混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)電磁特性分析

熊樹(shù)， 鄧智泉， 王宇， 朱婷婷， 許培林

(1．南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016;2．淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223300)

0 引言

自法國(guó)學(xué)者E．Hoang等人于1997年首次發(fā)表了關(guān)于三相永磁磁通切換電機(jī)學(xué)術(shù)論文以來(lái)［1］，磁通切換型電機(jī)開(kāi)始逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前研究主要以永磁式磁通切換型電機(jī)(flux－switching perma-nent－magnet machines，F(xiàn)SPM)為主，永磁式磁通切換型電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均采用凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，永磁體置于定子，采用切向充磁方向。

國(guó)外對(duì)FSPM的研究主要以英國(guó)Shefield大學(xué)Z．Q．Zhu教授研究團(tuán)隊(duì)為主。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了三相永磁式磁通切換電機(jī)的建模、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、渦流損耗、端部效應(yīng)以及弱磁控制等方面的研究［2－9］。

國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)對(duì)永磁式、電勵(lì)磁式、混合勵(lì)磁式磁通切換電機(jī)進(jìn)行了電機(jī)本體設(shè)計(jì)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)［10－12］;東南大學(xué)在磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、驅(qū)動(dòng)控制及混合勵(lì)磁等方面進(jìn)行了深入的研究［13－14］;浙江大學(xué)則在定位力矩抑制、直線型磁通切換電機(jī)等領(lǐng)域開(kāi)展了有效的工作［15］。

介紹三相6/8結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁的分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)(hybrid excitation segmented－rotor fluxswitching machines，HESRFSM)的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析其靜態(tài)電磁特性(磁場(chǎng)分布、定子磁鏈、反電勢(shì)、定位力矩、磁場(chǎng)調(diào)節(jié))，與典型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的調(diào)磁性能進(jìn)行比較。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)的提出

由上述文獻(xiàn)分析可知，F(xiàn)SPM具有以下一些優(yōu)點(diǎn):1)永磁體置于定子，永磁體易于冷卻;2)特有的聚磁效應(yīng)使得電機(jī)在采用矯頑力較低的永磁體時(shí)也可獲得較高的氣隙磁密;3)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于高速運(yùn)行;4)永磁體受電樞磁場(chǎng)影響小，發(fā)生短路故障時(shí)，永磁體發(fā)生不可逆退磁的機(jī)率極小，弱磁能力優(yōu)于轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī);5)反電勢(shì)正弦度較高;6)電機(jī)采用集中式繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，端部銅損小，電機(jī)效率高。

盡管FSPM具有上述的眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，所以其故障滅磁和故障保護(hù)難以有效解決，導(dǎo)致在航空起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中均受到制約。鑒于此，專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始對(duì)電勵(lì)磁磁通切換電機(jī)進(jìn)行研究。

英國(guó)萊切斯特大學(xué)的Charles Pollock教授在文獻(xiàn)［13］中提出了一種作為低功率風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩相電勵(lì)磁磁通切換電機(jī);英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的B．C．Mecrow教授研究團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)［16］中提出了一種電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子分塊式磁通切換電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機(jī)是將轉(zhuǎn)子鐵心塊嵌入在不導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子套中，組成圓柱形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，采用短磁路結(jié)構(gòu)，即磁通經(jīng)過(guò)相鄰定、轉(zhuǎn)子齒極閉合，以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得轉(zhuǎn)子分塊式磁通切換電機(jī)除具有普通磁通切換電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有容錯(cuò)能力強(qiáng)，高溫和高速適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，另外具有高速運(yùn)行時(shí)低風(fēng)(油)阻和低鐵心損耗等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 6/8結(jié)構(gòu)電勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)拓?fù)銯ig．1 Topology of the 6/8 structure wound-field segmentedrotorflux-switching synchronous motor

雖然電勵(lì)磁磁通切換電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)較為容易，但是由于采用電勵(lì)磁，無(wú)永磁體，其功率密度和效率相對(duì)較低。為了既能獲得較高的功率密度和效率，又能具有較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，采用混合勵(lì)磁電機(jī)可以來(lái)解決以上問(wèn)題。

