交叉凸極轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與分析

仲麗麗，張卓然，俞文俊

(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

0 引 言

“混合勵(lì)磁”的思想最早在1985年由美國學(xué)者提出［1］，混合勵(lì)磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HESM)是一種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)。HESM是在永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上加入電勵(lì)磁繞組，通過改變電勵(lì)磁繞組中電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出電壓或轉(zhuǎn)速。它兼具了永磁電機(jī)高效率和電勵(lì)磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，有較好的發(fā)展前景。

HESM發(fā)展至今已經(jīng)有多種結(jié)構(gòu)形式［2］。1989年，英國學(xué)者E.Spooner提出了一種橫向磁通混合勵(lì)磁電機(jī)［3］，該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有附加氣隙，電勵(lì)磁效率較高，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并開展了大量研究。1995年，美國學(xué)者提出了一種并列結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁同步電機(jī)［4-5］，該電機(jī)定子為一個(gè)整體，采用一套電樞繞組，而轉(zhuǎn)子分為永磁和電勵(lì)磁兩部分;2001年，日本學(xué)者對(duì)這種形式的電機(jī)展開研究，并進(jìn)行了改進(jìn)和開發(fā)，研制成功了0.75kW的小功率樣機(jī)［6］。2003年，美國學(xué)者研制成功徑向磁路和軸向磁路兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁極分割型HESM［7-8］，軸向磁路經(jīng)過機(jī)殼，電機(jī)軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且易飽和。針對(duì)徑向磁場(chǎng)磁極分割型HESM的電壓調(diào)整率高、波形畸變率大等問題，沈陽工業(yè)大學(xué)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、并對(duì)電抗參數(shù)展開了研究［9］;在將軸向磁場(chǎng)磁極分割型HESM應(yīng)用于盤式車輪電機(jī)等方面，上海大學(xué)進(jìn)行了研究［10］;東南大學(xué)針對(duì)磁極分割型HESM的電勵(lì)磁損耗和電機(jī)軸向長(zhǎng)度問題，優(yōu)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，形成非對(duì)稱交錯(cuò)HESM［11］;2008年，南京航空航天大學(xué)提出了新型轉(zhuǎn)子磁分路HESM［12］，此電機(jī)是基于內(nèi)置式切向磁鋼永磁同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)勵(lì)磁線圈中沒有勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)處于弱磁狀態(tài)，勵(lì)磁電流增大時(shí)，電機(jī)增磁。2011年，法國學(xué)者提出了一種新型的并列結(jié)構(gòu)HESM［13］，并根據(jù)其漏磁現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);該電機(jī)中的勵(lì)磁繞組位于電樞繞組端部的上方，永磁體徑向充磁，磁通在相鄰的兩極上形成回路。

交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM［14-17］是日本學(xué)者近年來提出并研究的一種新型HESM。該電機(jī)是為混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是使用了軟磁復(fù)合材料;且僅使用少量的稀土永磁材料。本文旨在介紹并討論該新型交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理，利用三維有限元靜磁場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)分析方法深入研究其電磁和輸出特性，為該新型混合勵(lì)磁電機(jī)在新能源發(fā)電與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM結(jié)構(gòu)與原理

圖1為20極/24槽的交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM結(jié)構(gòu)示意圖［16］。它的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)子被永磁體分為軸向磁化的兩部分——N極轉(zhuǎn)子鐵心和S極轉(zhuǎn)子鐵心，并且兩轉(zhuǎn)子鐵心相互錯(cuò)開;兩環(huán)形直流勵(lì)磁繞組位于電機(jī)兩端，電機(jī)兩端的端蓋、定子外殼、轉(zhuǎn)子內(nèi)殼為導(dǎo)磁體，并且由于本電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，選擇軟磁復(fù)合材料SMC，與環(huán)形勵(lì)磁繞組形成三維磁路。SMC材料［18-19］具有可加工成任意形狀、良好的各向同性等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的SMC材料有日本JFE公司的KIPMG270H;加拿大Quebec公司的ATOMET EM-1;瑞典Hoganas AB公司的PermiteTM75、ABM100.32、SOMALOYTM500 和 SOMALOYTM550。一般地，SMC材料的飽和磁密和相對(duì)磁導(dǎo)率低于硅鋼片，如圖2所示。SMC材料的電阻率高，使用SMC材料的電機(jī)產(chǎn)生的渦流損耗低于使用硅鋼片材料的電機(jī)，因此適用于高頻場(chǎng)合;然而，其磁滯損耗要高些。另外，由于SMC材料不能燒結(jié)，其機(jī)械強(qiáng)度比硅鋼片低。

