不同原理、具有不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)磁通電機(jī)，同時(shí)學(xué)者們對電機(jī)進(jìn)行調(diào)磁時(shí)所帶來的問題進(jìn)行了研究，提出了諸多針對可調(diào)磁通電機(jī)的控制策略.可調(diào)磁通電機(jī)的提出，能夠解決傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)困難的問題，降低永磁體發(fā)生退磁的風(fēng)險(xiǎn)，不僅保留了傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，還可通過調(diào)磁調(diào)速使電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍和較高的運(yùn)行效率，其出現(xiàn)與發(fā)展為拓寬永磁同步電機(jī)的調(diào)速范圍提供了新的方法和途徑，有望為電動汽車、數(shù)控機(jī)床及軌道交通等應(yīng)用領(lǐng)域提供新型的永磁電機(jī)寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng).

本文以可調(diào)磁通電機(jī)的調(diào)磁方式進(jìn)行分類，總結(jié)了現(xiàn)有不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)磁通電機(jī)，通過總結(jié)各種電機(jī)的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了可調(diào)磁通電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題；同時(shí)針對可調(diào)磁通電機(jī)的特殊問題，對電機(jī)控制策略進(jìn)行了歸納總結(jié).

1 可調(diào)磁通電機(jī)原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 可調(diào)磁通電機(jī)原理

可調(diào)磁通電機(jī)的基本工作原理是通過改變電機(jī)氣隙磁密，擴(kuò)寬電機(jī)能夠運(yùn)行的速度范圍.大部分可調(diào)磁通電機(jī)通過施加充、去磁電流改變永磁體磁化強(qiáng)度來調(diào)節(jié)氣隙磁密，可以通過在電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子上額外設(shè)置專用于調(diào)磁的直流調(diào)磁繞組實(shí)現(xiàn)對永磁體充、去磁，也可以直接利用電機(jī)電樞繞組施加調(diào)磁電流；另外有的可調(diào)磁通電機(jī)通過附加機(jī)械結(jié)構(gòu)改變電機(jī)主磁路磁場分布，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙磁密的目的.

改變永磁體磁化強(qiáng)度是利用了永磁材料的磁滯特性，學(xué)界常采用磁滯回線來反映這種特性，圖1為常用于可調(diào)磁通電機(jī)中AlNiCo材料的磁滯回線，當(dāng)永磁體磁狀態(tài)受到外部磁場作用發(fā)生改變后，撤去外部磁場，永磁體不能恢復(fù)到原來的磁狀態(tài)，而是沿著局部回復(fù)曲線穩(wěn)定在新的磁狀態(tài).機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)則是通過改變主磁路磁阻、改變轉(zhuǎn)子磁極位置等方式來調(diào)節(jié)氣隙磁密的.

基于上述原理，國內(nèi)外學(xué)者們提出了大量不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)磁通電機(jī)，按電機(jī)調(diào)磁方式分類，可將可調(diào)磁通電機(jī)分為交流脈沖調(diào)磁型、直流脈沖調(diào)磁型和機(jī)械調(diào)磁型.交流脈沖調(diào)磁型利用定子電樞繞組產(chǎn)生調(diào)磁電流；直流脈沖調(diào)磁型通過額外安裝的調(diào)磁繞組對永磁體充、去磁；機(jī)械調(diào)磁型通過機(jī)械裝置進(jìn)行磁場調(diào)節(jié).按勵(lì)磁方式分類，可將可調(diào)磁通電機(jī)分為單一永磁型、組合磁極型和混合勵(lì)磁型.

圖1 AlNiCo材料磁滯回線

1.2 交流調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)

1.2.1 單一永磁型

可調(diào)磁通電機(jī)最早由德國學(xué)者V.Ostovic[4]提出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)類似，轉(zhuǎn)子由AlNiCo、轉(zhuǎn)子鐵心和非導(dǎo)磁材料組成“三明治”結(jié)構(gòu).通過定子電樞繞組施加直軸充、去磁脈沖電流，可以實(shí)現(xiàn)AlNiCo磁極的反復(fù)充、去磁，而且其調(diào)磁電流為瞬時(shí)脈沖電流，幾乎沒有充、去磁損耗.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，能夠在600～4 000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高的效率.

