磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

謝穎　華邦杰　黑亮聲　張曉明

摘 要：為了研究混合勵(lì)磁在磁齒輪復(fù)合電機(jī)上的應(yīng)用，依據(jù)磁通調(diào)制原理和混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，提出了一種磁通可調(diào)的磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)，建立了雙定子、中間轉(zhuǎn)子的電機(jī)結(jié)構(gòu)模型。該電機(jī)通過(guò)在外定子側(cè)引入直流勵(lì)磁，將磁通調(diào)制原理與混合勵(lì)磁2個(gè)概念相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩輸出以及磁通可調(diào)的雙重目的。以獲得較為平穩(wěn)的輸出轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，對(duì)電機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到電機(jī)參數(shù)對(duì)相關(guān)特征量的影響，確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)二維有限元方法計(jì)算了處于不同直流勵(lì)磁電流時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)分布、氣隙磁密、空載反電勢(shì)以及輸出轉(zhuǎn)矩等電機(jī)參數(shù)，驗(yàn)證了電機(jī)的工作原理，并得到直流勵(lì)磁對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)有明顯的調(diào)節(jié)作用，從而說(shuō)明了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁;磁通調(diào)制;串聯(lián)結(jié)構(gòu);復(fù)合電機(jī);有限元;參數(shù)優(yōu)化

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.006

中圖分類號(hào)：TM 341

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2020）09-0048-08

Design and research of series magnetic circuit hybrid excitation compound motor

XIE Ying， HUA Bang-jie， HEI Liang-sheng， ZHANG Xiao-ming

（College of Electrical & Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：

In order to study application of hybrid excitation in the magnetic gear composite motor， a series hybrid excitation composite motor with adjustable flux was proposed. Its based on the principle of flux modulation and hybrid excitation structure. The model of double stator and middle rotor was established. By introducing hybrid excitation on the outer stator， in this structure the principle of flux modulation was combined with the concept of hybrid excitation， which realizes the purposes of low speed， high torque and flux-adjustment. In order to obtain a more stable output torque， the relevant structural parameters of the motor were optimized. The influence of the motor parameters on the relevant characteristics was obtained， and the structural parameters of the motor were determined. The field distribution， air gap flux density， no-load back EMF and output torque of the motor with different DC excitation current were calculated by the two-dimensional finite element method， which verifies the working principle of the motor. The obvious adjustment function of DC excitation to the internal magnetic field of the motor was obtained， which shows the feasibility and rationality of the motor structure.

Keywords：hybrid excitation; flux-modulation; series; modulated ring; finite-element method; parameters optimization

0 引 言

近年來(lái)，隨著高性能稀土永磁材料的出現(xiàn)和不斷完善，以高效、高功率密度為顯著特征的永磁電機(jī)得到快速發(fā)展[1-2]，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防和日常生活中得以廣泛應(yīng)用，顯著地加快了我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，并有效地踐行了節(jié)能減排的基本國(guó)策。由于永磁材料的固有特性，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)基本保持不變，導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)與控制難以實(shí)現(xiàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)引起了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。

目前，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)有以下2種方案：記憶電機(jī)和混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，其中，記憶電機(jī)最早是在第36屆IEEE工業(yè)應(yīng)用會(huì)議上由德國(guó)學(xué)者提出[3]，采用的永磁材料是高剩磁、低矯頑力的鋁鎳鈷永磁體。該電機(jī)通過(guò)改變永磁體的磁化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，幾乎不產(chǎn)生額外的電勵(lì)磁損耗。然而，記憶電機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，技術(shù)尚不成熟，仍需進(jìn)一步研究。

相比之下，混合勵(lì)磁技術(shù)更為簡(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛，其在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，引入電勵(lì)磁部分，通過(guò)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)氣隙磁通的調(diào)節(jié)，并且調(diào)磁方便，得到了越來(lái)越多學(xué)者的重視，成為了電機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[4-7]?；旌蟿?lì)磁電機(jī)最早可追溯到上世紀(jì)80年代末，由美國(guó)學(xué)者提出，電機(jī)內(nèi)部同時(shí)存在永磁和電勵(lì)磁磁勢(shì)源，二者共同作用實(shí)現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換，是對(duì)單一勵(lì)磁方式的拓展[8]，具有較高研究?jī)r(jià)值。

