一種12/10極模塊化定子混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)分析

丁 文 李 可 付海剛

一種12/10極模塊化定子混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)分析

丁 文 李 可 付海剛

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

為了提高傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（CSRM）的輸出轉(zhuǎn)矩、功率密度，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，該文提出一種新型的三相12/10極模塊化定子混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（MHSRM）。該電機(jī)定子由6個(gè)U型定子模塊組成，每個(gè)U型定子塊兩極之間的槽口處嵌入永磁體，每個(gè)定子塊構(gòu)成獨(dú)立的磁路，提高了電機(jī)的容錯(cuò)性，同時(shí)由于永磁體的加入，擁有更大輸出轉(zhuǎn)矩和功率密度。該文介紹MHSRM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理。為了驗(yàn)證該電機(jī)的良好性能，運(yùn)用有限元方法對(duì)相同結(jié)構(gòu)尺寸的MHSRM、CSRM和無(wú)永磁體的分塊定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的靜態(tài)電磁場(chǎng)和電磁特性進(jìn)行對(duì)比，并分析了永磁體對(duì)MHSRM電磁轉(zhuǎn)矩的影響。最后，制作相同尺寸的MHSRM和CSRM樣機(jī)各一臺(tái)，對(duì)兩種電機(jī)的靜態(tài)電磁特性、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并與6/5極結(jié)構(gòu)的MHSRM進(jìn)行部分性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元計(jì)算分析的正確性，證明MHSRM具有相對(duì)更好的電磁性能。

混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 模塊化定子 永磁體 電磁特性

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Machine, SRM）具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、成本低、可靠性高、調(diào)速范圍廣以及容錯(cuò)性較高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外工業(yè)界受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并逐步在家用電器、伺服系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高速電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、航空航天及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1-7]。但同時(shí)，傳統(tǒng)SRM（Conventional SRM, CSRM）也有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大和功率密度低等缺點(diǎn)。

為了解決這些問(wèn)題，提高CSRM的性能，人們將永磁材料（Permanent Magnet, PM）嵌入CSRM的定子中[8-24]，形成新的混合勵(lì)磁SRM（Hybrid- excitation SRM, HSRM）。這種新型電機(jī)既保留了CSRM的優(yōu)點(diǎn)，又將高性能稀土永磁材料應(yīng)用于電機(jī)之中，使得電機(jī)的磁場(chǎng)由線圈和永磁體混合勵(lì)磁產(chǎn)生，該電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩一部分來(lái)自原來(lái)的磁阻轉(zhuǎn)矩；另一部分來(lái)自新加入的永磁體的永磁轉(zhuǎn)矩，因此，相比于CSRM，HSRM的輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大，提高了電機(jī)的功率密度，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而在一定程度上克服了CSRM的缺點(diǎn)，這種新型電機(jī)在航空航天、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域具有顯著的研究和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外高校、科研院所及企業(yè)對(duì)HSRM開(kāi)展了大量的研究。

國(guó)外針對(duì)HSRM的研究主要集中于兩類(lèi)：一是在定子軛部安裝永磁體并加入輔助繞組；二是在定子槽口或定子極中安裝永磁體。文獻(xiàn)[8-16]的研究結(jié)果表明，相比普通SRM，這兩類(lèi)電機(jī)由于定子軛部或槽口加入了永磁體以及輔助繞組的作用，輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大，能量密度和轉(zhuǎn)矩密度明顯提高，同時(shí)效率也得到提高。國(guó)內(nèi)針對(duì)HSRM的研究主要集中于兩方面：其一是在定子槽口處安裝永磁體；其二是在定子齒上安裝永磁體。文獻(xiàn)[17-24]對(duì)這兩類(lèi)HSRM的工作原理、電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁路計(jì)算及電磁有限元分析、永磁體對(duì)電機(jī)性能的影響、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制等進(jìn)行了研究。這些結(jié)構(gòu)的HSRM也顯著增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出、功率密度等性能。