美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校R.D.Lorenz等[5]提出了交軸磁阻增強(qiáng)式可調(diào)磁通電機(jī)，如圖3所示.通過在轉(zhuǎn)子鐵心上開槽，使電機(jī)的交軸電感小于直軸電感，因此可利用直軸增磁電流得到正的磁阻轉(zhuǎn)矩，并通過合理設(shè)計(jì)漏磁路徑實(shí)現(xiàn)更大的磁通調(diào)節(jié)范圍.

圖2 原型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[4]

圖3 交軸磁阻增強(qiáng)式可調(diào)磁通電機(jī)[5]

單一永磁型可調(diào)磁通電機(jī)能夠通過調(diào)節(jié)永磁磁通擴(kuò)大調(diào)速范圍，但該類電機(jī)只采用矯頑力較低的永磁材料，與采用NdFeB等高矯頑力永磁材料的電機(jī)相比，其氣隙磁通較小，在相同尺寸下電機(jī)功率密度較低.另外，為了獲得足夠的磁通，上述電機(jī)常使用較厚的AlNiCo材料，從而需要較大的調(diào)磁脈沖電流，增大了逆變器容量.

1.2.2 組合磁極型

為了解決單一永磁型可調(diào)磁通電機(jī)存在的問題，有學(xué)者提出了組合磁極型可調(diào)磁通電機(jī)，根據(jù)永磁體的組合方式，該類電機(jī)可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩大類.

日本東芝公司S. Maekawa等[6]提出了一種串聯(lián)型表貼式外轉(zhuǎn)子可調(diào)磁通電機(jī)，如圖4所示.在同一主磁路中的一對磁極分別由不同的永磁材料構(gòu)成，其中可調(diào)磁通磁極采用具有低矯頑力特性的SmCo材料，其退磁曲線呈線性，磁化特性相較于AlNiCo更易獲得.英國謝菲爾德大學(xué)Z.Q.Zhu等[7]提出了一種內(nèi)置式串聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)，如圖5所示.與并聯(lián)型結(jié)構(gòu)相比，該電機(jī)的可調(diào)磁通磁極工作點(diǎn)在調(diào)磁過程中更易于控制，且具有較高的轉(zhuǎn)矩密度.但電機(jī)需要的去磁電流較大，擴(kuò)速性能受逆變器容量限制.

日本東洋大學(xué)K.Sakai等[8]提出了一種并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，電機(jī)的AlNiCo磁極切向充磁，而NdFeB磁極徑向充磁.AlNiCo可以被直軸電流充、去磁，AlNiCo磁通可與NdFeB磁通共同進(jìn)入氣隙，從而增強(qiáng)氣隙磁通，也可將NdFeB產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子內(nèi)部部分短路，起到去磁效果.

圖4 表貼式外轉(zhuǎn)子可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[6]

圖5 內(nèi)置式串聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[7]

圖6 并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[8]

天津大學(xué)陳益廣等[9-10]提出了一系列的并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖7所示.W型結(jié)構(gòu)由徑向充磁的NdFeB作為主勵(lì)磁源，切向充磁的AlNiCo用于調(diào)磁，兩塊NdFeB交點(diǎn)與轉(zhuǎn)子外邊緣間磁路設(shè)計(jì)的較窄，起到增大交軸磁路磁阻的作用；V型結(jié)構(gòu)中的NdFeB和AlNiCo均為切向充磁，轉(zhuǎn)子磁極直軸處隔磁橋起到增大交軸磁阻的作用，減小了電機(jī)運(yùn)行時(shí)交軸電樞反應(yīng)對AlNiCo磁狀態(tài)的影響.

華中科技大學(xué)曲榮海等[11]提出了一種如圖8所示的并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)，其轉(zhuǎn)子磁極由切向充磁的AlNiCo和NdFeB構(gòu)成，通過添加交軸磁障提高交軸磁阻，使得直軸增磁電流能夠產(chǎn)生正的磁阻轉(zhuǎn)矩，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩較單一永磁型可調(diào)磁通電機(jī)提升了14%，雙層磁障的添加還可以抑制NdFeB對AlNiCo的去磁作用，有利于提高電機(jī)的充磁能力.浙江大學(xué)沈建新等[12]提出了一種并聯(lián)式可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，采用由NdFeB和鐵氧體組成的組合磁極，電機(jī)采用轉(zhuǎn)子鐵心添加交軸磁障的方法，緩解了并聯(lián)型結(jié)構(gòu)低矯頑力永磁體不易被充磁的問題.研究表明該結(jié)構(gòu)添加磁障后具有更好的正向磁化特性，降低了鐵氧體磁極在電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的退磁風(fēng)險(xiǎn)；但是磁障會削弱鐵氧體磁極對NdFeB的短路作用，影響電機(jī)的調(diào)磁能力.

