混合勵(lì)磁軸向磁場(chǎng)磁通切換型永磁電機(jī)靜態(tài)特性

徐 妲 林明耀 付興賀 郝 立 張 蔚 趙紀(jì)龍

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2.江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鎮(zhèn)江 212009）

1 引言

永磁電機(jī)由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，無(wú)勵(lì)磁損耗，效率高且工作穩(wěn)定可靠，但磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難?；旌蟿?lì)磁電機(jī)是一種磁通可控型永磁電機(jī)，兼具永磁電機(jī)效率高和電勵(lì)磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)平滑可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于恒功率調(diào)速驅(qū)動(dòng)和恒壓發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出并研究了多種混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，包括磁極分割式[3,4]、爪極式[5,6]、組合轉(zhuǎn)子式[7]、并列結(jié)構(gòu)式[8,9]、轉(zhuǎn)子磁分路式[10]、永磁-感應(yīng)子式[11]等。這幾類(lèi)混合勵(lì)磁電機(jī)的永磁體均位于轉(zhuǎn)子上，屬于轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁電機(jī)。該類(lèi)永磁型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子散熱困難，較高的溫升可能引起永磁體不可逆退磁、電機(jī)出力減小等問(wèn)題。

磁通切換型永磁電機(jī)是一種定子永磁型電機(jī)，由法國(guó)學(xué)者E.Hoang 于1997 年提出[12]。該種電機(jī)定、轉(zhuǎn)子都采用雙凸極結(jié)構(gòu)，永磁體和繞組均置于定子上，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于散熱冷卻，機(jī)械強(qiáng)度高。目前的研究結(jié)果表明，這種電機(jī)具有體積小、工作可靠、功率密度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)[13,14]。磁通切換永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁方式，無(wú)法直接改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在電壓調(diào)整率大和故障滅磁困難的問(wèn)題，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)存在難以實(shí)現(xiàn)弱磁升速，恒功率運(yùn)行范圍窄等缺點(diǎn)。

混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)兼具磁通切換電機(jī)和混合勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小和方向調(diào)節(jié)氣隙磁通密度[15-18]。研究表明，文獻(xiàn)[15]中永磁體磁路容易通過(guò)勵(lì)磁繞組端部鐵心形成回路，電樞繞組匝鏈磁通較少，永磁體利用率不高。文獻(xiàn)[16]中電機(jī)電樞繞組和勵(lì)磁繞組存在重合，電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度較小?，F(xiàn)有關(guān)于混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的研究以徑向磁場(chǎng)電機(jī)為主。文獻(xiàn)[18]介紹了一種軸向磁通切換混合勵(lì)磁電機(jī)，該種電機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子、“H”形定子結(jié)構(gòu)，永磁體與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為串聯(lián)方式。

本文提出的HAFFSPM 電機(jī)是一種新型盤(pán)式混合勵(lì)磁電機(jī)，兼具了軸向磁場(chǎng)電機(jī)和混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，軸向長(zhǎng)度短、控制靈活，具有獨(dú)特的聚磁效應(yīng)，可以用相對(duì)較少的永磁材料獲得較高的氣隙磁通密度。該電機(jī)氣隙磁場(chǎng)可以平滑調(diào)節(jié)，弱磁擴(kuò)速能力較強(qiáng)，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可作節(jié)能驅(qū)動(dòng)使用，其寬調(diào)速特性可應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。

與前述混合勵(lì)磁電機(jī)相比，國(guó)內(nèi)對(duì)HAFFSPM電機(jī)的相關(guān)研究文獻(xiàn)還未有報(bào)道。本文以一臺(tái)三相12/11 極HAFFSPM 電機(jī)為例，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行原理，并基于有限元法研究該電機(jī)的靜態(tài)電磁特性，包括磁場(chǎng)分布、空載永磁磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、定位力矩、繞組電感和調(diào)磁特性等。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為三相12/11 極HAFFSPM 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表。該電機(jī)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的外定子和一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，定轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)。每個(gè)定子有6個(gè)“E”形導(dǎo)磁鐵心和6 塊沿切向充磁的永磁體交替放置。兩側(cè)定子上正對(duì)的永磁體充磁方向相反。電樞繞組和勵(lì)磁繞組均采用集中繞組，勵(lì)磁繞組繞于定子“E”形鐵心中間齒上。轉(zhuǎn)子與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似。轉(zhuǎn)子共有11個(gè)齒，均勻設(shè)置在非導(dǎo)磁圓環(huán)的外圓周上。轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于冷卻。

