混合勵磁磁通切換電機定子單元結構比較

許澤剛，　謝少軍

(1. 常州工學院 電氣工程系，江蘇 常州　213002；

2. 南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京　210016)

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混合勵磁磁通切換電機定子單元結構比較

許澤剛1，謝少軍2

(1. 常州工學院 電氣工程系，江蘇 常州213002；

2. 南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016)

摘要：混合勵磁磁通切換電機(FSHM)是一種新型可調(diào)磁的交流無刷電機，在航空航天、風力發(fā)電、電動汽車等領域具有潛在的應用前景。在綜合已公開FSHM電機定子單元結構特征的基礎上尋求可能存在的永磁體、電勵磁繞組和導磁磁橋的組合關系，按照永磁磁動勢、電勵磁磁動勢單獨與共同作用的激勵方式，基于有限元法對8種FSHM電機定子單元就初始磁密、磁鏈正弦度、調(diào)磁機理、調(diào)磁能力和發(fā)生不可逆退磁可能性等指標進行了比較，為科研與實際場合選用該類電機提供了參考。

關鍵詞：混合勵磁； 磁通切換； 定子單元結構； 有限元分析

0引言

永磁磁通切換[1-2](Flux-Switching Permanent Magnet, FSPM)電機的永磁體切向安置于定子側(cè)，易于散熱和冷卻；轉(zhuǎn)子上既無永磁體，也無繞組，結構簡單堅固，且具有磁鏈及反電動勢接近正弦分布，以及獨特的聚磁效應等優(yōu)點，在高可靠性和高功率密度場合具有潛在的應用前景。

針對永磁電機氣隙磁場難以調(diào)節(jié)的問題，法國學者Hoang提出了在FSPM電機定子外側(cè)增設勵磁繞組和導磁磁橋的混合勵磁磁通切換型(Flux Switching Hybrid Excitation Machine, FSHM)電機[3]，東南大學和韓國群山大學在維持經(jīng)典FSPM電機定轉(zhuǎn)子結構基本不變的基礎上，分別采用永磁體單側(cè)[4]及兩側(cè)[5]置入電勵磁線圈的方法，提出了無鐵心磁橋的FSHM電機；相較于Hoang提出的磁橋上置型方案，馬來西亞Tun Hussein Onn大學則將導磁磁橋設置于FSHM電機的勵磁繞組中部[6]；文獻[7-9]分別對12/11、12/13、12/14、6/5、6/7、6/8、18/21極結構FSHM電機進行了研究，豐富了FSHM電機的不同定轉(zhuǎn)子配合。為滿足混合動力車輛用驅(qū)動電機對高功率密度和寬轉(zhuǎn)速范圍運行的要求，文獻[10]提出了一種外轉(zhuǎn)子式12/10極FSHM輪箍電機。相對于結構較為特殊的并列式FSHM電機[11](永磁磁場與電勵磁磁場相互獨立)，徑向結構[3-10]、軸向結構[12]、直線結構[13]的定子單元結構相同，差別僅在于氣隙特征，而有無導磁磁橋、永磁體和導磁磁橋相對位置差異對初始氣隙磁密、調(diào)磁系數(shù)以及永磁體發(fā)生不可逆退磁影響的研究尚待深入。

本文綜合文獻已公開的永磁、電勵磁與磁橋基本組合關系，并在此基礎上尋求可能存在的相對位置調(diào)整，按照永磁磁動勢、電勵磁磁動勢分別單獨作用，以及永磁和電勵磁共同作用的激勵方式，采用有限元方法從空載磁場分布、徑向磁密、磁鏈波形、諧波含量和電樞反應等角度分析3種無橋式和5種橋式FSHM電機的電磁特性，評估永磁、電勵磁利用率以及發(fā)生不可逆退磁的可能性，提取定子單元磁路的基本特征，對該類電機的研究、推廣都有理論和實踐意義。

1FSHM 電機結構

無磁橋FSHM電機中，定子由分瓣“C”型導磁鐵心拼裝而成，永磁體依舊沿切向交替充磁，僅將永磁體徑向長度縮減，并在空出的位置安放直流勵磁繞組。由于直流勵磁繞組安置在定子側(cè)，因此無需滑環(huán)、電刷等換向裝置，系統(tǒng)的可靠性不受影響。以永磁體與勵磁繞組的相對位置來區(qū)分，圖1分別給出了“永磁體下置型”、“永磁體上置型”和“永磁體中置型”無磁橋FSHM電機。