圖7 W和V型結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[9-10]

圖8 切向充磁串聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[11]

圖9 具有隔磁磁障的并聯(lián)型可調(diào)磁通電機(jī)[12]

凸極式可調(diào)磁通電機(jī)的MTPA(maximum torque per ampere)曲線在第二象限，在重載情況下負(fù)的直軸電流和較大的交軸電流會對低矯頑力永磁體去磁，從而降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力.反凸極式可調(diào)磁通電機(jī)由于其MTPA曲線位于第一象限，在重載情況下直軸增磁電流對低矯頑力永磁體工作點(diǎn)有增強(qiáng)作用，可以有效地防止低矯頑力永磁體被交軸電樞反應(yīng)去磁.R.D.Lorenz等[13]提出了一種反凸極式可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示.通過對串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度，但是低矯頑力永磁體不易被去磁；并聯(lián)結(jié)構(gòu)磁狀態(tài)的可調(diào)節(jié)范圍更寬，但是低矯頑力永磁體不易被充磁.但是為了提高電機(jī)的反凸極率，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)將交軸電感設(shè)計(jì)的很小，因此反凸極式可調(diào)磁通電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩較小.

圖10 反凸極式可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[13]

東南大學(xué)林鶴云等[14-15]提出了多種串并聯(lián)混合可調(diào)磁通電機(jī)，一種代表性結(jié)構(gòu)如圖11所示.采用磁路法和有限元仿真優(yōu)化了電機(jī)的電磁性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電機(jī)有較好的調(diào)磁性能，較寬的調(diào)磁范圍和較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力.

圖11 串并聯(lián)混合型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[14-15]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍等[16]提出了一種具有半串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可調(diào)磁通電機(jī)，該結(jié)構(gòu)在飽和充磁情況下NdFeB和AlNiCo的磁路為串聯(lián)模式，非飽和充磁情況下NdFeB和AlNiCo的磁路為串并聯(lián)混合模式，這種串聯(lián)為主并聯(lián)為輔的可調(diào)磁通電機(jī)被稱為半串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖12(a)所示.對比分析了半串聯(lián)、串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)所提出結(jié)構(gòu)具有綜合了串聯(lián)結(jié)構(gòu)高功率密度和并聯(lián)結(jié)構(gòu)寬調(diào)磁范圍的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果具有較好的一致性，證明了設(shè)計(jì)方案的正確性；提出了一種磁路分割式V型交流調(diào)磁可調(diào)磁通電機(jī)，如圖12(b)所示，該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)內(nèi)置V型可調(diào)磁通電機(jī)空載反電勢和氣隙磁密的正弦性更好，轉(zhuǎn)矩脈動較低，負(fù)載調(diào)磁倍數(shù)更高，且需要的充磁脈沖電流更小，針對該結(jié)構(gòu)提出了一種高精度的等效磁路模型，對于不同的電機(jī)參數(shù)，所提出模型的氣隙磁密計(jì)算誤差均小于6%，永磁體的相對工作點(diǎn)誤差均小于5%[17-18]；提出了一種具有反凸極特性的串聯(lián)磁路可調(diào)磁通電機(jī)，如圖12(c)所示，該電機(jī)由于具有旁路磁通流通路徑，電機(jī)在去磁后釹鐵硼產(chǎn)生的多余磁通在鐵心中被旁路磁通路徑短路，其調(diào)磁范圍可以達(dá)到傳統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的程度[19]；提出了一種串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖12(d)所示，該電機(jī)在V型串并聯(lián)磁路型磁極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了一層AlNiCo與NdFeB串聯(lián)排布的U型永磁體，用以提高電機(jī)的功率密度并穩(wěn)定AlNiCo的工作點(diǎn)，電機(jī)具有較寬的調(diào)磁范圍和較強(qiáng)的充去磁能力.