交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的基本原理是:勵(lì)磁繞組中通入某一方向的勵(lì)磁電流時(shí)，主氣隙中的電勵(lì)磁磁通方向與永磁磁通方向相同，主氣隙磁通增大，有效磁場(chǎng)增強(qiáng);當(dāng)通入反方向的勵(lì)磁電流時(shí)，主氣隙中的電勵(lì)磁磁通方向與永磁磁通方向相反，主氣隙磁通減小，有效磁場(chǎng)減弱。因此，交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM的主氣隙磁場(chǎng)主要由永磁體提供，電勵(lì)磁部分進(jìn)行雙向勵(lì)磁調(diào)節(jié)，電勵(lì)磁磁勢(shì)對(duì)主氣隙磁場(chǎng)影響的大小也就是電機(jī)調(diào)磁能力的大小。

根據(jù)右手螺旋定則，可以判斷在磁場(chǎng)增強(qiáng)或磁場(chǎng)減弱時(shí)的勵(lì)磁電流方向。為方便起見，對(duì)勵(lì)磁電流的方向進(jìn)行如下定義:

(1)當(dāng)電勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的磁通使得主氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，此時(shí)的勵(lì)磁電流方向?yàn)檎较?

(2)當(dāng)電勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的磁通使得主氣隙磁場(chǎng)減弱時(shí)，此時(shí)的勵(lì)磁電流方向?yàn)樨?fù)方向。

當(dāng)無直流勵(lì)磁電流(If=0)時(shí)，從永磁體N極流向S極的磁通有兩種，如圖3(a)所示。一種磁通路徑(黑色箭頭)為:N極側(cè)轉(zhuǎn)子→定轉(zhuǎn)子間氣隙→定子鐵心→定子SMC→定子鐵心→定轉(zhuǎn)子間氣隙→S極側(cè)轉(zhuǎn)子;電樞繞組切割這種磁通，它是有效磁通。另一種磁通路徑(白色箭頭)為:永磁體N極→N極側(cè)轉(zhuǎn)子→轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁繞組間氣隙→N極端蓋SMC→定子SMC→S極端蓋SMC→轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁繞組間氣隙→S極側(cè)轉(zhuǎn)子→永磁體S極;這種磁通不與電樞繞組產(chǎn)生交鏈。

圖3 交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM原理示意圖

當(dāng)直流勵(lì)磁電流大于0(If＞0)時(shí)，從永磁體N極流向S極的磁通，如圖3(b)所示。黑色箭頭所示磁通路徑與圖3(a)中相同，灰色箭頭所示為直流勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通路徑。從圖中可以看出，兩種磁通以相同的方向切割電樞繞組，主氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng);對(duì)于端蓋SMC部分，勵(lì)磁電流較小時(shí)，其磁通減小，當(dāng)勵(lì)磁電流大到一定值后，其磁通反向增加。

當(dāng)直流勵(lì)磁電流小于0(If＜0)時(shí)，從永磁體N極流向S極的磁通，如圖3(c)所示。黑色箭頭所示磁通路徑與(a)中相同，灰色箭頭所示為直流勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通路徑。從圖中可以看出，兩種磁通以相反的方向切割電樞繞組，主氣隙磁場(chǎng)減弱;對(duì)于SMC部分，其磁通增強(qiáng)。