依據(jù)直流勵(lì)磁和永磁體磁勢(shì)在等效磁路中的相對(duì)關(guān)系，混合勵(lì)磁電機(jī)可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型[9-10]。并聯(lián)型混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活多樣[11-13]，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工困難，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有：轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁電機(jī)、變磁極混合勵(lì)磁電機(jī)、磁通調(diào)制型混合勵(lì)磁電機(jī)、環(huán)形定子橫向磁通電機(jī)[14-17]等結(jié)構(gòu)。相比之下，傳統(tǒng)的串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁電機(jī)，是將直流勵(lì)磁繞組直接放在永磁體下方，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。然而，電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁勢(shì)經(jīng)過(guò)永磁體，永磁體磁阻較大，一定程度上影響了電機(jī)的調(diào)磁性能[18-19]。

近幾年，磁齒輪復(fù)合電機(jī)得到快速發(fā)展，為高轉(zhuǎn)矩密度直驅(qū)式電機(jī)提供了新的思路。該思想最早由英國(guó)學(xué)者D. Howe提出的磁場(chǎng)調(diào)制型同心式磁性齒輪[20]，不同于傳統(tǒng)的磁性齒輪，結(jié)構(gòu)上在內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間加了一個(gè)調(diào)磁環(huán)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子上所有永磁體都參與到轉(zhuǎn)矩傳遞，較傳統(tǒng)磁性齒輪，顯著地提高了永磁體利用率及輸出轉(zhuǎn)矩。國(guó)內(nèi)學(xué)者將外轉(zhuǎn)子高速無(wú)刷直流電機(jī)和磁齒輪結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩輸出，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，獲得更高的系統(tǒng)效率，但其有3層氣隙，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜[21]。浙大學(xué)者提出的磁齒輪復(fù)合電機(jī)依據(jù)同心式磁性齒輪，將其與同步電機(jī)相結(jié)合，即將磁場(chǎng)調(diào)制型同心式齒輪的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子用傳統(tǒng)的同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)代替，只具有兩層氣隙，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)[22]。文獻(xiàn)[23]提出的電動(dòng)汽車用直驅(qū)式輪轂電機(jī)，該電機(jī)通過(guò)定子齒實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的磁通調(diào)制，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，與永磁同步電機(jī)相比，降低了電機(jī)的體積和制造成本，提升了電機(jī)的調(diào)速范圍。

本文基于磁齒輪復(fù)合電機(jī)雙定子結(jié)構(gòu)提出了磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)，介紹了電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，分析了電機(jī)的工作原理，建立了二維有限元計(jì)算模型，研究了對(duì)電機(jī)性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了合理的參數(shù)值，最后結(jié)合了電勵(lì)磁部分對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算，驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文所提出的電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，主要由外定子、調(diào)磁環(huán)、內(nèi)定子、電樞繞組、永磁體、直流勵(lì)磁繞組等構(gòu)成。其中，直流勵(lì)磁繞組纏繞在與外定子永磁體相鄰的定子齒上，采用的是集中式繞組;永磁體結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)埋式，產(chǎn)生電機(jī)的主磁場(chǎng)，與直流勵(lì)磁繞組形成混合勵(lì)磁;電樞繞組放在內(nèi)定子的定子槽中;調(diào)磁環(huán)置于內(nèi)定子和外定子之間，通過(guò)氣隙隔開(kāi)。

該電機(jī)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在外定子結(jié)構(gòu)上，未采用傳統(tǒng)串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，而是將直流勵(lì)磁繞組纏附在永磁體相鄰的定子齒上，一方面減少了永磁體用量，另一方面簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使其便于加工制作。電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

本文提出的新型磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁電機(jī)將磁通調(diào)制原理和混合勵(lì)磁概念相結(jié)合。該電機(jī)與磁性齒輪在結(jié)構(gòu)上類似，都是采用雙層氣隙結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式不同，前者是通過(guò)電樞繞組產(chǎn)生，后者是通過(guò)帶有永磁體的高速轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。本文選取調(diào)磁環(huán)做轉(zhuǎn)子，電機(jī)電樞繞組中產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后在外氣隙中得到的諧波極對(duì)數(shù)pm，k可表示為

pm，k=|mp+kns|。（1）

式中：m=1，3，5，…，SymboleB@;k=0，±1，±2，±3，…，±∞;p為電樞繞組產(chǎn)生的磁極對(duì)數(shù);ns為調(diào)磁塊數(shù)。

經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后在電機(jī)的外氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生的空間諧波旋轉(zhuǎn)角速度為

Ωm，k=mpmp+knsΩr+knsmp+knsΩs。（2）

式中：Ωr為內(nèi)定子電樞繞組施加交流電源后形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度;Ωs為調(diào)磁環(huán)角速度。