圖12 混合永磁交流調(diào)磁可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[16-19]

1.3 直流調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)

香港大學(xué)鄒國棠等[20-21]首次將記憶電機(jī)的理念引入了定子永磁型電機(jī)中，提出了雙凸極可調(diào)磁通電機(jī)，如圖13所示.該電機(jī)定子采用雙層結(jié)構(gòu)，分別放置電樞繞組和調(diào)磁繞組，電樞繞組放置于定子磁極外側(cè)，從而避免了電樞反應(yīng)對永磁體的影響，另外單獨(dú)設(shè)置的調(diào)磁繞組可以保證電機(jī)在線調(diào)磁時(shí)的負(fù)載能力，研究了電機(jī)在不同磁化狀態(tài)下的電磁性能和運(yùn)行性能，并給出了詳細(xì)的電機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

Z.Q.Zhu等[22]提出了一種磁通切換可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖14(a)所示，定子磁極由切向充磁的NdFeB和徑向充磁的低矯頑力永磁體組成，直流調(diào)磁繞組位于定子低矯頑力永磁體兩側(cè)，綜合考慮電磁轉(zhuǎn)矩、過載能力和調(diào)磁性能，給出了電機(jī)的最佳極槽配合關(guān)系.江蘇大學(xué)朱孝勇等[23]提出一種定子分塊的磁通切換可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖14(b)所示，電樞繞組位于外定子上，永磁體和直流調(diào)磁繞組置于內(nèi)定子上，轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)定子之間.研究表明，該電機(jī)中AlNiCo的加入提高了電機(jī)工作特性，并且降低了電機(jī)永磁體成本；但是電機(jī)定子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且電磁轉(zhuǎn)矩有所下降.

圖13 雙凸極可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[20-21]

圖14 磁通切換可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[22-23]

林鶴云等[24]提出了一種可調(diào)磁通游標(biāo)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖15所示，NdFeB置于外轉(zhuǎn)子上，低矯頑力永磁體及直流調(diào)磁繞組置于定子上，由于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)不同且具有獨(dú)立的調(diào)磁繞組，其既具有磁場調(diào)制效應(yīng)，又有較寬的調(diào)速范圍.通過建立非線性解析磁滯模型，對電機(jī)的電磁性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明當(dāng)定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)比為12/11時(shí)，電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度，且此時(shí)轉(zhuǎn)矩波動最低.

圖15 可調(diào)磁通游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)[24]

K.Sakai等[25]提出了一種徑-軸向磁路可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖16所示，AlNiCo和NdFeB磁在轉(zhuǎn)子上，軸向充磁的AlNiCo放置于軸向分段轉(zhuǎn)子之間，正反面的NdFeB永磁體極性相反，AlNiCo磁極的磁狀態(tài)可通過置于定子上的直流調(diào)磁繞組施加軸向磁場改變，從而調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙主磁通.該可調(diào)磁通電機(jī)具有軸向磁路，但電機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造困難；調(diào)磁繞組所在磁路較長，磁阻較大，增加了驅(qū)動器容量.

圖16 徑-軸向磁路可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[25]

美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校T. A. Lipo等[26]提出了一種軸向磁通可調(diào)磁通電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖17所示，定子由外定子、直流調(diào)磁繞組和內(nèi)定子構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，電樞繞組位于內(nèi)外定子上，轉(zhuǎn)子呈分為內(nèi)外圈的盤式結(jié)構(gòu)，每一圈由磁化方向相同的NdFeB和鐵極交替排列構(gòu)成，內(nèi)外圈上NdFeB磁性相反，可通過改變直流調(diào)磁繞組產(chǎn)生的磁場方向調(diào)節(jié)氣隙磁密大小.

圖17 軸向磁通可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[26]

瓦萊奧設(shè)備公司A.D.Akemakou和美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校T.A.Lipo[27-28]先后提出了如圖18所示的混合勵(lì)磁可調(diào)磁通電機(jī)，其中圖18(a)中勵(lì)磁繞組和永磁體為并聯(lián)關(guān)系，圖18(b)中的勵(lì)磁繞組和永磁體為串聯(lián)關(guān)系，通過改變直流勵(lì)磁繞組中的電流方向就可以調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙磁密大小.這種轉(zhuǎn)子上添加勵(lì)磁繞組的電機(jī)具有較寬的調(diào)磁范圍，且控制簡單容易實(shí)現(xiàn)，但是需要額外的電刷、滑環(huán)機(jī)構(gòu).

1.4 機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)寇寶泉等[29]提出了一種機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖19所示，置于空氣開槽兩側(cè)的永磁體具有相同的極性，因此二者之間存在斥力，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高時(shí)，未被固定的永磁體會在離心力的作用下逐漸靠近氣隙，使得主磁極漏磁路的磁阻降低，漏磁磁通增加，而經(jīng)過氣隙的磁通減少，達(dá)到電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)降低氣隙磁密的目的.