以上研究的HSRM都是在CSRM的基礎(chǔ)上加入永磁體實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然和CSRM類(lèi)似，定、轉(zhuǎn)子鐵心采用整片硅鋼片疊壓而成。文獻(xiàn)[25-26]提出了一種新的6/5極結(jié)構(gòu)的模塊化HSRM（Modular HSRM, MHSRM），定子由3個(gè)U型模塊鐵心構(gòu)成，在每個(gè)分塊定子鐵心兩齒之間的槽口嵌入永磁體，轉(zhuǎn)子有5個(gè)極，而不是常見(jiàn)的6/4極，相比于CSRM的電勵(lì)磁方式，該電機(jī)由電勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁共同作用。研究結(jié)果表明，新提出的MHSRM比同尺寸的CSRM擁有更強(qiáng)的容錯(cuò)性能、更大的功率輸出和更高的效率，但是該電機(jī)由于定、轉(zhuǎn)子極數(shù)比較少，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常大，轉(zhuǎn)矩密度也較低。

為了提高M(jìn)HSRM運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩密度并降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本文在文獻(xiàn)[25-26]的基礎(chǔ)上提出一種三相12/10極MHSRM，電機(jī)定子由6個(gè)U型分塊鐵心組成，在每個(gè)定子塊的槽口處嵌入永磁體。相比于CSRM，由于采用了分塊定子結(jié)構(gòu)，該電機(jī)所用硅鋼片材料更少、質(zhì)量更輕；該電機(jī)同樣由電勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁共同作用，擁有更大的轉(zhuǎn)矩輸出和功率密度以及更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文對(duì)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行介紹，采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法對(duì)該電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并與無(wú)永磁的分塊SRM（Segmented SRM, SSRM）和CSRM進(jìn)行對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，研制小功率MHSRM與CSRM樣機(jī)各一臺(tái)，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，與6/5結(jié)構(gòu)的MHSRM進(jìn)行部分性能對(duì)比，驗(yàn)證其運(yùn)行原理、電磁分析及仿真結(jié)果。

1 MHSRM的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

本文以三相12/10極MHSRM為例，對(duì)該類(lèi)電機(jī)的性能展開(kāi)分析研究，圖1所示即為MHSRM的定、轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，定子由6個(gè)U型完全相同的分塊鐵心構(gòu)成，在每個(gè)定子模塊的兩個(gè)定子極間的槽口處裝有永磁體，定子極上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組也沒(méi)有永磁體，兩個(gè)相對(duì)的定子塊上的4個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。永磁體N、S極和繞組電流的方向也如圖1中所示，其中，繞組“×”代表電流垂直流進(jìn)紙面。

與CSRM的工作原理一樣，MHSRM的工作原理也遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。MHSRM工作原理及磁通路徑如圖2所示。MHSRM具體工作原理如下。

圖2 MHSRM工作原理及磁通路徑

如圖2a所示，當(dāng)繞組中無(wú)電流時(shí)，永磁體所產(chǎn)生的磁通經(jīng)過(guò)定子塊的兩個(gè)定子極、定子軛和永磁體閉合，此時(shí)氣隙和轉(zhuǎn)子齒上沒(méi)有磁通，定、轉(zhuǎn)子極之間沒(méi)有磁拉力。當(dāng)繞組中通過(guò)較小的電流時(shí)，如圖2b所示，永磁體所產(chǎn)生的磁通分為兩部分：一部分經(jīng)過(guò)定子模塊鐵心（定子極上部和軛部），這部分磁通和繞組電流所產(chǎn)生的磁通會(huì)抵消一小部分；另一部分通過(guò)氣隙、轉(zhuǎn)子齒和永磁體閉合，此時(shí)氣隙和轉(zhuǎn)子齒上有繞組電流所產(chǎn)生的磁通和永磁體勵(lì)磁所產(chǎn)生的磁通，定、轉(zhuǎn)子極之間會(huì)產(chǎn)生有磁拉力。其中，內(nèi)圈虛線代表永磁體產(chǎn)生的磁通路徑，外圈虛線代表繞組電流產(chǎn)生的磁通路徑。