圖1 12/11 HAFFSPM 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of 12/11 HAFFSPM machine

表 HAFFSPM 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. Structure parameters of the HAFFSPM machine

該電機(jī)的磁場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)分布，由永磁體和直流勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子齒、氣隙、定子鐵心呈對(duì)稱(chēng)降落。

3 運(yùn)行原理

HAFFSPM 電機(jī)的磁通切換原理如圖2 所示。在圖2a 所示的轉(zhuǎn)子位置，永磁體產(chǎn)生的磁通沿著圖示箭頭的路徑穿入A1 繞組所在定子齒。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到圖2b 位置時(shí)，通過(guò)A1 繞組的永磁磁通在數(shù)量上保持不變，但穿行方向相反，為穿出A1 所在定子齒。在兩種不同轉(zhuǎn)子位置，A1 繞組兩端感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)，數(shù)值相同但極性相反。轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電樞繞組匝鏈的磁通不斷在正負(fù)最大值之間周期變化，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生幅值和相位交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

在永磁體提供磁動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)上，增設(shè)直流勵(lì)磁繞組可以有效調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小和分布。HAFFSPM 電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理如圖3 所示。圖3a 中，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通（虛線(xiàn)所示）與永磁體產(chǎn)生的磁通（實(shí)線(xiàn)所示）方向相同，共同穿入電樞繞組所在的定子齒，相對(duì)于永磁體的單獨(dú)作用，此時(shí)的電勵(lì)磁繞組起到了增磁作用；在相同轉(zhuǎn)子位置，改變勵(lì)磁電流方向，電勵(lì)磁磁通與永磁磁通方向相反，電勵(lì)磁起去磁作用，如圖3b 所示。同理，可得其他轉(zhuǎn)子位置下的混合勵(lì)磁原理。通過(guò)調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁電流的方向和大小，可改變勵(lì)磁磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電樞繞組磁鏈大小的調(diào)節(jié)，使得電機(jī)在寬廣的恒功率調(diào)速范圍運(yùn)行。

HAFFSPM 電機(jī)的勵(lì)磁繞組磁通與永磁磁通在磁路上為并聯(lián)，永磁體工作點(diǎn)受電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)的擾動(dòng)很小，可以有效避免不可逆退磁，保證了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

HAFFSPM 電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得每相永磁磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦分布，也即HAFFSPM電機(jī)可以等效為定子永磁式的永磁同步電機(jī)，采用正弦波電流供電實(shí)現(xiàn)電機(jī)的交流無(wú)刷運(yùn)行。根據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置，給電樞繞組施加同相位的正弦電樞電流，得到同方向的電磁轉(zhuǎn)矩，疊加三相轉(zhuǎn)矩得到合成的恒定轉(zhuǎn)矩。

圖2 磁通切換原理Fig.2 Principle of flux-switching

圖3 混合勵(lì)磁原理Fig.3 Principle of hybrid exciting

4 靜態(tài)特性

4.1 磁場(chǎng)分布

圖4 給出了電樞繞組開(kāi)路時(shí)，在兩個(gè)典型轉(zhuǎn)子位置僅由永磁體勵(lì)磁時(shí)的磁場(chǎng)分布。圖4a 中轉(zhuǎn)子齒與定子齒面重合，該定子齒對(duì)應(yīng)的電樞線(xiàn)圈中匝鏈的磁通最大。圖4b 中轉(zhuǎn)子齒與永磁體對(duì)齊，轉(zhuǎn)子齒與定子齒面稍有重疊，但與永磁體相鄰的兩個(gè)定子齒與轉(zhuǎn)子對(duì)稱(chēng)，線(xiàn)圈中匝鏈的磁通為零。

圖4 永磁磁場(chǎng)分布Fig.4 Magnetic field distributions excited by magnets

圖5是永磁體產(chǎn)生的空載氣隙磁通密度分布。因定轉(zhuǎn)子是雙凸極結(jié)構(gòu)，磁通密度波形不規(guī)則，諧波分量較大，聚磁效應(yīng)使永磁氣隙磁通密度峰值達(dá)1.5T。