區(qū)別于無磁橋FSHM電機，圖2中通過引入導磁磁橋?qū)⒎职甓ㄗ予F心連接為一整體，便于電機的加工和安裝定位。依據(jù)勵磁繞組與導磁磁橋相對位置的不同，本文分別定義為“磁橋下置型”、“磁橋上置型”和“磁橋中置型”磁橋式FSHM電機。

為便于比較無導磁磁橋、永磁體和導磁磁橋相對位置差異對電磁特性的影響，八種FSHM電機均基于主要結構參數(shù)如文獻[14]所示的FSPM電機，其中永磁體徑向?qū)挾韧{(diào)整為0.3wpm(wpm為定子內(nèi)外徑差)，另外從定子鐵心連接強度出發(fā)，導磁磁橋厚度取為0.1wpm。

圖1　無磁橋FSHM 電機定子單元

圖2　磁橋式FSHM 電機定子單元

2永磁體利用率

2.1無磁橋FSHM電機

圖3為3種無磁橋FSHM電機在定轉(zhuǎn)子齒重合面積最大位置，采用二維有限元靜態(tài)場計算得到的空載永磁磁力線分布圖。為比較方便，各磁場分布圖均選用相同的量程和分度。

圖3表明，雖然永磁體徑向?qū)挾认嗤?，但因其安放位置的差異，導致永磁磁力線閉合路徑發(fā)生改變。以點劃線所示磁力線為例，相較于“下置型”與“中置型”磁通均由兩塊串聯(lián)的永磁體提供磁動勢，“上置型”磁力線不經(jīng)過永磁體遠端電樞線圈，且僅由單塊永磁體提供磁動勢。對比結果顯示“上置型”永磁體自閉合分量最多(5條磁力線)，表明該方式永磁體利用率最低，“中置型”和“下置型”接近(2條磁力線)。相應圖4所示3種無磁橋FSHM電機初始氣隙磁密由大到小的排列為： “下置型”≈“中置型”>“上置型”，與磁力線分布圖反映的趨勢吻合。

圖3　無磁橋FSHM電機永磁磁力線分布圖

圖4　無磁橋FSHM電機永磁徑向磁密

2.2磁橋式FSHM電機

圖5給出了磁橋式FSHM電機的永磁磁場分布。由圖5可見，導磁磁橋位置的不同帶來定子鐵心飽和程度的差異，相應磁路也有所不同，其中“磁橋中置型”及“磁橋下置型”的永磁磁通路徑與“永磁體中置型”及“永磁體下置型”(無磁橋FSHM)相同，而“磁橋上置型”永磁磁通改經(jīng)PM3頂部導磁磁橋閉合；另一方面，磁橋式FSHM永磁主磁通均由兩塊串聯(lián)的永磁體提供磁動勢，且依舊具有“聚磁”效應[2]，有助于提高電機功率密度，或者永磁體材料可采用不含稀土元素及貴金屬的鐵氧體。

圖5　磁橋式FSHM電機永磁磁力線分布圖

由于引入的鐵心磁橋磁阻遠低于空氣磁阻，部分永磁磁通經(jīng)過導磁磁橋直接構成閉合回路，因此流經(jīng)應氣隙初始磁通、氣隙初始磁密和永磁體利用率都低于相同永磁磁動勢的無橋FSHM電機。5種磁橋式FSHM電機中，“磁橋下置型”[見圖5(a)]、“磁橋上置型2”[見圖5(c)]、“磁橋中置型2”[見圖5(e)]的導磁磁橋與永磁體緊鄰，與“磁橋上置型1”[見圖5(b)]和“磁橋中置型1”[見圖5(d)]相比，永磁體自閉和路徑更短，因此磁橋段鐵心飽和程度更高，意味著對自閉和磁通的阻塞效果尤為顯著，相應地，經(jīng)由磁橋分流的永磁磁通也較少。

