軸向磁通切換混合勵(lì)磁電機(jī)比較*

章 超， 陳 棟

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

0 引 言

稀土永磁電機(jī)是利用稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力制造的新型永磁電機(jī)[1]，其工作效率高、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。永磁材料產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)使永磁電機(jī)存在電壓難以調(diào)節(jié)和調(diào)速范圍窄等缺點(diǎn)，限制了其在恒壓發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。因此，通過(guò)電勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)永磁電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)的混合勵(lì)磁電機(jī)倍受關(guān)注[2,3]。

近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電、石油開(kāi)采、數(shù)控機(jī)床及電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)的興起，很多場(chǎng)合需要高效率、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī)。盤(pán)式結(jié)構(gòu)電機(jī)優(yōu)勢(shì)日益凸顯，軸向磁場(chǎng)電機(jī)的氣隙是平面的，氣隙磁通方向?yàn)檩S向。該類電機(jī)具有轉(zhuǎn)子鐵心利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸短、重量輕、體積小和散熱性好等優(yōu)點(diǎn)，可滿足在多對(duì)極條件下的低速運(yùn)行需要。

磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)的研究尚處于起步階段。法國(guó)學(xué)者E.Hoang提出了一種磁通切換型混合勵(lì)磁永磁電機(jī)，英國(guó)Sheffield大學(xué)ZHU Z Q教授等專家學(xué)者對(duì)該類電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得顯著成果[4-6]。國(guó)內(nèi)東南大學(xué)程明教授等也提出了新型磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并試制了樣機(jī)[7-9]。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)該類電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，特別是其混合勵(lì)磁的結(jié)構(gòu)方式?jīng)]有特定的研究，對(duì)該類電機(jī)設(shè)計(jì)研究缺少理論依據(jù)。

本文根據(jù)定、轉(zhuǎn)子之間的組合方式及勵(lì)磁繞組的布置方式提出兩種軸向磁通切換型混合勵(lì)磁(Axial Flux-Switching Hybrid Excitation, AFSHE)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)這兩種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了比較分析。結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作機(jī)理，基于有限元法研究得出兩種電機(jī)的空載電樞繞組磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和繞組電感等電磁特性。另外，對(duì)比兩種電機(jī)在相同勵(lì)磁電流下的調(diào)磁效果，分析出兩種電機(jī)的優(yōu)越性。選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)在恒壓發(fā)電和恒功率寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域可得到更好拓展，對(duì)該類電機(jī)的研究、推廣都有理論和實(shí)踐意義[10-12]。

1 AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)

為了克服單邊磁拉力，AFSHE電機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。兩個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)稱分布于電機(jī)定子兩側(cè)，通過(guò)軸承固定于電機(jī)端蓋上。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子齒和轉(zhuǎn)子磁軛兩部分組成，其中轉(zhuǎn)子齒周向均勻分布在轉(zhuǎn)子磁軛的表面。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子齒還起到風(fēng)扇的作用，有利于電機(jī)散熱、降低熱損、提高電機(jī)效率。電機(jī)定子由12個(gè)“H”型單元定子鐵心拼裝成圓形，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電樞繞組采用集中繞組，電樞繞組周向分布在由永磁體和勵(lì)磁繞組隔開(kāi)的相鄰單元定子槽中，永磁體交替切向充磁。串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示，串勵(lì)式AFSHE電機(jī)是將勵(lì)磁繞組直接纏繞在永磁體上，其永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)呈串聯(lián)狀態(tài)。在單元定子鐵心中間，永磁體切向充磁，勵(lì)磁繞組軸向纏繞在永磁體表面，在勵(lì)磁繞組中通入直流電產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，即可調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。

并勵(lì)式AFSHE電機(jī)則是將永磁磁路和電勵(lì)磁磁路設(shè)計(jì)為完全并列磁路。圖1(b)給出了兩部分完全并列的軸向磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，永磁體和勵(lì)磁繞組安置在單元定子鐵心中間，永磁體在勵(lì)磁繞組的下面，勵(lì)磁繞組則纏繞在勵(lì)磁鐵心柱上。電機(jī)定子鐵心由隔磁塊將其分為互不導(dǎo)磁的兩部分，形成并聯(lián)磁鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。由于永磁體產(chǎn)生的主磁通不經(jīng)過(guò)勵(lì)磁繞組，理論上該結(jié)構(gòu)可避免永磁體的退磁風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，串勵(lì)式AFSHE電機(jī)均采取永磁體上纏繞勵(lì)磁繞組，當(dāng)在電機(jī)工作時(shí)，由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致永磁體的溫度升高，從而使永磁體存在退磁的風(fēng)險(xiǎn)。此外，電勵(lì)磁磁路中包括永磁磁阻，為產(chǎn)生一定的電勵(lì)磁磁通，需要更多的勵(lì)磁匝數(shù)，導(dǎo)致勵(lì)磁損耗增加、發(fā)熱加劇、電機(jī)運(yùn)行效率進(jìn)一步降低。

