一種外繞組結(jié)構(gòu)的磁通切換永磁電機設計

潘秋萍，劉成成，張 萍

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州450052;2.河北工業(yè)大學，天津300401)

0 引 言

磁通切換永磁電機［1］(以下簡稱FSPM 電機)是一種基于磁通切換原理的特殊的定子永磁同步電機。在如圖1 所示的一臺三相12/10 極FSPM 電機的拓撲結(jié)構(gòu)圖中可以觀察到，F(xiàn)SPM 電機的轉(zhuǎn)子部分是凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，并且也沒有永磁體，它的結(jié)構(gòu)簡單。我們把一塊“U”形的導磁鐵心和一片永磁體所組成的部分稱之為一個“單元”，那么其定子部分就是由12 個單元依次組裝構(gòu)成。在每一個“U”型導磁鐵心的槽中，并排放置著2 個集中繞組線圈，共12 個線圈，這12 個線圈又分為3 相，每四個線圈為一相，圖1 中，A1 ～A4 四個線圈為A 相。每一個線圈都橫跨在兩個定子齒上，線圈的中間有一塊永磁體，這種設計使轉(zhuǎn)子齒在同一個繞組線圈下，與兩個相鄰的不同定子齒分別對齊時，繞組線圈的磁鏈極性會對應不同。圖2 是電機定子展開圖。

圖1 一臺三相12/10 極FSPM 電機結(jié)構(gòu)

圖2 電機定子展開圖

磁通切換永磁電機基于磁通切換原理，上文提到，F(xiàn)SPM 電機獨特的設計使轉(zhuǎn)子齒在同一個線圈繞組下，與兩個相鄰的不同定子齒分別對齊時，繞組線圈的磁鏈極性會對應不同。不僅如此，繞組的磁鏈數(shù)值大小也會發(fā)生改變。即FSPM 電機的繞組磁通依據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置改變正負極性和幅值。在一個FSPM 電機的電周期內(nèi)，繞組磁通大小從最大降到最小，方向從進入繞組到穿出繞組(或者相反，繞組磁通從繞組穿出再進入)。繞組磁通始終是沿著磁阻最小的路徑閉合，這可以由磁阻最小原理得到。圖3 分別展示了磁通穿出和進入繞組的兩種不同路徑。若轉(zhuǎn)子位置如圖3(a)所示，由永磁體所產(chǎn)生的磁通會從定子齒穿出，再進入到相對齊的轉(zhuǎn)子極中，形成閉合路徑。當定子繞組開路時，兩端就能感應得到一定數(shù)值大小的反電動勢;若轉(zhuǎn)子位置如圖3(b)所示時，永磁體所產(chǎn)生的磁通數(shù)值大小不變，但是形成的閉合路徑對繞組而言是相反的，磁通穿出轉(zhuǎn)子極，進入到與之相對齊的定子齒中。這兩種情況下，感應電動勢的幅度相同，極性相反。因此，當轉(zhuǎn)子在圖3(a)、圖3(b)中的兩個位置間運動時，繞組的磁通就會在正負最大值之間周期性地變化。由法拉第定律可知，繞組兩端的反電動勢也會呈周期性變化，上述過程就是常見的“磁通切換”原理。

有限元分析結(jié)果表明FSPM 電機的每相磁鏈接近正弦分布，圖4 中，假設每相理想空載永磁磁鏈成正弦分布。相應地，繞組內(nèi)的感應反電動勢也將呈正弦分布。若在每相繞組上施加與反電動勢同相位的正弦電流i，該電流為電樞電流，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是同方向的，將A、B、C 三相的轉(zhuǎn)矩疊加得到合成的轉(zhuǎn)矩，而且該合成轉(zhuǎn)矩是恒定的，為一個常數(shù)，與轉(zhuǎn)子的位置無關。

圖4 每相永磁磁鏈、反電動勢和電樞電流的理想波形

由于FSPM 電機的結(jié)構(gòu)特殊，氣隙磁密可以達到很高，定轉(zhuǎn)子齒部磁密飽和。磁通密度飽和使得定子轉(zhuǎn)子鐵心的磁心損耗變得嚴重;另一方面，由于定轉(zhuǎn)子的極端部處于飽和狀態(tài)，過多的高性能永磁體安裝在定子上，并未有效起到增加氣隙磁通密度的作用，還增加了電機的成本。因此，如何合理設計磁通切換永磁電機，采用適當?shù)挠来挪牧?，提高電機的性價比是一個挑戰(zhàn)。目前很多研究FSPM 電機的學者主要研究其不同的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其性能，如研究多齒結(jié)構(gòu)、多相結(jié)構(gòu)、混合激磁結(jié)構(gòu)等［2－5］。在電機本體基本不變的情況下很多文獻研究了電機的定轉(zhuǎn)子齒部寬度變化，不同的定轉(zhuǎn)子齒型，不同的永磁體的寬度、分段永磁體結(jié)構(gòu)下對電機性能的影響［6－13］。

本文提出一種新的設計思路。常規(guī)的FSPM 電機中，定子繞組只能安裝在電機的定子槽內(nèi)，外繞組結(jié)構(gòu)的FSPM 電機將定子繞組繞制在電機定子磁軛部分。這種繞組的安放方法從理論上帶來三個好處:一是將有超過一倍的面積來安裝定子繞組;二是在定子軛部的外側(cè)安裝定子繞組將使得電機的散熱問題更易于解決;三是由于電機定子軛部的長度可以設計得比定子的齒部寬度短;會使得定子端部繞組的電阻值小。但是另一方面，由于定子繞組是繞跨在定子軛部，將使得穿越定子繞組的有效磁鏈會有所減小，從而帶來一些不利因素。本文便設計了一臺外繞組型FSPM 電機，并對其進行分析研究。