2 基于三維有限元模型的靜磁場(chǎng)仿真分析

2.1 有限元模型的建立

目前，關(guān)于計(jì)算電機(jī)的磁場(chǎng)及其各種特性的方法，主要有等效磁路法和有限元法。等效磁路法可以節(jié)約計(jì)算成本和時(shí)間，但不考慮漏磁通等問題，計(jì)算精度有待提高;而有限元法是將電機(jī)剖分成無數(shù)小單元，能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布。交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM軸向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，有著磁場(chǎng)三維分布的特點(diǎn)，在二維有限元中難以得到其內(nèi)部磁場(chǎng)的變化情況。本文利用Maxwell 3D計(jì)算電機(jī)在不同勵(lì)磁磁勢(shì)、不同負(fù)載條件下的磁場(chǎng)分布?？紤]到交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM的徑向磁場(chǎng)對(duì)稱分布，為減小計(jì)算量，建立電機(jī)1/2有限元模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)［14］如表1所示，電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為24匝。定轉(zhuǎn)子鐵心材料DW315，永磁體材料33EH。本電機(jī)中，附加氣隙長(zhǎng)度為0.5 mm，對(duì)樣機(jī)的制造工藝要求會(huì)比較高。電機(jī)的網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4所示。

圖4 3D有限元模型的網(wǎng)格剖分圖

表1 交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 無勵(lì)磁電流作用下的磁場(chǎng)分布

圖5為無勵(lì)磁磁勢(shì)(Fi=0)時(shí)，電機(jī)的磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。電機(jī)右側(cè)轉(zhuǎn)子為N極轉(zhuǎn)子鐵心。從圖中可以看出，離永磁體較近的部分磁密較大。這是由于轉(zhuǎn)子鐵心為疊片的，其軸向磁阻比徑向磁阻大。對(duì)于同一電樞繞組而言，與其交鏈的磁密大小主要由轉(zhuǎn)子凸極上方的氣隙磁密決定。從內(nèi)外SMC部分的磁密矢量可以看出，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)路徑有一條不與電樞繞組產(chǎn)生交鏈。

圖5 磁密及矢量圖(Fi=0)

圖6為零勵(lì)磁時(shí)的主氣隙磁密波形圖。從圖中可以看出，氣隙最大磁密可達(dá)0.46 T。

2.3 雙向勵(lì)磁對(duì)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用

圖7為勵(lì)磁磁勢(shì)1 000安匝時(shí)電機(jī)磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。轉(zhuǎn)子凸極上的磁密增強(qiáng)，因此與電樞繞組交鏈的氣隙磁密也增強(qiáng)，并且電機(jī)端蓋的磁通已完全反向。圖8為主氣隙的磁密波形圖。在這種情況下，最大氣隙磁密為1.04 T。

圖6 主氣隙磁密波形圖(Fi=0)

圖9和圖10分別是勵(lì)磁磁勢(shì)為2 000安匝和3 000安匝時(shí)的電機(jī)磁密矢量圖。圖11和圖12分別是兩種勵(lì)磁磁勢(shì)下的氣隙磁密波形圖。

在勵(lì)磁磁勢(shì)為2 000安匝時(shí)，最大氣隙磁密達(dá)1.28 T;在勵(lì)磁磁勢(shì)為3 000安匝時(shí)，最大氣隙磁密達(dá)1.5 T。將這兩種勵(lì)磁條件下的增磁效果與1 000安匝時(shí)相比可知，繼續(xù)增加勵(lì)磁磁勢(shì)，雖有增磁，但增磁效果不明顯。將Fi=3 000安匝時(shí) SMC部分的磁密矢量與無直流勵(lì)磁時(shí)的相比，定子SMC部分的磁通減弱，端蓋SMC部分磁通增強(qiáng)。

