永磁同步磁阻電動機的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

劉景林,楊甜戈

(西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,西安 710000)

0 引 言

“中國制造2025”是全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平的重大戰(zhàn)略部署，對智能化高效能電機提出了更高的要求。與一般的電勵磁電機相比，稀土永磁電機使用稀土永磁體勵磁，不需要定子提供勵磁電流就能建立磁場，功率因數(shù)較高，而且有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕等優(yōu)點。但是稀土永磁材料價格昂貴，儲量稀少，我國雖稀土永磁材料儲量大，但仍然供不應(yīng)求。為了擺脫對稀土材料的依賴，研究含有較少稀土永磁材料的高效能電機成為中國制造2025的熱點。

永磁同步磁阻電動機由永磁同步與同步磁阻電動機結(jié)合而來，僅使用少量的稀土永磁體，或者用鐵氧體作為永磁材料，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計可能達(dá)到稀土永磁同步電機的輸出性能和節(jié)能水平[1]。

1 永磁同步磁阻電動機的基本結(jié)構(gòu)

在同步磁阻電機的磁障中添加適量永磁體，增大了凸極比，可以提高電機的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度。這樣，電機的電磁轉(zhuǎn)矩中同時含有磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，且磁阻轉(zhuǎn)矩為主要成分，永磁轉(zhuǎn)矩起輔助作用。這種電機即為永磁同步磁阻電機，也叫做永磁輔助同步磁阻電機(Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor，PMa-SynRM)[2]。

圖1 同步磁阻電機和永磁同步磁阻電機結(jié)構(gòu)圖

圖1(a)，圖1(b)分別為同步磁阻電機和永磁同步磁阻電機的結(jié)構(gòu)特點。同步磁阻電機中q軸磁路無磁障，而d軸磁路中永磁體阻礙了磁力線的通過，同步磁阻電機的運行遵循磁阻最小原則，通過d軸和q軸磁阻的差異產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動電機。永磁同步磁阻電機中d軸磁障里的永磁體磁導(dǎo)率接近氣隙，也會阻礙磁力線的通過，且永磁體磁場與定子磁場相互作用產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。因此在相同的電流下，永磁同步磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩比同步磁阻電機的大[3]。

2 永磁同步磁阻電動機的優(yōu)化設(shè)計

2.1 電機結(jié)構(gòu)對參數(shù)和性能的影響

永磁同步磁阻電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除氣隙長度外，磁障結(jié)構(gòu)和永磁磁場強度及分布等參數(shù)直接影響著電機的電磁性能。

黃輝在文獻(xiàn)[3]中，對電機結(jié)構(gòu)對參數(shù)和性能的影響做了全面的分析。增大永磁體層數(shù)會增大d、q軸磁阻差值和永磁磁鏈，當(dāng)永磁體層數(shù)達(dá)到2層以上時，增加速度會變緩。永磁體層數(shù)也會影響轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度和加工工藝。增大氣隙會增大q軸磁阻，減小永磁體磁鏈，所以在保證裝配工藝的條件下，應(yīng)盡可能選擇較小的氣隙[3]。永磁絕緣比增大，永磁轉(zhuǎn)矩增大，磁阻轉(zhuǎn)矩卻與之相反，必有最優(yōu)的絕緣比范圍，可以得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩。永磁體用量增加可以增大磁阻轉(zhuǎn)矩，存在一個合適的應(yīng)磁體用量使得磁阻轉(zhuǎn)矩最大，而且永磁體用量的增大可以提升電機的效率和功率因數(shù)，擴(kuò)大弱磁調(diào)速范圍。

2.2 電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了獲得優(yōu)異的電機性能，必須對電機結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。近幾年，對永磁同步磁阻電機的優(yōu)化研究主要集中在極槽配合、永磁體用量優(yōu)化和提高抗退磁性能以及提高電機的機械強度等方面。

Alper Tap在實驗中固定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，比較不同定子槽數(shù)、不同的繞組形式對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的影響，發(fā)現(xiàn)在該設(shè)計中36槽4極的極槽配合與分布繞組可以有效削弱轉(zhuǎn)矩脈動[4]。李新華在文獻(xiàn)[5]中指出4極電機的齒槽轉(zhuǎn)矩相對較小，而且選擇合理的極槽配合可以有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩[5]