圖18 勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子上的可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[27-28]

圖19 機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)[29]

日本日立有限公司G.Zhou等[30]提出了一種軸向分段式機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)，如圖20所示.該電機(jī)通過機(jī)械裝置調(diào)整兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對位置來調(diào)節(jié)氣隙磁密大小.當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子極性相同的永磁體在軸向上對齊，二者對氣隙貢獻(xiàn)的磁通方向相同；當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸向?qū)R的磁極極性相反，二者對氣隙貢獻(xiàn)的磁通方向相反，相互抵消，氣隙磁密很小，因此該電機(jī)具有較大的調(diào)速范圍.

圖20 軸向分段機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)[30]

1.5 可調(diào)磁通電機(jī)拓?fù)淇偨Y(jié)

機(jī)械調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)困難，目前研究的較少；直流調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是控制簡單；交流調(diào)磁型可調(diào)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)永磁同步電機(jī)最接近，在電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)可以直接借鑒永磁同步電機(jī)成熟的方法理論.但是也存在一些問題，較典型的問題有：永磁體磁狀態(tài)變化后難以在線估計(jì)；難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的在線調(diào)磁；逆變器電壓限制使得電機(jī)在調(diào)速時(shí)遇到困難；去磁后電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動較為明顯；以全速域高效率為目標(biāo)的調(diào)速策略實(shí)現(xiàn)困難.

2 可調(diào)磁通電機(jī)控制策略

2.1 磁鏈觀測器

磁鏈觀測器是一種通過搭建數(shù)學(xué)模型，由已知的電機(jī)參數(shù)計(jì)算電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子磁鏈大小的方法，磁鏈觀測器由來已久，但多用于感應(yīng)電機(jī)的無位置控制系統(tǒng).由于可調(diào)磁通電機(jī)在復(fù)雜工況下運(yùn)行時(shí)，其永磁磁鏈隨著電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化，且電機(jī)控制策略需要結(jié)合準(zhǔn)確的電機(jī)模型，因此需要研究電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的在線辨識方法，尤其是磁鏈觀測技術(shù).

R.D.Lorenz等[31]提出了一種基于干擾電壓狀態(tài)濾波器的狀態(tài)觀測器對電機(jī)定子磁鏈進(jìn)行觀測，該磁鏈觀測器可以將電機(jī)電感和永磁磁鏈變化產(chǎn)生的定子磁鏈觀測誤差解耦，使電機(jī)定子磁鏈的觀測過程對電機(jī)鐵心飽和引起的電感變化和溫升導(dǎo)致的永磁磁鏈變化等電機(jī)參數(shù)變化不敏感，具有較高的準(zhǔn)確度.利用所提出的磁鏈觀測器，結(jié)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令，給出電流指令，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在負(fù)載情況下的在線調(diào)磁.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖21所示，該方法在電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況下可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)磁過程中的平滑轉(zhuǎn)矩控制.

圖21 負(fù)載情況下電機(jī)在線調(diào)磁時(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流波形[31]

Fig.21 Torque and current waveforms of on-line flux-adjustment during on-load operation[31]

R.D.Lorenz等[32]以文獻(xiàn)[13]中的電機(jī)為研究對象，提出了一種基于結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁狀態(tài)觀測方法，觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示.學(xué)者利用基于電機(jī)參數(shù)之間真實(shí)物理關(guān)系的基函數(shù)和拓?fù)溥x擇方法搭建了相對緊湊的結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果證明所提出的磁鏈觀測系統(tǒng)具有較高的觀測精度和響應(yīng)速度.但是該方法增加了整個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，實(shí)際實(shí)施起來較為困難.