1 電機結(jié)構(gòu)

1.1 輸出功率

電機的輸出功率P2可以表示:

其中:

將式(2)～式(4)代入式(1)可得:

式中:η 為電機效率;P1為輸入功率;m 是電機相數(shù);T 為周期;e(t)為一相繞組反電動勢的第i 次諧波分量;i(t)為電感元件流過的電流;Im為電樞電流幅值;Em為定子側(cè)繞組反電動勢的峰值;Nph為每相繞組匝數(shù);ωr為電機機械角頻率;pr為轉(zhuǎn)子極數(shù);Φm為永磁磁通;kd為電機漏磁系數(shù);Bgmax為空載氣隙永磁磁密峰值;la為電機軸長;Dsi為電機定子內(nèi)徑;ps為定子齒數(shù)(槽數(shù));cs為定子齒寬的極弧系數(shù);Aslot為定子上安放一個線圈的槽面積;Jmax為電流密度;Kc為定子槽利用系數(shù)。

顯然，功率方程主要由電流密度、氣隙永磁磁密峰值、定子內(nèi)徑、電機軸長、定子槽面積等決定。其中功率與定子槽面積成正比，與傳統(tǒng)FSPM 電機相比，外繞組FSPM 電機中放置定子繞組的槽面積增加了很多，同時增加了繞組匝數(shù)，從而有效提高電機的輸出功率。

1.2 主要參數(shù)

本文設計研究的外繞組FSPM 電機主要參數(shù)如表1 所示。

表1 12/10 外繞組FSPM 電機的主要參數(shù)

續(xù) 表

2 2D 有限元分析

本文對設計的外繞組FSPM 電機做了仿真實驗，采用Ansoft LLC 分別進行了靜態(tài)磁場分析及瞬態(tài)磁場分析，實驗結(jié)果如下。

2.1 靜態(tài)磁場分析

如圖5 所示，通過對磁力線的分布圖分析可以明顯看出，外繞組FSPM 電機的有效磁鏈絕大部分是通過電機的定子軛部，而繞組的有效磁鏈是通過定子齒部的磁鏈減去從相鄰定子齒部的穿出和穿入的磁力線。故從理論上分析在該電機中將繞組安裝在定子軛部是在電磁性能分析上是可行的。

圖5 外繞組FSPM 電機磁力線分布圖

圖6 為外繞組FSPM 電機的靜磁場磁密分布圖。通過分析可以看出，該電機的磁通密度的最大值集中在定子和轉(zhuǎn)子齒部的端角處，并且電機的磁密均在正常范圍內(nèi)，故屬于合理設計。

圖6 外繞組FSPM 電機磁場磁密分布

圖7 是外繞組FSPM 電機的空載氣隙磁密。在外繞組FSPM 電機的定子內(nèi)外徑之比較小的情況下，使用N35 永磁體可以使電機的氣隙最高飽和磁密達到2.0 T 左右，發(fā)揮了FSPM 電機的聚磁特點。

圖7 外繞組FSPM 電機空載氣隙磁密

2.2 瞬態(tài)磁場分析以及傳統(tǒng)與外繞組FSPM 電機的比較

外繞組FSPM 電機中放置定子繞組的槽面積增加了很多，增加了繞組匝數(shù)。傳統(tǒng)FSPM 電機的繞組匝數(shù)是45，外繞組FSPM 電機的毎相繞組匝數(shù)是90。對兩種電機的磁鏈和感應電動勢進行比較，比較結(jié)果如下。

圖8 是兩種FSPM 電機的磁鏈波形。與傳統(tǒng)FSPM 電機的磁鏈波形一樣，外繞組FSPM 電機的磁鏈同樣保持高度正弦。

圖8 兩種電機的磁鏈波形

如圖9 所示，外繞組FSPM 電機的感應電動勢波形中含有多次諧波，在仿真中發(fā)現(xiàn)，可以對定轉(zhuǎn)子齒寬進行優(yōu)化，使感應電動勢保持正弦，這也是今后工作的重點。

圖10 是兩種FSPM 電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，可以看出它們是相同的。

圖11 是外繞組FSPM 電機的扭矩和鐵耗。由圖11 可以得到，外繞組FSPM 電機的扭矩平均值約22.4 N·m，外繞組FSPM 電機的鐵損pcore約50 W。在圖8(a)中可得到該外繞組FSPM 的磁鏈周期為5 ms，則磁鏈頻率為200 Hz，轉(zhuǎn)子速度等于磁鏈的速度比轉(zhuǎn)子的極數(shù)，為1 200 r/min。根據(jù)式(6)，可得該電機的輸出功率是2 800 W。

電機的效率η 如下:

式中:機械損耗pmech一般取為輸出功率的1% 或1.5%，本文取1.5%。銅損pcopper的計算公式如下:

3 結(jié) 語

實驗中兩種FSPM 電機的主要尺寸是相同的，從兩種電機的磁鏈和感應電動勢可以看出，外繞組FSPM 電機的磁鏈比傳統(tǒng)FSPM 電機高1.15 倍，外繞組FSPM 電機的感應電動勢是傳統(tǒng)FSPM 電機的1.28 倍。

雖然外繞組FSPM 電機的磁鏈和感應電動勢的優(yōu)越性不是很大，但是它的散熱性比傳統(tǒng)FSPM 電機好，因此，外繞組FSPM 電機的電流密度可以設計得比傳統(tǒng)的FSPM 大，外繞組FSPM 電機可以比傳統(tǒng)FSPM 電機表現(xiàn)得更好。

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