當(dāng)m=1，k=-1時(shí)經(jīng)調(diào)磁塊的磁通調(diào)制作用后的氣隙諧波磁場(chǎng)最強(qiáng)，由式（1）可以得到外定子極對(duì)數(shù)為

pw=ns-p。（3）

選取調(diào)磁環(huán)做轉(zhuǎn)子，外定子不轉(zhuǎn)，即Ωm，k為0，由式（2）可得電樞磁場(chǎng)角速度Ωr與轉(zhuǎn)子角速度Ωs之間的轉(zhuǎn)速比為

Gr=-pns。（4）

在本文所提出的電機(jī)中，內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生的p對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后，在電機(jī)外氣隙中產(chǎn)生與外定子極對(duì)數(shù)相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其中，p=3，pw=16，ns=19，轉(zhuǎn)速比Gr=-3/19，負(fù)號(hào)表示二者轉(zhuǎn)向相反。

該電機(jī)在磁齒輪復(fù)合電機(jī)的基礎(chǔ)上，外定子側(cè)引入了直流勵(lì)磁。直流勵(lì)磁磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)在磁路上的相對(duì)關(guān)系為串聯(lián)型，如圖3所示。其中，F(xiàn)pm為永磁磁勢(shì)，F(xiàn)mf為電勵(lì)磁磁勢(shì)，Rpm為永磁體磁阻，Riron為鐵心磁阻，外部指氣隙、轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子部分。

從圖3中可以看出，新型磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)模型通過(guò)改變電勵(lì)磁磁勢(shì)，即改變通入的直流勵(lì)磁電流大小，來(lái)改變氣隙磁場(chǎng)。其中，永磁體磁勢(shì)Fpm提供主磁通，電勵(lì)磁磁勢(shì)Fmf用以調(diào)節(jié)。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文所提出的磁路串聯(lián)混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)，在不施加直流勵(lì)磁電流的情況下，實(shí)質(zhì)上為磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)。為了保證電機(jī)具有良好的輸出特性，需針對(duì)電機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)比較特殊，較傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)多了一個(gè)具有磁通調(diào)制作用的調(diào)磁環(huán)，在電機(jī)優(yōu)化過(guò)程中除了要考慮永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還需考慮調(diào)磁環(huán)尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響。本文借助有限元方法以轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)輸出為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合電機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 調(diào)磁環(huán)徑向高度優(yōu)化

調(diào)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括2個(gè)：調(diào)磁塊的徑向高度和周向?qū)挾?，并且這2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩性能有著較為明顯的影響。本文以調(diào)磁環(huán)徑向高度h為控制變量，在保證內(nèi)定子外徑、氣隙長(zhǎng)度以及外定子厚度不變的情況下，研究其對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩性能的影響。圖4為T隨h變化的關(guān)系曲線，其中h表示調(diào)磁環(huán)的徑向高度，T表示輸出轉(zhuǎn)矩。

從圖4中可知，在調(diào)磁環(huán)徑向高度h小于13 mm時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩線性遞增，大于13 mm時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩呈上下波動(dòng)，故本文選取13 mm為調(diào)磁環(huán)徑向高度。

2.2 調(diào)磁塊周向?qū)挾葍?yōu)化

調(diào)磁環(huán)主要由調(diào)磁塊和非導(dǎo)磁材料組成，如圖5所示，調(diào)磁塊和非導(dǎo)磁材料對(duì)應(yīng)的圓心角分別為θ1與θ2。調(diào)磁塊周向所占比例為

K=θ1θ1+θ2×100%。（5）

本文以調(diào)磁塊圓周方向所占的比例K為控制變量，保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，研究參數(shù)K對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T的影響。

由圖6可以看出，當(dāng)調(diào)磁塊所占的周向比例為0.45時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的峰峰值取得最小值，并且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩接近最大值，故調(diào)磁塊寬度比例K選取0.45。

2.3 永磁體徑向高度優(yōu)化

不同于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)，在磁齒輪復(fù)合電機(jī)中，隨著永磁體厚度的增加，即永磁材料磁化方向長(zhǎng)度的增加，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不是單調(diào)增加，由于永磁體厚度的增加，氣隙磁密增大，使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變大，與此同時(shí)在等效磁路中永磁體的磁阻也會(huì)隨之增大，使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，只有當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到最大值。圖7為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T隨永磁體高度hm的變化曲線。

由圖7中可以看出，在永磁體高度小于8 mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩受永磁體高度的影響比較明顯，而大于8 mm后，轉(zhuǎn)矩增加緩慢，并有下降趨勢(shì)，材料利用率降低，所以選定永磁體高度為8 mm。