法國(guó)學(xué)者E．Hoang在文獻(xiàn)［17］中提出了一種混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)?，如圖2(a)所示，該電機(jī)具有較高的功率密度和一定的增磁能力，但由于弱磁時(shí)電勵(lì)磁不可避免地要通過(guò)高磁阻的永磁體，且其齒端飽和嚴(yán)重，調(diào)磁能力有限。東南大學(xué)花為教授等提出了如圖2(b)所示的混合勵(lì)磁拓?fù)洌?5］。由于電勵(lì)磁磁場(chǎng)同樣也要經(jīng)過(guò)永磁體這樣的高磁阻，勵(lì)磁電流的利用率不高，從而導(dǎo)致高剩磁的永磁材料不能有效使用。如文獻(xiàn)［18］中永磁體剩磁僅為0.4 T，功率密度有限;英國(guó) Shefield大學(xué) Z．Q．Zhu教授的研究團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用減少永磁體來(lái)提供電勵(lì)磁繞組空間的方法衍生出6種不同的混合勵(lì)磁拓?fù)?，其中一種如圖2(c)所示。綜合磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩密度和鐵耗等因素進(jìn)行了對(duì)比分析［19］。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種三相6/8結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁的分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)(hybrid excitation segmented－rotor flux－switching machines，HESRFSM)。該電機(jī)轉(zhuǎn)子采用分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將8塊扇形導(dǎo)磁材料嵌套在轉(zhuǎn)子套中，轉(zhuǎn)子套為不導(dǎo)磁材料;將徑向充磁的永磁體添加到勵(lì)磁齒上，每個(gè)勵(lì)磁齒上既有勵(lì)磁繞組又有永磁體，且在每個(gè)勵(lì)磁齒上設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)磁橋，分居永磁體兩側(cè)。由于導(dǎo)磁橋的存在，無(wú)論工作在弱磁狀態(tài)還是增磁狀態(tài)，電勵(lì)磁磁場(chǎng)都不經(jīng)過(guò)高磁阻的永磁體，勵(lì)磁電流利用率高，即使在深度弱磁或故障滅磁的情況下，永磁體發(fā)生退磁的危險(xiǎn)幾率較低。該拓?fù)潆姍C(jī)具有優(yōu)良的容錯(cuò)性能和氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，同時(shí)由于永磁體的存在，電機(jī)的功率密度和效率得以保持。

圖2 幾種典型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)銯ig．2 Several typical hybrid excitation topologies of flux-switching motor

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖3為三相6/8結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其轉(zhuǎn)子由兩部分組成，即8個(gè)相同的呈扇形轉(zhuǎn)子鐵心塊和非導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子套，安裝時(shí)將扇形轉(zhuǎn)子鐵心塊嵌入在非導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子套中，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稱(chēng)為分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);定子齒分為勵(lì)磁齒和電樞齒，為了得到足夠大的氣隙磁通，永磁體的寬度設(shè)計(jì)較寬，所以勵(lì)磁齒寬度大于電樞齒寬度;電樞繞組采用集中式繞組，繞于定子電樞齒上，徑向相對(duì)的繞組A1、A2串聯(lián)構(gòu)成 A 相，繞組 B1、B2和繞組 C1、C2分別串聯(lián)為B、C相，共三相電樞繞組;單相電勵(lì)磁繞組繞于勵(lì)磁齒上，相鄰勵(lì)磁繞組電流方向相反，即相鄰勵(lì)磁磁場(chǎng)方向沿著徑向方向相反，6組勵(lì)磁繞組首尾相連串聯(lián)連接，6塊徑向充磁的永磁體嵌入繞有勵(lì)磁繞組的定子齒端，且相鄰永磁體充磁方向也沿著徑向方向相反，如圖3所示。在永磁體的兩側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)導(dǎo)磁橋，具體的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示，其中:定子極數(shù)Ps=6;轉(zhuǎn)子極數(shù)Pr=8;定子裂比ks=0.56;定子外徑Rs=75 mm;氣隙長(zhǎng)度g=0.5 mm;定子槽寬度 βslot=15°;電樞齒極弧寬度βsw=8°;勵(lì)磁齒極弧寬度 βsf=22°;轉(zhuǎn)子極弧寬度βr=40°;轉(zhuǎn)子極最大有效極高h(yuǎn)r=8 mm;永磁極高度hpm=5 mm;導(dǎo)磁橋?qū)挾萳bri=2 mm;單個(gè)電樞齒繞組匝數(shù)為40;單個(gè)勵(lì)磁齒繞組匝數(shù)為100。

圖3 6/8結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)拓?fù)銯ig．3 Topology of the 6/8 structure HESRFSM

圖4 混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)Fig．4 Design dimensions of the original HESRFSM

1.3 電機(jī)工作原理

圖5為該電機(jī)的磁通調(diào)節(jié)工作原理圖，從圖中可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的方向和大小，即可對(duì)通過(guò)電樞繞組的磁通進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5(a)為弱磁工作狀態(tài)示意圖，電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)方向相反，即電勵(lì)磁磁通起到弱磁作用;圖5(b)為增磁工作狀態(tài)示意圖，電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)方向相同，即電勵(lì)磁磁通起到增磁作用。由于導(dǎo)磁橋的存在，無(wú)論工作在弱磁狀態(tài)還是增磁狀態(tài)，電勵(lì)磁磁場(chǎng)不經(jīng)過(guò)永磁體這樣的高磁阻，勵(lì)磁電流利用率高，即使在深度弱磁或故障滅磁的情況下，永磁體發(fā)生退磁的幾率較低。