圖6給出的磁橋式FSHM電機初始氣隙磁密計算結果顯示： 引入鐵心磁橋后，永磁初始氣隙磁密降為無橋FSHM電機的一半，歸因于磁橋的磁通分流作用；其次，“磁橋下置型”、“磁橋上置型2”、“磁橋中置型2”的磁密值相近，且明顯高于“磁橋上置型1”和“磁橋中置型1”，歸因于相對較高的磁橋磁阻對永磁磁通分流的抑制作用。

圖6　磁橋式FSHM電機永磁徑向磁密

3調(diào)磁機理及空載調(diào)磁特性

3.1電勵磁調(diào)磁機理

改變磁動勢或磁阻均能實現(xiàn)對氣隙磁通的控制，因此電勵磁調(diào)磁機理可以是電勵磁磁勢源直接對永磁磁勢源的弱磁或增磁作用，也可以利用鐵心材料的非線性特性，借由調(diào)整變主磁通回路的磁導率間接實現(xiàn)對電機主磁場的控制。須綜合運用以上兩種方法并結合調(diào)磁效果，提取定子單元磁路的基本特征，從而確定更具研究與應用價值的電機結構。

圖7、圖8分別給出了電勵磁磁勢源單獨作用下，無導磁磁橋及磁橋式FSHM電機的電勵磁磁場分布圖?？紤]到永磁體相對磁導率與空氣非常接近，將永磁體材料屬性直接設為空氣，同時為便于描述磁力線走向，仍以永磁體序號定位。

圖7　無磁橋FSHM電機電勵磁磁力線分布圖

以點劃線所示磁力線為例，雖然“永磁體下置型”[見圖7(a)]和“永磁體上置型”[見圖7(b)]的磁力線路徑相同，但“永磁體下置型”較“永磁體上置型”中的電勵磁線圈更靠近電機外側(cè)，由此電勵磁磁通分量更多地經(jīng)由PM2頂部空氣磁通管閉合，而空氣磁通管長度大于電勵磁線圈槽開口寬度，意味著等效磁阻相對更高，因此流經(jīng)凸極定轉(zhuǎn)子下總氣隙磁通較小。反映在圖9所示的電勵磁磁動勢單獨作用下的氣隙磁密中，“永磁體下置型”<“永磁體上置型”。電勵磁磁通閉合路徑還顯示： 相較于“永磁體下置型”和“永磁體上置型”磁通路徑僅包含單個電勵磁磁勢源，“永磁體中置型”[見圖7(c)]磁通回路包含兩個電勵磁磁勢源，但多穿越了一次電勵磁線圈槽開口寬度；此外，PM2兩端電勵磁線圈通入的電流方向相反，在PM2中的合成磁力線平行，依據(jù)上下線圈方向的不同，可對永磁磁動勢分別起增磁或去磁作用，但凸極定轉(zhuǎn)子間氣隙磁通存在相互抵消的現(xiàn)象，決定了“永磁體中置型”在3種無磁橋FSHM電機中的電勵磁磁密最低。

圖8　磁橋式FSHM電機電勵磁磁力線分布圖

圖9　無磁橋FSHM電機電勵磁徑向磁密

無磁橋“永磁體下置型”FSHM電機可視作“磁橋下置型”中磁橋厚度為零的特例。隨著磁橋厚度的增加，電勵磁磁力線逐漸由穿越氣隙改道導磁磁橋。當采用上述磁橋厚度，“磁橋下置型”[見圖8(a)]磁力線完全經(jīng)由勵磁線圈內(nèi)側(cè)的導磁磁橋閉合，而不穿越凸極定轉(zhuǎn)子間氣隙，即僅能通過改變定子鐵心磁阻實現(xiàn)對氣隙磁場的控制，故本文定義其為“間接調(diào)磁方式”。鑒于電勵磁磁力線需經(jīng)由永磁體及其頂端空氣磁通管閉合，因此其調(diào)磁范圍較小。此外，圖8還顯示，電勵磁磁力線經(jīng)由氣隙閉合的“磁橋上置型”和“磁橋中置型”FSHM電機同樣具有“聚磁”特性。