然而，由于并勵(lì)式AFSHE電機(jī)采取并聯(lián)磁鏈?zhǔn)絼?lì)磁方式，即勵(lì)磁鐵心柱與定子鐵心構(gòu)成一個(gè)整體，當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電時(shí)，永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)相并聯(lián)。此種電機(jī)可避免永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)；另外，由于采用鐵心分層的結(jié)構(gòu)，可防止永磁磁鏈通過(guò)勵(lì)磁鐵心柱形成短路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。

2 電機(jī)磁路對(duì)比分析

串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)都具有磁通切換型電機(jī)的工作特點(diǎn)。磁通切換是指繞組里匝鏈的磁通根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置切換方向和數(shù)量，即改變正負(fù)極性和數(shù)值大小?；谠撛?，串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的磁通路徑分別如圖2和圖3所示。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，繞組里匝鏈的永磁磁通在正負(fù)最大值之間呈周期性變化。根據(jù)法拉第定律，繞組兩端產(chǎn)生幅值和相位交變的反電動(dòng)勢(shì)。

圖2 串勵(lì)式AFSHE電機(jī)的磁通路徑

圖3 并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的磁通路徑

AFSHE電機(jī)中存在永磁磁勢(shì)及電勵(lì)磁磁勢(shì)兩個(gè)磁勢(shì)源。當(dāng)勵(lì)磁電流>0時(shí)，電機(jī)合成氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈增多，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)增大。此時(shí)，勵(lì)磁電流對(duì)永磁體起增磁作用。同理，當(dāng)勵(lì)磁電流<0時(shí)，電機(jī)合成氣隙磁場(chǎng)被削弱，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈減少，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)減小。此時(shí)，勵(lì)磁電流對(duì)永磁體起弱磁作用。

結(jié)合串勵(lì)式AFSHE電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁通路徑，永磁磁通由永磁體N極出發(fā)，經(jīng)“H”型單元定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子磁軛、相鄰的轉(zhuǎn)子齒、氣隙、相鄰的“H”型單元定子鐵心，再回到永磁體S極。永磁磁通參與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，作為電機(jī)的主磁通。但由于串勵(lì)式電機(jī)的磁路為串聯(lián)磁路，當(dāng)電機(jī)通以直流勵(lì)磁電流時(shí)，其工作磁路與永磁體單獨(dú)工作時(shí)的磁路完全相同。作為混合勵(lì)磁電機(jī)，由永磁體和電勵(lì)磁共同提供磁勢(shì)源，串勵(lì)式電機(jī)的磁勢(shì)源由永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)串聯(lián)形成。串勵(lì)式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型如圖4所示。

圖4 串勵(lì)式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型

并勵(lì)式電機(jī)的主磁路與串勵(lì)式相同，但并勵(lì)式電機(jī)的磁路為并聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)電機(jī)通以直流勵(lì)磁電流時(shí)，其電勵(lì)磁磁路與永磁磁路完全獨(dú)立。并勵(lì)式結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁勢(shì)源由永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)并聯(lián)產(chǎn)生。氣隙中的總磁通為永磁體產(chǎn)生的磁通Φpm與電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁通Φe之和。并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型如圖5所示。

圖5 并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型

3 電磁特性及調(diào)磁特性

為比較串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)在相同情況下的電磁特性與調(diào)磁特性的差異，給兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)選取了相同的主要參數(shù)，如表1所示?；谟邢拊ǚ謩e計(jì)算兩種電機(jī)的空載磁通、反電勢(shì)和繞組電感等，并得出結(jié)論。

表1 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 空載磁通對(duì)比

通過(guò)有限元分析軟件Ansys12.0，得到了串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)在空載時(shí)電樞繞組磁通在一個(gè)電周期內(nèi)的變化規(guī)律。串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)空載磁通對(duì)比如圖6所示。從圖形中可看出兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通大體相同，在電樞中產(chǎn)生的反電勢(shì)也近乎相同。但串勵(lì)式采取了永磁體與電勵(lì)磁串聯(lián)的方式，使用永磁體材料比并勵(lì)式更多。出于對(duì)稀土材料價(jià)格、制造工藝和對(duì)溫度產(chǎn)生不可逆退磁方面的考慮，并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的優(yōu)越性更加突顯。

圖6 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)空載磁通對(duì)比

3.2 電感特性比較

繞組電感是衡量電機(jī)電磁特性的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過(guò)磁鏈法分別計(jì)算串勵(lì)式和并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的電樞繞組電感和勵(lì)磁繞組電感。

(1) 不加勵(lì)磁電流的情況下，加電樞電流，求電樞繞組的自感。以A相為例計(jì)算磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)電樞繞組的電感。向A相電樞繞組注入電樞直流電流IA時(shí)，A相電樞繞組產(chǎn)生由永磁磁鏈ψmA和電樞反應(yīng)磁鏈ψA共同作用下的合成磁鏈。由此，A相電樞繞組產(chǎn)生的自感LAA可表示為