圖22 基于結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁狀態(tài)觀測系統(tǒng)框圖[32]

Fig.22 Diagram of flux observer system based on structural neural network[32]

鄭萍等[33-34]提出了一種用于判斷可調(diào)磁通電機(jī)磁化狀態(tài)的基于模型參考自適應(yīng)理論的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器.所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器以電流作為系統(tǒng)誤差變量構(gòu)建誤差方程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖23所示，依此可以得到狀態(tài)變量誤差與轉(zhuǎn)子磁鏈誤差轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)磁鏈的在線觀測.由于該磁鏈觀測器針對電動汽車應(yīng)用背景，電機(jī)的電阻和電感等參數(shù)在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)會發(fā)生變化，因此分析了電機(jī)參數(shù)擾動對磁鏈觀測器觀測精度的影響規(guī)律，分析結(jié)果表明電機(jī)直軸電感對觀測器精度沒有影響，定子電阻對觀測器精度影響較小，而電機(jī)交軸電感在高速運(yùn)行時(shí)易受到干擾,因而對觀測器影響較為明顯，因此在電機(jī)控制系統(tǒng)中對交軸電感參數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)償，結(jié)果表明所提出的磁鏈觀測器具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的動態(tài)特性，具有良好的辨識精度.

圖23 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器狀態(tài)變量誤差系統(tǒng)[33-34]

2.2 可調(diào)磁通電機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩控制策略

可調(diào)磁通電機(jī)在負(fù)載情況下進(jìn)行在線調(diào)磁一般需要較大的母線電壓，而當(dāng)母線電壓一定時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，能夠產(chǎn)生的調(diào)磁電流幅值將會變小，電機(jī)的調(diào)磁能力降低.R.D.Lorenz等[35]為解決上述問題，提出了一種反向旋轉(zhuǎn)電流矢量軌跡的電流控制方法.該方法通過施加帶直流偏置的正余弦充、去磁電流，使電機(jī)電壓方程中的部分交直軸電抗壓降相互抵消，從而降低調(diào)磁過程所需的母線電壓，保證電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的調(diào)磁能力.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在母線電壓一定的情況下，采用該方法可以保證電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下依然具有飽和充、去磁的能力，大大降低了端電壓對電機(jī)調(diào)磁能力的限制，但采用該方法調(diào)磁時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動較大.

K. Sakai等[25]提出了一種提高可調(diào)磁通電機(jī)負(fù)載運(yùn)行可靠性的電流控制方法.該方法通過在電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)施加持續(xù)的直軸增磁電流，來補(bǔ)償交軸電流在低矯頑力永磁體上產(chǎn)生的去磁作用，所施加直軸增磁電流的大小與負(fù)載電流大小有關(guān).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效降低低矯頑力永磁體的退磁風(fēng)險(xiǎn)，保證可調(diào)磁通電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出能力.但該方法會增加損耗，降低電機(jī)的運(yùn)行效率.K.Sakai等[25]結(jié)合徑-軸向磁路可調(diào)磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種提高輸出轉(zhuǎn)矩的方法.該方法在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，將調(diào)磁繞組作為勵(lì)磁繞組，在調(diào)磁繞組中通入正向的直流電流，有效地提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.仿真結(jié)果如圖24所示，當(dāng)調(diào)磁繞組通入10倍額定電流時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩提高了25%.但該方法會導(dǎo)致調(diào)磁繞組發(fā)熱嚴(yán)重，散熱條件較差時(shí)會損壞電機(jī).

圖24 徑軸向磁路混合型可調(diào)磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性[25]

Fig.24 Torque characteristics of VFM with radial-axial magnetic circuit[25]

曲榮海等[36]針對文獻(xiàn)[11]中的可調(diào)磁通電機(jī)，提出了一種改進(jìn)的前饋電流控制策略，用以補(bǔ)償由于充、去磁操作所導(dǎo)致的電壓變化，電機(jī)控制系統(tǒng)基于學(xué)者所提出的考慮永磁感應(yīng)電壓和電動勢變化的改進(jìn)型永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提出的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、精度高等優(yōu)點(diǎn).另外，該前饋電流控制系統(tǒng)在不同的工作模式下不需要修改系統(tǒng)PI參數(shù)，因此降低了PI參數(shù)調(diào)節(jié)的難度.

2.3 可調(diào)磁通電機(jī)調(diào)磁與調(diào)速控制策略

林鶴云等[37]提出了一種分級恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)磁與調(diào)速驅(qū)動控制策略.其調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖25所示，除傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)外，還設(shè)置了轉(zhuǎn)速判斷模塊和電流分配模塊，由轉(zhuǎn)速判斷模塊判斷是否需要調(diào)磁，并由電流分配模塊產(chǎn)生所需的調(diào)磁電流脈沖和交軸電流.并對電機(jī)升速過程中輸出轉(zhuǎn)矩、反電動勢和交、直軸電流特性進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明該調(diào)速系統(tǒng)保證了電機(jī)在低速區(qū)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，以及在高速區(qū)的去磁升速控制.之后，林鶴云等[38]提出了一種分步調(diào)磁控制策略以拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍，通過對電機(jī)不同磁化狀態(tài)下電機(jī)工作點(diǎn)運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行分析，選取了電機(jī)的幾種典型磁化狀態(tài)，在相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)通以脈沖電流對電機(jī)進(jìn)行去磁，該方法解決了頻繁對永磁充、去磁控制困難以及開關(guān)損耗大等問題.