圖5 氣隙磁通密度分布Fig.5 Air-gap flux density

4.2 空載永磁磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

HAFFSPM 電機(jī)電樞繞組每相共有4個(gè)線(xiàn)圈，每個(gè)定子上各兩個(gè)，同一定子徑向排布的A1 和A2對(duì)稱(chēng)。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)電周期的過(guò)程中，A1 和A2匝鏈的磁通近似正弦分布，如圖6a 所示。A1 和A2同屬于A相，滿(mǎn)足式（1），同樣地定子2 上的A1'和A2'匝鏈的磁通滿(mǎn)足式（2），每相繞組合成磁通與線(xiàn)圈磁通的關(guān)系滿(mǎn)足式（3）。由圖6 可知，疊加后的每相合成磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度較高，諧波含量較小。

圖6 永磁磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.6 PM flux and EMF

電機(jī)采用12/11 結(jié)構(gòu)，一個(gè)電周期對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度為360°/11=32.7°。

4.3 定位力矩

定位力矩是引起永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)主要因素。與轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)相比，雙凸極結(jié)構(gòu)的HAFFSPM 電機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是定位力矩偏大。圖7是根據(jù)磁共能差分法進(jìn)行有限元計(jì)算得到的定位力矩結(jié)果。初始時(shí)轉(zhuǎn)子齒寬與定子齒寬相等且轉(zhuǎn)子齒為平行齒形，定位力矩較大，將轉(zhuǎn)子齒寬優(yōu)化為初始齒寬1.2 倍且齒形為扇形，扇形角度為10°，有效地減小了定位力矩峰值。

圖7 定位力矩Fig.7 Cogging torque

4.4 繞組電感

本文采用磁鏈法分別計(jì)算電樞繞組和勵(lì)磁繞組電感。

4.4.1 電樞繞組電感

勵(lì)磁繞組不施加電流，當(dāng)一相電樞繞組通入直流電流時(shí)，繞組匝鏈的總磁鏈由永磁磁鏈和電樞反應(yīng)磁鏈組成。與電樞電流i 對(duì)應(yīng)的該相電樞繞組自感L 可表示為

式中 Na——電樞繞組匝數(shù)；

ψ——合成磁鏈；

ψm——永磁體產(chǎn)生的永磁磁鏈。

由于永磁體的作用，式（5）計(jì)算得的電感為飽和電感。一相電樞繞組通入電流，計(jì)算其他相繞組所匝鏈磁鏈的變化可以得到相繞組之間的互感。

圖8 電樞繞組單匝電感Fig.8 Inductance of armature winding

圖8 所示為電樞繞組的飽和自感和互感。由圖可見(jiàn)，電樞繞組電感與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。比較每相繞組的自感和互感可知，互感值約為自感值的1/4。不考慮漏磁時(shí)，進(jìn)入某一個(gè)線(xiàn)圈的磁通主要從相鄰的中間齒穿出，少部分從相鄰定子齒穿出。電樞繞組自感最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子齒與定子齒半重合的位置。

4.4.2 勵(lì)磁繞組電感

與電樞繞組相似，當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電流時(shí)，勵(lì)磁繞組合成磁鏈由永磁磁鏈和勵(lì)磁磁鏈組成。勵(lì)磁繞組的飽和自感及勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的互感如圖9 所示。由圖可見(jiàn)，由于勵(lì)磁繞組所在的中間齒作為主磁路一部分，勵(lì)磁繞組自感值較大。

圖9 勵(lì)磁繞組電感Fig.9 Inductance of field winding

4.5 調(diào)磁特性

勵(lì)磁繞組通入不同電流，電樞繞組匝鏈的磁通波形如圖10 所示。施加勵(lì)磁電流，繞組磁通變化明顯，調(diào)磁效果較好。通入增磁電流時(shí)，磁路飽和度增加，隨著勵(lì)磁電流的增加，磁通變化漸小，增磁效果有所減弱。

圖10 調(diào)磁特性Fig.10 Field control performance

5 結(jié)論

本文提出了一種HAFFSPM 電機(jī)，研究了其基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理，并基于三維有限元法，對(duì)HAFFSPM 電機(jī)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，主要包括磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、定位力矩、繞組電感和調(diào)磁特性等。計(jì)算和分析表明，HAFFSPM 電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻容易和調(diào)磁方便等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)高速恒功率和寬調(diào)速運(yùn)行。HAFFSPM 電機(jī)具有正弦度較高的磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，定位力矩小，適于交流無(wú)刷控制運(yùn)行。改變直流勵(lì)磁電流的方向和大小，可以有效地改變勵(lì)磁磁通的方向和大小，從而調(diào)節(jié)磁場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)磁通的雙向調(diào)節(jié)。本文的研究結(jié)果為HAFFSPM 電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)和控制策略的研究等奠定了基礎(chǔ)。

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