Massimo Barcaro在文獻(xiàn)[6]中，為獲得寬弱磁調(diào)速范圍和高效率，對永磁體的用量進(jìn)行優(yōu)化，得出了對于實驗用的4P24S電機，使用鐵氧體磁體(Brem=0.4T)，用量應(yīng)增加到25%左右，使用粘結(jié)釹鐵硼磁體(Brem=0.6T)，用量應(yīng)減少到83%，而使用燒結(jié)釹鐵硼磁體(Brem=1.1T)，用量應(yīng)減少到45%。

Masayuki Sanada及其團(tuán)隊在文獻(xiàn)[7]中對永磁體退磁問題進(jìn)行了研究，分析了三種不同類型的磁障結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在第一層磁障使用厚永磁體且錐化磁障邊緣時，最大電流處的退磁率被抑制在0.6%以下，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖2所示。隨后Masahiro Obata在文獻(xiàn)[8]中通過對磁體的形狀、磁阻、中心肋和外橋的優(yōu)化設(shè)計，得到下圖3中的滿足高速區(qū)域機械強度要求、抗退磁的永磁同步磁阻電機。此外，還將磁體的形狀由圓弧形改為矩形，對其性能進(jìn)行了分析和實驗研究，該電機在較寬的運行范圍內(nèi)實現(xiàn)了90%以上的效率，最高效率為95.5%。

圖2 抗退磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖3 高機械強度轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[9]中，Gyeong-Jae Park詳細(xì)分析磁障內(nèi)不同位置永磁體對輸出性能的影響和退磁情況，優(yōu)化了永磁體的安裝位置，優(yōu)化后增大了弱磁調(diào)速范圍，轉(zhuǎn)矩密度提高了12%，轉(zhuǎn)矩脈動與優(yōu)化前相同。下圖4為文獻(xiàn)[9]中給出的電機永磁體最優(yōu)安裝位置示意圖。

圖4 永磁體最優(yōu)安裝位置

圖5 帶小型磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[10]中Md Tawhid Bin Tarek在轉(zhuǎn)子上增加一個小型磁障將機械應(yīng)力增加了15.73%，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如上圖5所示。并在文獻(xiàn)[11]中對該結(jié)構(gòu)的中心柱和肋部長度進(jìn)行了優(yōu)化，大大削弱了該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動。

2.3 智能優(yōu)化設(shè)計算法

永磁同步磁阻電機設(shè)計中設(shè)計參數(shù)眾多，設(shè)計復(fù)雜。而傳統(tǒng)優(yōu)化算法全局尋優(yōu)能力差，使用智能優(yōu)化設(shè)計算法對電機設(shè)計進(jìn)行多參數(shù)尋優(yōu)可以求解復(fù)雜的工程問題。

Dong-Hoon Jung在文獻(xiàn)[12]中使用響應(yīng)面法對轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使電機效率達(dá)到了92.72%。López Torres在文獻(xiàn)[13]中提出了一種不需要有限元分析的快速電機優(yōu)化設(shè)計方法，將等效磁路法和遺傳算法結(jié)合，選擇最佳參數(shù)組合。圖6為提出的電機快速優(yōu)化設(shè)計算法的流程圖。

張建采用基于有限元法的遺傳算法，對氣隙半徑、轉(zhuǎn)子磁障厚度和間距、永磁體的寬度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并與PRIUS電機對比，優(yōu)化后的永磁同步磁阻電機可以完全替代基準(zhǔn)電機[14]。Huai-Cong Liu在文獻(xiàn)[15]中，將有限元法和遺傳算法結(jié)合，對鐵氧體永磁體的形狀和大小進(jìn)行了優(yōu)化，削弱了反電動勢和轉(zhuǎn)矩脈動。Md.Zakirul Islam在文獻(xiàn)[16]中，設(shè)計了基于集中參數(shù)模型的差分演化算法，并用有限元仿真驗證，證實該算法能對多相永磁同步磁阻電機進(jìn)行高精度多目標(biāo)優(yōu)化。

圖6 快速電機優(yōu)化設(shè)計流程圖

3 永磁同步磁阻電動機的控制方法

永磁同步磁阻電機的控制方法以磁場矢量控制理論為基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于d、q軸電流的解耦控制。常用的電流控制方法包括：①最大轉(zhuǎn)矩/電流比(MTPA)控制。②單位功率因數(shù)控制。③最大效率控制。④弱磁控制等。