式中：N——電樞繞組匝數(shù)；

φA——電樞電流與永磁體共同作用時(shí)通過(guò)A相繞組的磁通；

φmA——永磁體單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁通。

根據(jù)式(1)可得串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)電樞繞組A相自感曲線如圖7所示。

由圖7可知，串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)電樞繞組上的自感的呈現(xiàn)規(guī)律保持一致；在幅值上，并勵(lì)式AFHES電機(jī)略高于串勵(lì)式AFHES電機(jī)。

(2) 在不加電樞電流的情況下，加勵(lì)磁電流，求勵(lì)磁繞組的自感?？赏ㄟ^(guò)向勵(lì)磁繞組中注入直流電，得勵(lì)磁繞組自感為

(2)

式中：N——電樞繞組匝數(shù)；

φf(shuō)——?jiǎng)?lì)磁繞組與永磁體共同作用時(shí)通過(guò)勵(lì)磁繞組的磁通；

φmf——永磁體單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁通。

根據(jù)式(2)可得串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)勵(lì)磁繞組自感曲線，如圖8所示。

圖8 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)勵(lì)磁繞組自感曲線

對(duì)比串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)的勵(lì)磁繞組自感，兩者在一個(gè)電周期內(nèi)幾乎保持不變。但是在賦值上，并勵(lì)式AFHES電機(jī)明顯高于串勵(lì)式AFHES電機(jī)，這驗(yàn)證了兩種電機(jī)在調(diào)磁特性上存在差異。根據(jù)ψ=Li可知，當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，勵(lì)磁磁通與勵(lì)磁繞組自感成正比。綜上，并勵(lì)式電機(jī)的合成磁通大于串勵(lì)式，即調(diào)磁特性優(yōu)于串勵(lì)式AFSHE電機(jī)。

3.3 空載調(diào)磁特性

AFHES電機(jī)的空載調(diào)磁特性可定義： 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電樞繞組匝鏈磁鏈隨勵(lì)磁電流變化的規(guī)律，可作為衡量混合勵(lì)磁電機(jī)調(diào)磁效果的依據(jù)。對(duì)空載調(diào)磁特性有限元計(jì)算，得串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能，如圖9所示。由圖可知，兩種電機(jī)調(diào)磁效果都較明顯。并勵(lì)式電機(jī)的電感相對(duì)轉(zhuǎn)子位置的斜率明顯大于串勵(lì)式電機(jī)，并勵(lì)式電機(jī)的調(diào)磁效果優(yōu)于串勵(lì)式電機(jī)；但從調(diào)磁范圍來(lái)看，并勵(lì)式AFHES電機(jī)在勵(lì)磁電流為6A時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到飽和趨勢(shì)，而串勵(lì)式電機(jī)在-4～10A都呈現(xiàn)直線形式，處于不飽和狀態(tài)下。所以串勵(lì)式AFHES電機(jī)調(diào)磁范圍較并勵(lì)式電機(jī)來(lái)說(shuō)相對(duì)更寬。

圖9 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能

通過(guò)在串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)的勵(lì)磁繞組中施加直流電流，計(jì)算電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布規(guī)律，經(jīng)處理可得勵(lì)磁電流分別為-3、0、3A三種情況時(shí)的電樞繞組磁通和反電動(dòng)勢(shì)波形，分別如圖10和圖11所示。由圖可知，當(dāng)勵(lì)磁電流在-3～3A變化時(shí)，串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)的電樞線圈磁通皆會(huì)產(chǎn)生弱磁或者增磁的現(xiàn)象，無(wú)論是電樞磁通還是反電勢(shì)，并勵(lì)式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能更突出，電樞磁通變化更明顯，電機(jī)調(diào)磁效果更好。

圖10 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)在不同勵(lì)磁電流下電樞繞組的磁通

圖11 串勵(lì)式和并勵(lì)式AFHES電機(jī)在不同勵(lì)磁電流下反電勢(shì)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比分析了串勵(lì)式和并勵(lì)式軸向磁通切換型混合勵(lì)磁電機(jī)的特性，采用有限元方法分析了電機(jī)內(nèi)部空載三維磁場(chǎng)分布，比較分析了串勵(lì)式和并勵(lì)式電機(jī)的三相電樞繞組磁鏈在一個(gè)電周期內(nèi)變化規(guī)律。根據(jù)磁鏈法得到了電機(jī)的電樞繞組及勵(lì)磁繞組自感等參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置角變化的規(guī)律，并分析了電機(jī)的空載調(diào)磁特性。結(jié)果驗(yàn)證了并勵(lì)式電機(jī)的調(diào)磁效果優(yōu)于串勵(lì)式電機(jī)。通過(guò)對(duì)比分析表明，并勵(lì)式AFSHE電機(jī)的總體性能優(yōu)于串勵(lì)式AFSHE電機(jī)，且并勵(lì)式電機(jī)的實(shí)用性更高，對(duì)并勵(lì)式軸向切換型混合勵(lì)磁電機(jī)的研究具有科研價(jià)值。

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