2.4 永磁體極弧系數(shù)優(yōu)化

圖8為外定子的1/4模型，磁鋼表貼于外定子的內(nèi)側(cè)，定義纏繞直流勵(lì)磁繞組的定子齒為一個(gè)磁極，與永磁體共同作用在外氣隙磁場(chǎng)中構(gòu)成一對(duì)磁極。其中，θ1為直流勵(lì)磁繞組定子齒的周向?qū)挾?，?為直流勵(lì)磁繞組槽的周向?qū)挾?，?為永磁體的周向?qū)挾取?/p>

在保證外定子齒周向?qū)挾炔蛔兊那闆r下，本文選取的θ1為4.5°，研究永磁體的周向?qū)挾圈?對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。圖9中，左側(cè)縱坐標(biāo)軸所表示的物理量為輸出轉(zhuǎn)矩，右側(cè)縱坐標(biāo)軸為輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)率，其定義及計(jì)算方法將在3.3節(jié)中介紹。從圖中可知，輸出轉(zhuǎn)矩與永磁體的周向?qū)挾冉瞥删€性關(guān)系，并且轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)在永磁體的周向?qū)挾葹?.5°時(shí)取得極小值。

圖10為齒槽轉(zhuǎn)矩Tcog隨永磁體周向?qū)挾圈?的變化曲線。從圖10中可以看出，在永磁體寬度θ3為4°時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小值。綜上，當(dāng)永磁體的周向?qū)挾葹?.5°時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率最小，輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大，齒槽轉(zhuǎn)矩接近最小值，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出較為平穩(wěn)，故選此寬度為永磁體的周向?qū)挾?，?jì)算得極弧系數(shù)為0.4。

3 電磁性能分析

在對(duì)本文提出電機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，通過(guò)二維有限元方法分析了電勵(lì)磁部分的調(diào)磁性能，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)電磁計(jì)算。

3.1 磁場(chǎng)分析

圖11（a）、（b）、（c）為在加不同直流勵(lì)磁電流情況下，空載時(shí)電機(jī)某一時(shí)刻的磁力線分布圖、磁密云圖。其中-10 A表示直流勵(lì)磁繞組加10 A去磁電流，0表示直流勵(lì)磁繞組不加電流，10 A表示直流勵(lì)磁繞組加10 A增磁電流。從圖11中可以看出，空載時(shí)外定子磁力線經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后進(jìn)入到內(nèi)定子軛中，再由調(diào)磁環(huán)返回到外定子，形成一個(gè)閉合回路。同時(shí)，直流勵(lì)磁部分對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)有明顯的增強(qiáng)和削弱作用。

圖12為電機(jī)在施加不同直流勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)的徑向氣隙磁密波形以及諧波分析。從圖12（a）、（c）中可知，當(dāng)施加的直流勵(lì)磁電流不同時(shí)，內(nèi)外側(cè)徑向氣隙磁密的幅值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，表明直流勵(lì)磁部分對(duì)電機(jī)的內(nèi)、外側(cè)徑向氣隙磁密有明顯的增強(qiáng)和削弱作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)。

圖12（b）、（d）通過(guò)對(duì)徑向氣隙磁密傅里葉分解，易得外側(cè)徑向氣隙磁密中16對(duì)極諧波含量最大，與外定子磁極數(shù)相對(duì)應(yīng);內(nèi)側(cè)徑向氣隙磁密中3對(duì)極諧波含量最大，與內(nèi)定子上電樞繞組產(chǎn)生的3對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相吻合，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即外氣隙中的16對(duì)極磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后在內(nèi)氣隙中產(chǎn)生3對(duì)極磁場(chǎng)，符合磁通調(diào)制原理。

3.2 空載反電勢(shì)

空載反電勢(shì)是反映電機(jī)調(diào)磁能力的重要物理量。在電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為789.4 r/min情況下，選取A相空載反電勢(shì)為研究對(duì)象，分析電勵(lì)磁對(duì)空載反電勢(shì)的影響。圖13為當(dāng)直流勵(lì)磁繞組通10 A電流時(shí)，電機(jī)的空載反電勢(shì)波形。其中，永磁體表示永磁體部分單獨(dú)作用;電勵(lì)磁表示永磁體不充磁，直流勵(lì)磁繞組通入10 A電流單獨(dú)作用;二者共同勵(lì)磁表示永磁體和直流勵(lì)磁共同作用。