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，MTPA控制方法研究的比較多。Peyman Niazi深入研究了永磁同步磁阻電動機的MTPA控制策略，通過添加的轉(zhuǎn)矩角β擾動，計算輸出轉(zhuǎn)矩，尋找最優(yōu)β角，利用在線電機參數(shù)辨識提高系統(tǒng)魯棒性[17]。但在實際工程應(yīng)用中在線參數(shù)辨識計算過程復(fù)雜，結(jié)果也不夠準(zhǔn)確，會降低系統(tǒng)控制性能[18]。為避免電機參數(shù)變化的影響，李新華提出基于最小直軸電流補償算法的動態(tài)MTPA控制策略，對d軸電流的實時調(diào)整，尋找最優(yōu)的電流矢量[18]。

在恒功率區(qū)，弱磁(FW)控制是永磁同步磁阻電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過增大d軸電流id，減弱永磁體的磁場，可以獲得更寬的調(diào)速范圍。Elena Trancho使用二階滑模電流調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)對參考id和iq的快速追蹤，并設(shè)計最優(yōu)電流參考值生成算法對參考id和iq進(jìn)行修正，引導(dǎo)電流軌跡使電機從MTPA控制平穩(wěn)過渡到弱磁控制[19]。

圖7 模型預(yù)測控制結(jié)構(gòu)框圖

另外，部分學(xué)者對適用于永磁同步磁阻電機的模型預(yù)測控制進(jìn)行了研究。方磊提出基于轉(zhuǎn)矩預(yù)測的MTPA-FW控制方法的全速域運行控制，結(jié)構(gòu)框圖如上圖7所示。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)使用轉(zhuǎn)矩預(yù)測MTPA控制，在恒功率區(qū)使用轉(zhuǎn)矩預(yù)測弱磁控制。先檢測轉(zhuǎn)速、定子電流以及轉(zhuǎn)子位置信號，對下一拍的電流和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)測；然后判斷轉(zhuǎn)速，確定當(dāng)前控制方法和約束函數(shù)；最后滾動優(yōu)化輸出最優(yōu)電流矢量[20]。轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制可以使電機獲得良好的動態(tài)性能，運行軌跡接近理想狀態(tài)，控制系統(tǒng)具有較高的魯棒性[20]。

為降低電機成本，無傳感器控制技術(shù)也是電機控制領(lǐng)域的研究熱點。張志偉將滑模觀測器與高頻注入法結(jié)合，代替?zhèn)鞲衅鲗﹄姍C位置信號觀測，并通過驗證，該方法精度較高，可以滿足部分工業(yè)應(yīng)用要求[21]。Ali Sarajian還在文獻(xiàn)[22]中提出了一種無傳感器預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制，使用有限控制集模型預(yù)測控制(FCS-MPC)，并將擴(kuò)展卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器和正交鎖相環(huán)結(jié)合，對轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計，提高了無傳感器性能，仿真分析，無傳感器控制的精度較高，有效削弱了轉(zhuǎn)矩脈動。

4 永磁同步磁阻電動機的應(yīng)用

永磁同步磁阻電動機具有低成本、運行效率高、調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著等特點，在家用電器、電動汽車和工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

格力電器成功研發(fā)出鐵氧體永磁同步磁阻電機，并將其應(yīng)用在變頻壓縮機中，經(jīng)檢驗與稀土變頻壓縮機能效相當(dāng)，適用于空調(diào)、冰箱等制冷領(lǐng)域[23]。文獻(xiàn)[24]也對適用在洗衣機上的永磁同步磁阻電機進(jìn)行了研究設(shè)計，開發(fā)的樣機與永磁同步電機相比，在相同的效率和功率密度下，永磁體用量減少50%，硅鋼用量減少20%。

第二節(jié)中，日本設(shè)計的Masahiro Obata優(yōu)化的鐵氧體永磁同步磁阻電機就是適用在電動汽車/混合動力汽車上的，對樣機其性能進(jìn)行了分析和實驗研究，該電機在較寬的運行范圍內(nèi)實現(xiàn)了90%以上的效率，最高效率為95.5%。

5 結(jié) 語

永磁同步磁阻電動機結(jié)合了永磁同步與同步磁阻電動機的特性，運行效率高、調(diào)速范圍寬。但是電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁障結(jié)構(gòu)和永磁體的用量、分布都直接影響著電機的電磁性能。國內(nèi)外學(xué)者對電機結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究，還有學(xué)者將智能優(yōu)化算法應(yīng)用在電機設(shè)計上，近幾年對于電機的控制方法研究也取得了一些進(jìn)展，為電機的優(yōu)化設(shè)計和控制方法的深入研究提供了借鑒。同時也有學(xué)者對同步磁阻電機在家用電器、電動汽車和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開了研究，雖未量產(chǎn)，但廣闊的應(yīng)用前景讓人期待。