“磁橋上置型”[見圖8(b)、(c)]中，由于導磁磁橋的相對磁導率遠低于永磁體及其頂部的空氣磁通管，單個勵磁源激勵的主磁通完全經(jīng)由導磁磁橋閉合。“磁橋中置型”[見圖8(d)、(e)]的電勵磁磁通路徑則相對復雜，主磁通路徑按提供磁勢源數(shù)量可分為兩條，其中一條與“磁橋上置型”相同，僅包含單個電勵磁磁勢源；另外一條路徑包含兩個電勵磁磁勢源，但回路中多了空氣段磁阻，因此單就主磁通路徑包含勵磁源數(shù)量無法評判“磁橋上置型”與“磁橋中置型”結構的優(yōu)劣。進一步分析可知，“磁橋中置型”中定子內(nèi)側(cè)勵磁線圈單獨作用的機理接近于“磁橋上置型”，產(chǎn)生的磁通穿越定轉(zhuǎn)子氣隙，直接作用于氣隙磁通的控制，本文定義其為“直接調(diào)磁方式”；而外側(cè)勵磁線圈單獨作用的機理接近于“磁橋下置型”，同屬于“間接調(diào)磁方式”，僅能通過改變通路磁阻間接作用于氣隙磁通的控制。因此，外側(cè)勵磁線圈對調(diào)節(jié)氣隙磁場的貢獻不太顯著，更多是為定子內(nèi)側(cè)勵磁線圈提供電流閉合通路。

從數(shù)值上來看，“磁橋中置型”FSHM電機的電勵磁氣隙磁密約為“磁橋上置型”的一半(見圖10)，相當于僅有單側(cè)的勵磁線圈參與氣隙磁場調(diào)節(jié)，驗證了上述定子外側(cè)勵磁線圈更多起電流閉合作用的推斷。

圖10　磁橋式FSHM電機電勵磁徑向磁密

圖9和圖10對比結果顯示，在保證電勵磁電密不變的前提下，雖然引入導磁磁橋使得電勵磁安匝數(shù)略有降低，但磁橋式結構所能達到的電勵磁氣隙磁密約為無橋結構的兩倍(同取最大磁密比較)，表明引入導磁磁橋并選取適當?shù)陌卜盼恢?，可大幅拓寬電勵磁磁動勢對氣隙磁場的調(diào)節(jié)范圍。

3.2空載調(diào)磁特性分析

通過改變FSHM電機勵磁電流的大小和方向，即可實現(xiàn)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)與控制。圖11分別給出了永磁磁動勢單獨作用，以及Jexe=±11A/cm2的勵磁電流和永磁磁動勢共同作用下的無橋FSHM電機磁鏈波形。由于電勵磁磁力線經(jīng)由永磁體及其頂部空氣磁通管閉合，氣隙磁場的最大調(diào)節(jié)范圍僅為1.4倍(永磁體下置型)。其中“永磁體上置型”增磁與永磁磁鏈兩條曲線基本重疊，該現(xiàn)象可由圖7(b)得到合理的解釋，其主要原因在于大量的永磁體自閉合磁力線導致PM2右側(cè)定子齒飽和程度較高(有限元靜態(tài)場仿真結果顯示磁密接近1.8T)，即便圖9的對比數(shù)據(jù)表明電勵磁磁勢源單獨作用下的“永磁體上置型”氣隙磁密值最高，但調(diào)磁效果并不占優(yōu)。

圖11　無磁橋FSHM電機磁鏈波形

圖12給出了磁橋式FSHM電機的磁鏈波形，由圖12可知，無論工作在永磁磁勢源單獨勵磁，還是混合勵磁增磁或者去磁狀態(tài)，磁橋式FSHM電機磁鏈波形均接近正弦分布。頻譜分析結果顯示，最大諧波分量(5次諧波)與基波幅值比都不到1%，與無橋FSHM電機接近，表明引入導磁磁橋?qū)Υ沛溦叶然緵]有影響。同時圖12顯示，“磁橋上置型”所能提供的峰值磁通及調(diào)磁范圍最大，是磁橋式FSHM電機的首選方案。究其原因，主要在于“磁橋中置型”FSHM電機只有內(nèi)側(cè)勵磁線圈參與磁場調(diào)節(jié)，而“磁橋下置型”中電勵磁磁力線不穿越氣隙磁場，即僅存在“間接調(diào)磁方式”。

若定義電機調(diào)磁系數(shù)：

α=ΦgA+/ΦgA-

(1)

