混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)特性分析與試驗研究*

徐 妲, 林明耀, 付興賀, 郝 立, 趙紀(jì)龍

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)特性分析與試驗研究*

徐 妲, 林明耀, 付興賀, 郝 立, 趙紀(jì)龍

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

提出了一種適用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的E型鐵心混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁(HEAFFSPM)電機(jī)。以一臺三相6/10極電機(jī)為例，基于三維有限元方法全面研究該電機(jī)靜態(tài)特性，包括氣隙磁密、空載永磁磁鏈、空載反電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩-電流特性、繞組電感和磁場調(diào)節(jié)能力等；研究轉(zhuǎn)子齒扇形角度和轉(zhuǎn)子斜極對電機(jī)反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，分析表明轉(zhuǎn)子齒扇形和轉(zhuǎn)子斜極可以改善反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩波形。制造了一臺2 kW樣機(jī)并對其進(jìn)行測試，驗證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明HEAFFSPM電機(jī)的磁鏈和反電動勢均為正弦分布，帶載能力和磁場調(diào)節(jié)能力均較強(qiáng)。

混合勵磁；軸向磁場；磁通切換；有限元法

0 引 言

磁通切換型永磁電機(jī)是一種新型定子永磁式電機(jī)，由法國學(xué)者E. Hoang于1997年提出[1]。該電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，永磁體和繞組均置于定子上，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、易于冷卻、機(jī)械強(qiáng)度高。研究結(jié)果表明，該電機(jī)具有體積小、工作穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩密度高和效率高等優(yōu)點[2-7]。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者研究并提出了雙定子或雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)，并對該電機(jī)的靜態(tài)特性和齒槽轉(zhuǎn)矩抑制等進(jìn)行了研究[8-13]。軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)同樣具有磁通切換電機(jī)的優(yōu)點，而較短的軸向長度使得該電機(jī)更適用于直接驅(qū)動控制系統(tǒng)如風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等。

以上磁通切換永磁電機(jī)采用永磁體勵磁方式，永磁體用量較多，且無法直接改變磁場強(qiáng)度，作發(fā)電機(jī)運行時存在電壓調(diào)整率大和故障滅磁困難等問題，作電動機(jī)運行時存在難以實現(xiàn)弱磁升速、恒功率運行范圍窄等缺點。

為減小軸向磁場磁通切換型電機(jī)永磁體用量及擴(kuò)大其調(diào)速范圍， 文獻(xiàn)[14-17]提出了一種E型鐵心混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁(Hybrid Excited Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet,HEAFFSPM)電機(jī)，兼具了磁通切換電機(jī)和混合勵磁電機(jī)的優(yōu)點，采用了非重疊的電樞和勵磁繞組，可以用相對較少的永磁材料獲得較高的氣隙磁密。該電機(jī)氣隙磁場可以雙向平滑調(diào)節(jié)，弱磁擴(kuò)速能力較強(qiáng)，作電動機(jī)運行時可作節(jié)能驅(qū)動使用，其寬調(diào)速特性可應(yīng)用于電動汽車。

本文以一臺三相6/10極HEAFFSPM電機(jī)為例，基于三維有限元法分析該電機(jī)的電磁特性，包括氣隙磁場分布、空載永磁磁鏈、反電動勢、輸出轉(zhuǎn)矩、繞組電感和調(diào)磁特性等。在此基礎(chǔ)上研究轉(zhuǎn)子齒扇形角度和轉(zhuǎn)子斜極對反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩波形的影響。搭建樣機(jī)試驗平臺，進(jìn)行開路和帶載試驗以驗證有限元分析結(jié)果。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和初始設(shè)計

三相6/10極HEAFFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。該電機(jī)由兩個外定子和一個內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，每個定子由6個E型鐵心和6塊切向充磁的永磁體交替放置。電樞繞組和勵磁繞組均為集中繞組，電樞繞組繞于永磁體相鄰的兩個定子齒上，勵磁繞組繞于E型鐵心中間齒上。定子E型鐵心單元采用平行永磁平行槽扇形齒結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，與開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子相似，結(jié)構(gòu)簡單。