當(dāng)繞組中通過(guò)較大的電流時(shí)，如圖2c所示，永磁體所產(chǎn)生的試圖通過(guò)定子鐵心閉合的那一部分磁通被繞組電流所產(chǎn)生的磁通抵消，定子模塊鐵心中（定子極上部和軛部）的總磁通將會(huì)減小；永磁體所產(chǎn)生的另一部分磁通仍然通過(guò)氣隙、轉(zhuǎn)子齒和永磁體閉合，繞組電流所產(chǎn)生的磁通和永磁體所產(chǎn)生的磁通在氣隙和轉(zhuǎn)子齒上的方向一致，磁通增強(qiáng)，從而可以增大定、轉(zhuǎn)子極之間的磁拉力。

當(dāng)繞組所通電流流向和永磁體N、S極安裝方向中的一個(gè)與圖2a所示的不一致時(shí)，繞組電流所產(chǎn)生的磁通和永磁體所產(chǎn)生的磁通在定子模塊鐵心中形成閉合回路，定、轉(zhuǎn)子極之間沒(méi)有磁通，也就沒(méi)有磁拉力。

因此，當(dāng)按照?qǐng)D1和圖2中繞組電流方向通電和永磁體N、S極方向安裝時(shí)，MHSRM轉(zhuǎn)子極上所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向與永磁體的磁動(dòng)勢(shì)方向一致。這意味著，與CSRM繞組的通電方向可以隨意改變的特點(diǎn)不同，MHSRM的永磁體N、S極的安裝方向和繞組的通電方向有著嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)電機(jī)的永磁體安裝方向確定后，電機(jī)繞組的通電方向就被確定，不能隨意調(diào)整。此外，由圖2可以看出，MHSRM每個(gè)定子塊的磁路互相獨(dú)立，和其他相沒(méi)有耦合，因此，大大提高了電機(jī)的容錯(cuò)性和可靠性。

1.2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，MHSRM的第相電壓平衡方程為

由于相間互感極小，可以忽略不計(jì)，則MHSRM的第相磁鏈為

MHSRM的磁共能為

式中，W為第相磁共能；W,k、PM,k分別為第相電勵(lì)磁磁共能和永磁體磁共能。

根據(jù)虛位移法，通過(guò)磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置角求偏導(dǎo)可得MHSRM的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，T為第相電磁轉(zhuǎn)矩；T,k為第相電勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，即磁阻轉(zhuǎn)矩；PM,k為第相永磁體轉(zhuǎn)矩，即永磁轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩公式可以看出，MHSRM的電磁轉(zhuǎn)矩分為兩部分：①由通電繞組產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩；②由永磁體產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩。在普通SRM中，由于沒(méi)有永磁體，其電磁轉(zhuǎn)矩只是由通電繞組產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩一部分組成。而MHSRM的電磁轉(zhuǎn)矩不僅包含了由通電繞組產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，還包含了由永磁體產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩。因此與普通SRM相比，MHSRM能夠產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩。

2 與傳統(tǒng)SRM和分塊SRM的性能比較

為了驗(yàn)證本文提出的 MHSRM的性能并進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了不含永磁體的分塊定子SRM（Segmented SRM, SSRM）和相同結(jié)構(gòu)尺寸的CSRM各一臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，對(duì)三種電機(jī)的電磁特性和參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，三臺(tái)電機(jī)的電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。本文研究的電機(jī)雖然是一種模塊化的混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，但本質(zhì)上還是屬于SRM范疇。因此，本文電機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路是先根據(jù)傳統(tǒng)SRM的電磁設(shè)計(jì)方法[27]，獲得電機(jī)的主要尺寸參數(shù)，然后采用有限元的方法對(duì)關(guān)鍵參數(shù)，如定、轉(zhuǎn)子極弧，永磁體厚度等進(jìn)行有限元參數(shù)化分析，進(jìn)行性能比較后得到最終合適和相對(duì)優(yōu)化的MHSRM電磁結(jié)構(gòu)方案。從表1可以看出，MHSRM雖然添加了永磁體，但是電機(jī)總質(zhì)量仍然比CSRM低約10%。

圖3 其他兩臺(tái)SRM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 三種電機(jī)主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of three motors