式中：ΦgA+、ΦgA-——增磁與去磁峰值磁通。

表1進一步給出了8種FSHM電機峰值磁通與調(diào)磁系數(shù)。由表1可知，如期望永磁體具有較高的利用率，“永磁體下置型”無橋FSHM電機是合適的選擇。磁橋式FSHM電機中，“磁橋上置型2”無論在初始磁密還是調(diào)磁范圍均稍占優(yōu)勢，但考慮到“磁橋上置型1”適于勵磁槽面積的擴展，因此該結構電機更具研究價值。

表1　FSHM電機峰值磁通與調(diào)磁系數(shù)對比

圖12　磁橋式FSHM電機磁鏈波形

4電樞反應

由于永磁體的相對磁導率與空氣接近，因此3種無磁橋FSHM的電樞反應磁場分布圖和徑向磁密基本相同。圖13為A相繞組通入Ja=7A/mm2直流電流對應的電樞反應磁場分布圖。

圖13　無磁橋FSHM電機電樞反應磁場

由圖13可見，電樞反應磁力線分別經(jīng)由電樞繞組槽開口和永磁體閉合，空氣與永磁體材料的特性使得電樞反應回路的磁阻較大，電樞反應峰值磁密約為0.45T，數(shù)值上不到初始徑向磁密的一半，顯示電樞反應被有效抑制。

同理，圖14給出了相同電樞電流下磁橋式FSHM電機的電樞反應磁場分布圖。由于磁橋的磁阻遠小于永磁體材料，意味著電樞反應磁力線不再穿越永磁體，降低了對永磁體工作點的影響和由此產(chǎn)生不可逆退磁的風險。這也是引入磁橋的一個顯著優(yōu)點。相應地，引入磁橋減小了電樞反應回路磁阻，電樞反應峰值磁密高達1.25T，較無磁橋FSHM電機大幅上升。

圖14　磁橋式FSHM電機電樞反應磁場

5結語

本文就有無導磁磁橋以及永磁體和導磁磁橋的安放位置，依據(jù)永磁磁勢源單獨作用、電勵磁磁勢源單獨作用、永磁磁勢源和電勵磁磁勢源共同作用3種狀態(tài)，分別針對磁場分布、氣隙磁密、相繞組磁鏈和電樞反應磁場進行了對比研究。分析結果顯示：

(1) 有無導磁磁橋、導磁磁橋設置位置的差異基本不影響FSHM電機的聚磁效應及磁鏈的正弦性。

(2) 引入導磁磁橋后，雖然降低了永磁體利用率，但有助于大幅拓寬氣隙磁場調(diào)節(jié)范圍；另外，電樞反應加劇，但電樞反應磁力線不再穿越永磁體，降低了對永磁體工作點的影響和由此產(chǎn)生不可逆退磁的風險。

(3) 如期望永磁體具有較高的利用率，“永磁體下置型”無磁橋FSHM電機具有優(yōu)勢。

(4) 如期望較大的調(diào)磁范圍，具有直接調(diào)磁特征的“磁橋上置型1”FSHM電機在初始磁密及調(diào)磁范圍性能方面位居前列，且勵磁槽面積可依據(jù)調(diào)磁范圍要求做適度調(diào)整，具有較強的競爭力。

【參 考 文 獻】

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Comparative Study on Stator Cell Construction of Flux-Switching

Hybrid Excitation Machine

XUZegang1,XIEShaojun2

(1. School of Electric Engineering, Changzhou Institute of technology,

Changzhou, 213002, China; 2. College of Automation, Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Flux-switching hybrid excitation machine(FSHM) is an interesting brushless machine with the superiority of field adjustable, which exhibits the potential in the applications of aerospace engineering, wind power systems and hybrid electric vehicles. In consideration of key difference lying in with or without magnetic bridge, the relative position of permanent magnet, fielding windings, bypass magnetic bridge, eight kinds of stator configurations were considered. According to single or combined effect of permanent magnet and electro-magnetic magnetomotive force, the properties of the initial flux density, sinusoidal distortion, regulating coefficient and armature reaction versus were investigated based on the finite element method. It provided reference for the structure selection and development of the class hybrid excitation machine.

Key words：hybrid excitation; flux-switching; stator cell structure; finite element analysis

收稿日期：2015-10-22

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)12- 0023- 08

通訊作者：許澤剛