圖1 6/10極HEAFFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

HEAFFSPM電機(jī)定子外徑可根據(jù)式(1)計算[17]：

式中:ps、pr——定、轉(zhuǎn)子單元數(shù)；

ksio——定子內(nèi)、外徑之比，ksio=Dsi/Dso；

kd——電機(jī)漏磁系數(shù)；

kF——氣隙磁密分布系數(shù)；

As——內(nèi)徑處電負(fù)荷；

Bgmax——氣隙磁密峰值；

cs——定子極弧系數(shù)；

P2——電機(jī)輸出功率。

而HEAFFSPM電機(jī)的勵磁部分則采用等效磁路法進(jìn)行分析計算，勵磁方程可表示為

式中:Fdc——勵磁磁動勢；

Nf、If——勵磁繞組匝數(shù)和勵磁電流；

α——磁場調(diào)節(jié)系數(shù)；

hPM——永磁體磁化方向的厚度；

HC——永磁體矯頑力；

Φ0——永磁磁鏈幅值；

μ0、μr——真空磁導(dǎo)率、相對磁導(dǎo)率；

ls——定子軸向長度；

Scu——勵磁線圈截面積；

kp——槽滿率；

m——電樞繞組相數(shù)；

βslot——內(nèi)徑處定子槽寬角度；

kslot——定子槽深系數(shù)。

根據(jù)式(1)和式(2)可計算得HEAFFSPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，各設(shè)計參數(shù)標(biāo)示如圖1(b)所示。本文所研究的2 kW 6/10極HEAFFSPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 HEAFFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 靜態(tài)特性分析

2.1氣隙磁密

兩種負(fù)載情況下的氣隙磁場分布如圖2所示。由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)。氣隙圓周磁密不呈正弦分布，含有較多的諧波分量。聚磁效應(yīng)使得氣隙磁密峰值能達(dá)到1.5 T。與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密相比，電樞電流產(chǎn)生的氣隙磁場可以忽略，電樞反應(yīng)對永磁體去磁的影響幾乎可以忽略。

圖2 平均半徑處氣隙圓周磁密分布

2.2永磁磁鏈和反電動勢

初始設(shè)計參數(shù)下的HEAFFSPM電機(jī)三相空載磁鏈和三相反電動勢如圖3所示。由圖3可見，永磁磁鏈基本呈正弦分布，反電動勢波形正負(fù)半周略微不對稱，因此需要對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以獲得正弦的反電動勢波形。

圖3 永磁磁鏈和反電動勢

2.3齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩

HEAFFSPM電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4(a)所示。由于雙凸極結(jié)構(gòu)和聚磁效應(yīng)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動較大。圖4(b)給出了轉(zhuǎn)速600 r/min且電樞電流Ia=3.57 A時不同勵磁電流情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。由圖4可知，直流勵磁電流對電磁轉(zhuǎn)矩的脈動和平均值有較大的影響。與施加弱磁電流時相比，施加增磁電流時平均轉(zhuǎn)矩的變化值較小且轉(zhuǎn)矩脈動較低，此時電機(jī)鐵心較飽和。

圖4 轉(zhuǎn)矩特性

2.4電感特性

HEAFFSPM電機(jī)電樞繞組的自感和互感如圖5(a)所示。由于定子E型鐵心中間齒的隔離作用，電樞繞組的互感平均值約為自感值的1/4。圖5(b)中給出了勵磁繞組的自感Lff及電樞繞組和勵磁繞組之間的互感Maf。由于施加增磁電流時鐵心相對弱磁電流時飽和，勵磁繞組的增磁自感比弱磁自感小。勵磁繞組自感Lff在單個周期內(nèi)近似恒定，比電樞和勵磁繞組間的互感Maf大得多，這是因為勵磁繞組所在的E型鐵心中間齒是主磁路的一部分。

圖5 繞組電感

2.5調(diào)磁特性

6/10極HEAFFSPM電機(jī)不同勵磁電流情況下的電樞繞組匝鏈的磁通如圖6所示。由圖6可見，所施加的直流勵磁電流對相繞組磁通幅值有較大影響，使電機(jī)具有較大的調(diào)速范圍，同時提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。施加增磁電流時，電機(jī)磁路飽和度增加，隨著勵磁電流的增加，磁通變化漸小，增磁效果有所減弱。由于磁路飽和，所以施加增磁電流時磁通的變化量較施加弱磁電流時要小。

圖6 施加勵磁電流時的磁場調(diào)節(jié)特性

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文分析可知，初始設(shè)計結(jié)構(gòu)下6/10極HEAFFSPM電機(jī)的反電動勢諧波含量較大，且齒槽轉(zhuǎn)矩較大，需要對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?；谌S有限元方法，本節(jié)研究電機(jī)結(jié)構(gòu)對反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，如轉(zhuǎn)子齒扇形角度、轉(zhuǎn)子斜極等。