圖5 勵(lì)磁調(diào)節(jié)示意圖Fig．5 Operation principle of HESRFSM

2 電磁特性分析

利用有限元仿真軟件，對(duì)本文所提出的電機(jī)進(jìn)行仿真分析，主要分析了電機(jī)內(nèi)部的勵(lì)磁磁場(chǎng)分布，求解A相自感和三相間的互感，以及勵(lì)磁電流為零情況下的磁鏈、反電勢(shì)、定位力矩，以及電機(jī)氣隙磁通調(diào)節(jié)能力。

2.1 磁場(chǎng)分布

圖6為通過(guò)有限元仿真得到的4個(gè)轉(zhuǎn)子位置的永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)分布圖，仿真時(shí)將電勵(lì)磁繞組電流設(shè)置為零，在該條件下，混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)類(lèi)似于文獻(xiàn)［16］中的電勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)。從圖6中的磁場(chǎng)分布可以看出，由于分塊轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，每個(gè)電樞繞組匝鏈的永磁磁鏈幾乎僅由該電樞繞組相鄰的一個(gè)定子齒上的永磁體提供，各相繞組之間干擾較小，電機(jī)具有較強(qiáng)的磁隔離能力(電勵(lì)磁部分磁場(chǎng)分布與永磁磁場(chǎng)分布類(lèi)似，所以電勵(lì)磁的容錯(cuò)性能與永磁勵(lì)磁部分仿真結(jié)果類(lèi)似)。

圖6 永磁磁場(chǎng)分布圖(勵(lì)磁電流If=0)Fig．6 Open-circuit field distributions of the HESRFSM at four typical positions(If=0)

2.2 繞組自感、互感

圖7為該電機(jī)繞組電感和互感特性，A相電感值要比AB、AC兩相互感值大一個(gè)數(shù)量級(jí)，從該電機(jī)的互感與自感的比值可以看出該電機(jī)有著很強(qiáng)的磁隔離能力和電機(jī)抑制短路電流能力。

2.3 永磁磁鏈、反電勢(shì)、定位力矩

設(shè)勵(lì)磁電流為零(If=0)，且負(fù)載為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。電機(jī)繞組匝鏈的永磁磁鏈、繞組反電勢(shì)如圖8(a)、圖8(b)所示，從圖8(a)中可以看出，繞組磁鏈的正弦度較低。如果磁鏈?zhǔn)菄?yán)格的正弦波形，圖8(a)中的C相磁鏈在轉(zhuǎn)子位置為90°時(shí)應(yīng)為零，而仿真結(jié)果為0.1 Wb。圖8(b)中的反電勢(shì)正弦度較低，這是由該電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)造成的，可以通過(guò)采用轉(zhuǎn)子奇數(shù)極來(lái)改善正弦度［16］。電機(jī)定位力矩如圖8(c)所示，定位力矩的周期以機(jī)械角度表示為

式中:HCF(Ps，Pr)為取 Ps，Pr的最大公約數(shù);Ps為定子電樞齒數(shù);Pr為轉(zhuǎn)子極數(shù)，所以該電機(jī)的定位力矩的機(jī)械角度周期為15°。從圖中可以看出，由于沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，仿真定位力矩偏大，針對(duì)這一情況，可以采用定子斜槽，電機(jī)結(jié)構(gòu)、參數(shù)優(yōu)化，諧波電流注入法等一些方法來(lái)減小定位力矩［14］。

圖8 空載穩(wěn)態(tài)電磁特性Fig．8 Static characteristics of the HESRFSM excited by magnets alone at no-load

2.4 調(diào)磁性能分析

為了研究本文提出的電機(jī)調(diào)磁性能，首先定義kf為調(diào)磁系數(shù)，該系數(shù)定義為

式中:ΦHE為一相繞組中磁通總和;ΦPM為一相繞組中永磁體磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通;Φf為一相繞組中電勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通［18］。如果忽略絕緣、溫度和電流飽和的限制，kf可以取到零和負(fù)值。當(dāng)kf=0時(shí)，表示電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)方向相反，數(shù)值相等，電勵(lì)磁磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)抵消;當(dāng)kf為負(fù)值時(shí)，表示電勵(lì)磁磁場(chǎng)方向與永磁磁場(chǎng)方向相反，且前者數(shù)值大于后者。上述兩種情況都是理想狀況，而在實(shí)際電機(jī)運(yùn)行時(shí)，kf通常的取值范圍為［0，2］［18］。圖9為電機(jī)調(diào)磁性能仿真曲線，圖9(a)為永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁不同條件下的A相磁鏈，圖9(b)為永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁條不同件下的A相反電勢(shì)，在增磁狀況下，反電勢(shì)的負(fù)半周期的正弦度得到明顯地改善(圖中Fi為電勵(lì)磁磁勢(shì))。