圖25 分級恒轉(zhuǎn)矩調(diào)磁調(diào)速系統(tǒng)框圖[37]

Fig.25 Diagram of hierarchical constant-torque speed and flux adjustment system[37]

加拿大康考迪亞大學(xué)P.Pillay等[39]提出了一種磁通增強(qiáng)型可調(diào)磁通電機(jī)的矢量控制方法，該控制系統(tǒng)由交軸電流限幅模塊、直軸電流限幅模塊、弱磁模塊和調(diào)磁觸發(fā)模塊構(gòu)成，其中交軸和直軸電流限幅模塊給出電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的最大電流幅值，弱磁模塊用于控制電機(jī)施加充、去磁電流，調(diào)磁觸發(fā)模塊用于判斷電機(jī)何時(shí)進(jìn)行調(diào)磁.研究表明所提出的控制系統(tǒng)能夠在電機(jī)升速過程中施加去磁電流,使電機(jī)磁鏈下降，實(shí)現(xiàn)調(diào)磁功能.

江蘇大學(xué)朱孝勇等[40]針對雙凸極可調(diào)磁通電機(jī)常見的單相斷路故障，提出了電樞磁場重構(gòu)容錯(cuò)控制策略，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法提高了電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行能力.若電機(jī)發(fā)生單相斷路故障后采用增磁無刷直流電機(jī)容錯(cuò)控制，即在非故障相通入幅值不變、相位上偏移一定角度的方波電流，并通過施加持續(xù)穩(wěn)定的直流磁化電流，可使得輸出轉(zhuǎn)矩幾乎不發(fā)生變化.

東南大學(xué)林明耀等[41]提出了一種磁通切換可調(diào)磁通電機(jī)的分段調(diào)磁控制，其系統(tǒng)框圖如圖26所示，學(xué)者推導(dǎo)了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并基于電機(jī)磁狀態(tài)可調(diào)的特性，提出了在低速區(qū)飽和磁化運(yùn)行，在高速區(qū)采用分段調(diào)磁的電機(jī)控制策略.仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)在低速區(qū)飽和增磁運(yùn)行，加速了電機(jī)的起動過程，在相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，減小了定子電流，降低銅耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率；高速區(qū)采用通過施加調(diào)磁脈沖來直接改變電機(jī)磁化狀態(tài)的分段調(diào)磁控制策略，根據(jù)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速對磁鏈進(jìn)行分段調(diào)節(jié)，優(yōu)化了電機(jī)永磁磁鏈的控制過程.

圖26 分段弱磁控制系統(tǒng)框圖[41]

可調(diào)磁通電機(jī)在復(fù)雜工況下運(yùn)行時(shí)，需根據(jù)工況頻繁改變電機(jī)的磁化狀態(tài)，使電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗最小，但頻繁施加調(diào)磁電流，會產(chǎn)生較大的調(diào)磁損耗，可能會導(dǎo)致電機(jī)的總損耗增加.R.D.Lorenz等[42]為解決上述問題，結(jié)合電動汽車的典型工況提出了一種磁化狀態(tài)選擇控制器，其結(jié)構(gòu)如圖27所示.該控制器的輸入為各個(gè)工況下的理想磁化狀態(tài)，經(jīng)過PI補(bǔ)償、比較、采樣保持等環(huán)節(jié)后輸出實(shí)際的磁化狀態(tài)，作為電機(jī)的調(diào)磁指令.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該控制策略后，電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的總損耗降低，效率提高.