3.1轉(zhuǎn)子齒扇形角度

由圖1(b)可知，轉(zhuǎn)子齒面積隨轉(zhuǎn)子齒扇形角度θ變化而變化。圖7給出了電機(jī)反電動勢諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子扇形角度變化的波形。由圖7可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒扇形角θ為10°時，反電動勢諧波畸變率THD最低，與初始值相比減小了15%；當(dāng)轉(zhuǎn)子齒扇形角度θ為8°時，齒槽轉(zhuǎn)矩最小，與初始值相比減小了81.7%。通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子齒扇形角度，HEAFFSPM電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩可以大大減小，而電機(jī)的反電動勢仍存在較高的諧波畸變率，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 轉(zhuǎn)子齒扇形角度對反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

3.2轉(zhuǎn)子斜極

6/10極HEAFFSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始設(shè)計和斜極結(jié)構(gòu)的示意圖如圖8所示。HEAFFSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極時采用平行齒結(jié)構(gòu)，也即轉(zhuǎn)子齒扇形角度為0°。

圖8 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖9給出了電機(jī)反電動勢諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子斜極角度變化的波形。由圖9可見，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩均隨著轉(zhuǎn)子斜極角度的增加而減小，當(dāng)斜極角度增加至8°以上時，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩大幅增加。當(dāng)轉(zhuǎn)子斜極角度為7°時，轉(zhuǎn)子斜極結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)下的反電動勢與齒槽轉(zhuǎn)矩的波形比較如圖10所示。由圖10可知，轉(zhuǎn)子斜極后反電動勢波形得到改善，對稱性得到提高，諧波畸變率減小了26.9%；轉(zhuǎn)子斜極后的反電動勢幅值與初始結(jié)構(gòu)時幾乎相同。轉(zhuǎn)子斜極后齒槽轉(zhuǎn)矩有所減小，但轉(zhuǎn)子斜極后齒槽轉(zhuǎn)矩的平均值不再為零，此時齒槽轉(zhuǎn)矩對輸出轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生附加影響。若斜極角方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，齒槽轉(zhuǎn)矩的平均值為負(fù)值，如圖10(b)中所示，從而造成輸出轉(zhuǎn)矩平均值的減小。反之，斜極角方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反時，齒槽轉(zhuǎn)矩平均值為正，使輸出轉(zhuǎn)矩平均值增加。

圖9 轉(zhuǎn)子斜極角度對反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

圖10 轉(zhuǎn)子斜極與初始結(jié)構(gòu)的性能對比

4 試驗驗證

根據(jù)表1設(shè)計參數(shù)制造的三相2 kW 6/10極HEAFFSPM樣機(jī)如圖11所示。搭建HEAFFSPM電機(jī)試驗平臺，測試了樣機(jī)的相關(guān)特性。圖12給出了有限元分析和實測特性的比較，包括反電動勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、電樞繞組自感。實測結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致。電機(jī)弱磁調(diào)速特性、轉(zhuǎn)矩-電樞電流特性和轉(zhuǎn)矩-勵磁電流特性如圖13所示，測試結(jié)果顯示電機(jī)具有較好的帶載能力。施加增磁電流可以有效提高輸出轉(zhuǎn)矩，適用于低轉(zhuǎn)矩或低速工作區(qū)。電機(jī)高速運行時，采用恒轉(zhuǎn)矩和id=0控制策略，施加弱磁電流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以有效上升。

圖11 6/10極HEAFFSPM樣機(jī)圖

圖12 有限元分析與實測結(jié)果對比

圖13 實測弱磁調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩-電流特性

5 結(jié) 語

本文提出了一種三相6/10極E型鐵心HEAFFSPM電機(jī)，研究了其基本結(jié)構(gòu)、初始設(shè)計通用方程，并基于三維有限元方法，對6/10極HEAFFSPM電機(jī)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，主要包括氣隙磁密分布、空載磁鏈、反電動勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、繞組電感和調(diào)磁特性等。HEAFFSPM電機(jī)具有正弦度較高的磁通和感應(yīng)電勢波形，適于交流無刷控制運行。此外，還研究了轉(zhuǎn)子齒扇形角度和轉(zhuǎn)子斜極對電機(jī)反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。分析表明，采用轉(zhuǎn)子齒扇形可以改善反電動勢波形，有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩；采用轉(zhuǎn)子斜極結(jié)構(gòu)，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩分別減小26.9%和16.8%，而反電動勢幅值幾乎不變。電機(jī)靜態(tài)特性的樣機(jī)試驗結(jié)果與有限元結(jié)果一致，驗證了分析的準(zhǔn)確性。分析和試驗表明HEAFFSPM電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于冷卻和調(diào)磁方便等特點，帶載能力強(qiáng)，易于實現(xiàn)高速恒功率和寬調(diào)速運行。改變直流勵磁電流的方向和大小，可以有效地改變勵磁磁通的方向和大小，從而調(diào)節(jié)磁場分布，實現(xiàn)磁通的雙向調(diào)節(jié)。本文的研究結(jié)果為HEAFFSPM電機(jī)的分析、優(yōu)化和控制策略的研究等奠定了基礎(chǔ)。

[1] HOANG E, BEN-AHMED A H, LUCIDARME J. Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines[C]∥ 7th European Conference on Power Electronics and Applications,1997: 903-908.