圖9 電機(jī)調(diào)磁性能Fig．9 Field regulation capability of the HESRFSM by field windings

上述仿真分析驗(yàn)證了新拓?fù)潆姍C(jī)的調(diào)磁能力，在此再比較一下本文所提出的電機(jī)拓?fù)浜突旌蟿?lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)銲、混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)銲II3種電機(jī)的調(diào)磁特性。3種電機(jī)的尺寸、電磁參數(shù)為:混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)銲定子極數(shù)為12，外半徑為75 mm，定子齒寬為7.5°，定子磁極寬度為7.5°，導(dǎo)磁橋厚度為5.5 mm，轉(zhuǎn)子極數(shù)為10，轉(zhuǎn)子軸半徑為 12 mm，轉(zhuǎn)子極寬為 10.5°，轉(zhuǎn)子極高為8 mm，內(nèi)外徑之比為0.56，氣隙長(zhǎng)度為0.5 mm，勵(lì)磁繞組匝數(shù)為600，電樞繞組一相匝數(shù)為80;混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)拓?fù)銲II定子極數(shù)為6，導(dǎo)磁橋厚度為2 mm，其他參數(shù)均與電機(jī)I相同;本文所提出的電機(jī)拓?fù)涞亩ㄗ訕O數(shù)為6，勵(lì)磁繞組齒寬為22°，電樞繞組齒寬為8°，導(dǎo)磁橋厚度為1.5 mm，轉(zhuǎn)子極數(shù)為8，轉(zhuǎn)子極寬為40°，轉(zhuǎn)子有效極高為8 mm，其他參數(shù)與電機(jī)I、III均相同。

圖10為本文提出的電機(jī)磁鏈幅值隨導(dǎo)磁橋?qū)挾茸兓瘓D，為了兼顧磁鏈幅值和調(diào)磁特性，選擇導(dǎo)磁橋?qū)挾葹?.5 mm。圖11為3種電機(jī)的磁鏈幅值隨勵(lì)磁電流變化圖，圖12為3種電機(jī)調(diào)磁范圍隨磁橋?qū)挾茸兓瘓D(為便于將3種電機(jī)的對(duì)比畫(huà)在一起，對(duì)Motor II的橫坐標(biāo)進(jìn)行了壓縮，實(shí)際橫坐標(biāo)應(yīng)為圖中橫坐標(biāo)的兩倍)。電機(jī)I和電機(jī)II的永磁體采用切向充磁，聚磁效果明顯，但容易導(dǎo)致定子齒部導(dǎo)磁材料飽和，而且電勵(lì)磁路徑經(jīng)過(guò)永磁體，調(diào)磁范圍有限。而本文所提出的電機(jī)的永磁體則采用徑向充磁，雖然功率密度有所降低，但調(diào)磁范圍最寬，隨著勵(lì)磁安匝的增加，功率密度甚至可以和電機(jī) I的結(jié)構(gòu)保持同一水平。通過(guò)控制導(dǎo)磁橋?qū)挾群陀来朋w的配置，可以有效實(shí)現(xiàn)更寬范圍的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)和功率密度調(diào)節(jié)。

圖10 6/8結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)磁鏈幅值隨導(dǎo)磁橋?qū)挾茸兓瘓DFig．10 Variation of flux linkage amplitude with bridge length for the HESRFSM

圖11 3種電機(jī)的磁鏈幅值隨勵(lì)磁電流變化圖Fig．11 Variation of flux linkage amplitude with ampere-turn for the three topologies

圖12 3種電機(jī)的調(diào)磁范圍隨磁橋?qū)挾茸兓瘓DFig．12 Variation of flux modulation range with bridge length for the three topologies

3 結(jié)論

1)本文提出的電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用分塊式結(jié)構(gòu)，容錯(cuò)能力、高溫和高速適應(yīng)能力強(qiáng)，高速運(yùn)行時(shí)風(fēng)(油)阻和鐵心損耗低。由于采用混合勵(lì)磁方式，所以氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)較為方便，且永磁材料的引入可以提高發(fā)電的效率。

2)分析了混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理，利用有限元仿真分析了電機(jī)的永磁磁場(chǎng)分布，并且對(duì)電機(jī)的繞組自感和互感進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)分析和計(jì)算，得出該電機(jī)具有較強(qiáng)磁隔離能力和電機(jī)抑制短路電流能力。

3)利用有限元對(duì)混合勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)的電磁特性、電磁特性進(jìn)行了仿真分析，并且與另外兩種現(xiàn)有的混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)進(jìn)行了調(diào)磁特性比較。結(jié)果表明:該電機(jī)無(wú)論是增磁還是弱磁，都具有良好的性能，并且調(diào)磁能力強(qiáng)于文中比較的兩種電機(jī)。

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