圖27 磁化狀態(tài)選擇控制器[42]

日本東芝公司S.Maekawa等[6]提出了一種適合于分?jǐn)?shù)槽集中繞組可調(diào)磁通電機(jī)的控制方法，控制系統(tǒng)如圖28所示.由于分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)電樞磁場的非工作次諧波磁動勢含量較大，電機(jī)在工作至某個(gè)電角度時(shí)施加直軸電流后的充、去磁效果最好，所以該類電機(jī)在調(diào)磁時(shí)需要在特定的電角度施加調(diào)磁電流，而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，電機(jī)工作在特定電角度的時(shí)間很短，需要快速地施加調(diào)磁電流.S.Maekawa等在調(diào)磁過程中采用了前饋電壓控制的策略，利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型將直軸電流指令轉(zhuǎn)換成直軸電壓指令，直接用于控制電機(jī).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能在電機(jī)工作于特定電角度時(shí)迅速施加充、去磁電流，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)磁，適用于采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的可調(diào)磁通電機(jī).

圖28 分?jǐn)?shù)槽集中繞組可調(diào)磁通電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖[6]

Fig.28 Control system diagram of VFMs with fractional-slot concentrated winding[6]

2.4 可調(diào)磁通電機(jī)控制策略總結(jié)

相較于傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)，可調(diào)磁通電機(jī)的永磁磁鏈可變，具有更多的控制自由度，但這也增加了該類電機(jī)的控制難度.可調(diào)磁通永磁同步電機(jī)的調(diào)磁與驅(qū)動控制策略可以分為以下3個(gè)部分：1)在每個(gè)磁化狀態(tài)下的電流、轉(zhuǎn)速控制；2)磁化狀態(tài)的選擇策略；3)調(diào)磁過程中的電流、轉(zhuǎn)矩控制.

可調(diào)磁通電機(jī)的控制策略值得研究的熱點(diǎn)問題包括：1)電機(jī)在復(fù)雜工況下運(yùn)行時(shí)，需根據(jù)工況頻繁改變電機(jī)的磁化狀態(tài)，使電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗最小，而頻繁施加調(diào)磁電流，會產(chǎn)生較大的調(diào)磁損耗，可能會導(dǎo)致電機(jī)的總損耗增加，需要結(jié)合工況研究合理的磁化狀態(tài)選擇策略；2)在調(diào)磁過程中，需要研究如何保證電機(jī)在一定的母線電壓限制下仍具有較強(qiáng)的調(diào)磁能力和較寬的調(diào)磁范圍；3)需要研究具有高動態(tài)響應(yīng)的電流控制策略以完成充、去磁操作，同時(shí)由于調(diào)磁過程中電流突變，且永磁磁鏈發(fā)生變化，會使電機(jī)在調(diào)磁過程中產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動，需要研究相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制策略.

3 結(jié)論與展望

1)可調(diào)磁通電機(jī)因其能夠調(diào)節(jié)氣隙磁密的特性，而具有更寬的調(diào)速范圍和更高的運(yùn)行效率，適用于電動汽車和數(shù)控機(jī)床等寬調(diào)速范圍的應(yīng)用領(lǐng)域.根據(jù)調(diào)磁方式的不同，可調(diào)磁通電機(jī)發(fā)展出了交流調(diào)磁型、直流調(diào)磁型和機(jī)械調(diào)磁型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

2)以探索新型結(jié)構(gòu)、提高調(diào)磁能力和提升轉(zhuǎn)矩輸出能力等為目標(biāo)，在新型可調(diào)磁通電機(jī)研發(fā)方面取得以下進(jìn)展：通過調(diào)整永磁體的位置和組合形式、在主磁路中添加磁障以及改進(jìn)調(diào)磁繞組設(shè)置方式等手段提出了多種可調(diào)磁通電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總結(jié)了電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)對電機(jī)性能的影響規(guī)律，并給出了不同可調(diào)磁通電機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

3)針對可調(diào)磁通電機(jī)調(diào)磁控制時(shí)存在的問題，在可調(diào)磁通電機(jī)控制策略方面取得以下進(jìn)展：提出了針對電機(jī)磁鏈等關(guān)鍵參數(shù)的在線辨識策略；提出了提高調(diào)速范圍，降低轉(zhuǎn)矩波動的新型電流及轉(zhuǎn)矩控制策略；提出了能夠降低調(diào)磁損耗、提高電機(jī)運(yùn)行效率并提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)磁及調(diào)速控制策略.

4)隨著更多新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出，以及電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、加工制造工藝、控制理論和電力電子器件的不斷發(fā)展，可調(diào)磁通電機(jī)在本體設(shè)計(jì)和控制上存在的問題將逐步被解決，可調(diào)磁通電機(jī)也有望在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用與推廣.