圖13為勵(lì)磁磁勢(shì)為-500安匝時(shí)電機(jī)的磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。圖14是氣隙磁密波形圖。在此勵(lì)磁磁勢(shì)作用下，氣隙磁密略有波動(dòng)，但最大氣隙磁密僅有0.24 T。從圖13可以看出，當(dāng)反向直流勵(lì)磁達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)同一轉(zhuǎn)子鐵心而言，其兩端的磁通方向相反，對(duì)于電樞繞組而言，兩磁通綜合作用，磁場(chǎng)相互抵消。離直流勵(lì)磁繞組越近的部分通過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)越多，而通過永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)越少。

圖15為勵(lì)磁磁勢(shì)為-1 000安匝時(shí)電機(jī)磁密矢量圖，圖16是氣隙磁密波形圖。在此種情況下，兩轉(zhuǎn)子凸極處的磁密都很小，最大值僅有0.06 T。與-500安匝時(shí)相同，對(duì)同一轉(zhuǎn)子鐵心而言，其兩端磁通方向相反;對(duì)于電樞繞組而言，兩磁通綜合作用，磁場(chǎng)相互抵消。將此情況下SMC部分的磁密矢量與無勵(lì)磁時(shí)的相比，SMC部分磁通增強(qiáng)。定子外SMC芯和轉(zhuǎn)子內(nèi)SMC芯在附加氣隙處已趨近飽和，

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)需考慮好定子外殼和轉(zhuǎn)子內(nèi)殼的厚度。

3 瞬態(tài)場(chǎng)分析

在三維瞬態(tài)場(chǎng)下，設(shè)置三相電樞繞組，并定義電機(jī)的 Band、設(shè)置轉(zhuǎn)速(n=3 000 r/min，f=500 Hz)，采用與靜磁場(chǎng)仿真中類似的方法，給電機(jī)施加不同情況下的勵(lì)磁磁勢(shì)。圖17為空載時(shí)無直流勵(lì)磁電流下三相電壓波形圖，波形近似正弦波，但是諧波含量較大。

圖18為空載特性曲線，F(xiàn)i為勵(lì)磁磁勢(shì)，U為相電壓有效值。從圖中可以看出，在勵(lì)磁磁勢(shì)-1 000安匝時(shí)，電樞繞組的電壓減小了96.4%;在1 000安匝的勵(lì)磁磁勢(shì)時(shí)，電壓增加了106.1%。可見，電機(jī)在雙向勵(lì)磁下，調(diào)節(jié)特性都較好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)完全弱磁。

在轉(zhuǎn)速3 000 r/min、勵(lì)磁磁勢(shì)3 000安匝時(shí)，根據(jù)交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM輸出的相電流和相電壓，繪制了電機(jī)的外特性曲線和功率特性曲線，如圖19所示。在負(fù)載電流為104 A時(shí)，電機(jī)可達(dá)最大功率9.8 kVA。

4 結(jié) 語

本文討論了一種新型的HESM——交叉凸極轉(zhuǎn)子HESM，闡述了電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理?；陔姍C(jī)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過三維有限元分析計(jì)算了電機(jī)在不同勵(lì)磁作用下的主氣隙磁場(chǎng)變化規(guī)律以及電機(jī)的空載特性和外特性。有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了電機(jī)的基本原理。

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)及有限元分析結(jié)果，可以總結(jié)得出:主氣隙磁場(chǎng)主要來源于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，電勵(lì)磁部分對(duì)主氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行雙向調(diào)節(jié);直流勵(lì)磁繞組位于定子端蓋中，使得電機(jī)實(shí)現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，并且兩勵(lì)磁繞組共同作用，協(xié)調(diào)控制電機(jī)主氣隙磁場(chǎng);電機(jī)在反向勵(lì)磁電流作用下能夠?qū)崿F(xiàn)完全弱磁，在正向勵(lì)磁下具有優(yōu)良的增磁能力。電機(jī)的附加氣隙長(zhǎng)度需考慮到制造工藝問題;定、轉(zhuǎn)子SMC芯以及端蓋SMC芯的厚度需考慮電機(jī)的飽和情況。該新型電機(jī)的電勢(shì)波形諧波含量較大，在采用正弦波電流控制方法時(shí)需對(duì)其電勢(shì)波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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