從圖13中可知，3種情況下A相空載反電勢(shì)波形相位相同，并由仿真計(jì)算得到電勵(lì)磁單獨(dú)作用、永磁體單獨(dú)作用和二者共同作用時(shí)對(duì)應(yīng)的空載反電勢(shì)幅值分別近似為78、249和327 V?？蛰d狀態(tài)下電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)不是很強(qiáng)，電機(jī)的磁路飽和現(xiàn)象可以忽略，最終得到電機(jī)的空載反電勢(shì)近似為永磁體和電勵(lì)磁產(chǎn)生的反電勢(shì)之和。綜上可得，本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)符合混合勵(lì)磁電機(jī)的工作原理。

圖14為直流勵(lì)磁繞組側(cè)通入-10、0、10 A電流的空載反電勢(shì)波形。由圖14可知，當(dāng)直流勵(lì)磁電流分別為-10、0和10 A時(shí)，并通過(guò)仿真計(jì)算得到空載反電勢(shì)幅值分別為169、249和327 V，即通過(guò)施加直流勵(lì)磁電流，空載反電勢(shì)幅值可實(shí)現(xiàn)169 V到327 V可調(diào)，并且處于不同直流勵(lì)磁狀態(tài)下電機(jī)的空載反電勢(shì)波形基本保持正弦，諧波含量少。

3.3 輸出轉(zhuǎn)矩分析

圖15為在電機(jī)轉(zhuǎn)速為789.4 r/min，電樞電流有效值為7 A，施加不同直流勵(lì)磁電流情況下對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

從圖15中可知，當(dāng)直流勵(lì)磁繞組分別施加-10、0、10 A直流電流時(shí)，經(jīng)仿真計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的平均輸出轉(zhuǎn)矩分別為32.7、47.64和61.36 N·m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩峰-峰值分別為1.15、1.5和2.37 N·m，按照計(jì)算公式（6）可得對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別為1.65%、1.65%和1.95%，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)輸出。

Tr=Tmax-TminTmax+Tmin×100%。（6）

式中：Tr為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);Tmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩;Tmin為最小電磁轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)磁路混合勵(lì)磁復(fù)合電機(jī)，闡述了其結(jié)構(gòu)及原理，通過(guò)有限元方法對(duì)電機(jī)性能有較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合電勵(lì)磁部分對(duì)電機(jī)的調(diào)磁性能進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)電機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究，得出在調(diào)磁環(huán)高度為13 mm，調(diào)磁塊周向?qū)挾人急壤秊?5%，外定子永磁體極弧系數(shù)為0.4，高度為8 mm時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)。

2）利用有限元方法對(duì)電機(jī)氣隙磁密進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了引入的電勵(lì)磁部分對(duì)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)有明顯的增強(qiáng)和削弱作用;通過(guò)對(duì)氣隙磁密傅里葉分解，驗(yàn)證了電機(jī)結(jié)構(gòu)符合磁通調(diào)制原理。

3）通過(guò)對(duì)電機(jī)空載反電勢(shì)分析，得到電機(jī)的空載反電勢(shì)為永磁體和電勵(lì)磁在電樞繞組上產(chǎn)生的反電勢(shì)之和，從而驗(yàn)證了混合勵(lì)磁的工作原理。此外，電勵(lì)磁電流在-10～10 A變化時(shí)，可實(shí)現(xiàn)空載反電勢(shì)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

4）當(dāng)電機(jī)輸入電流有效值為7 A，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為789 r/min，直流勵(lì)磁電流分別為-10、0和10 A時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，即當(dāng)電機(jī)發(fā)生突加或突降負(fù)載，電樞繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩不能滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，可通過(guò)直流勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩配合永磁轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

5）本文利用復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，在外定子側(cè)引入直流勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)了混合勵(lì)磁電機(jī)的無(wú)刷化并且調(diào)磁便捷。此外，輸出轉(zhuǎn)速為電樞磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的3/19，達(dá)到了低速大轉(zhuǎn)矩輸出的效果，可直接用于電動(dòng)汽車、傳送機(jī)、船舶等直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2018-06-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51977052）

作者簡(jiǎn)介：謝 穎（1974—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、振動(dòng)噪聲計(jì)算及感應(yīng)電機(jī)故障診斷及檢測(cè);

華邦杰（1994—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛旌蟿?lì)磁復(fù)合電機(jī)設(shè)計(jì);

黑亮聲（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇艌?chǎng)調(diào)制復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì);

張曉明（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦蛨?chǎng)調(diào)制電機(jī)的設(shè)計(jì)。

通信作者：謝 穎