[2] ZHU Z Q, PANG Y, HOWE D, et al. Analysis of electromagnetic performance of flux-switching permanent magnet machines by non-linear adaptive lumped parameter magnetic circuit model[J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(11): 4277-4287.

[3] ZHU Z Q, CHEN J T. Advanced flux-switching permanent magnet brushless machines[J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(6): 1447-1453.

[4] HUA W, CHENG M, ZHU Z Q, et al. Analysis and optimization of back-EMF waveform of a flux-switching permanent magnet motor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(3): 727-733.

[5] ZHU Z Q, ALANI M, LEE B, et al. Comparative study of the electromagnetic performance of switched flux permanent magnet machines[J].IET Electric Power Applications,2015,9(4): 297-306.

[6] XU W, ZHU J G, ZHANG Y C, et al. New axial laminated-structure flux-switching permanent magnet machine with 6/7 poles[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10): 2823-2826.

[7] 楊琳琳,全力,朱孝勇,等.新型定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的電磁性能分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2016,43(5): 33-37.

[8] LIN M Y, HAO L, LI X, et al. A novel axial field flux-switching permanent magnet wind power generator[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10): 4457-4460.

[9] HAO L, LIN M Y, DU D, et al. Static characteristics of a novel axial field flux-switching permanent magnet motor with three stator structures[J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(1): 1-4.

[10] HAO L, LIN M Y, LI W, et al. Novel dual-rotor axial field flux-switching permanent magnet machine[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(11): 4232-4235.

[11] ZHAO W L, LIPO T A, KWON B I. A novel dual-rotor, axial field, fault-tolerant flux-switching permanent magnet machine with high-torque performance[J].IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(11): 1-4.

[12] 郝立,林明耀,徐妲,等.軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩抑制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(2): 21-26.

[13] KABIR M A, AHMED A, HUSAIN I. Axial flux segmental rotor flux-switching synchronous motor[C]∥ IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),2015: 2148-2152.

[14] XU D, LIN M Y, FU X H, et al. Influence of rotor design parameters on static characteristics of a novel hybrid axial field flux-switching permanent magnet machine[C]∥ 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS),2014: 1096-1101.

[15] 徐妲,林明耀,付興賀,等.混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)靜態(tài)特性[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(2): 58-63.

[16] XU D, LIN M Y, FU X H, et al. Cogging torque reduction of a hybrid axial field flux-switching permanent-magnet machine with three methods[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2016,26(4): 1-5.

[17] XU D, LIN M Y, FU X H, et al. Design and analysis of a hybrid axial field flux-switching permanent magnet machine[C]∥ 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD),2015: 314-315.

PerformanceAnalysisandExperimentalStudyofaHybridExcitedAxialFieldFlux-SwitchingPermanentMagnetMachine*

XUDa,LINMingyao,FUXinghe,HAOLi,ZHAOJilong

(Department of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

An e-core hybrid excited axial field flux-switching permanent magnet (HEAFFSPM) machine, which was suitable for electrical vehicle drive, was developed. The electromagnetic performances of a 3-phase 6/10 stator/rotor-pole HEAFFSPM machine, including the air-gap flux density, the PM flux linkage, the back electromotive force (back-EMF), the electromagnetic torque, the torque-current characteristics, the winding inductances, and the field regulation capacity, were thoroughly investigated based on 3-D finite element method (FEM). The influences of the rotor pole shape angle and rotor pole skewing on the back-EMF and cogging torque were analyzed. It showed that the back-EMF could be improved and the cogging torque could be reduced with trapezoidal rotor pole shape and skewed rotor pole. A 2 kW prototype was built and tested, which validated the FEM analysis. Results showed that the HEAFFSPM machine exhibits the essentially sinusoidal phase flux linkage and back-EMF, good load-carrying capacity and flexible flux-regulation capacity.

hybridexcited;axialfield;flux-switching;finiteelementmethod(FEM)

國家自然科學(xué)基金項目(51277025，51577024);江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20161425)

徐 妲(1989—)，女，博士研究生，研究方向為永磁電機(jī)設(shè)計、分析。林明耀(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電機(jī)系統(tǒng)及其控制技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0100- 06

2017 -03 -14