雙L型導(dǎo)磁塊對開關(guān)磁鏈電機最大調(diào)磁性能影響與分析

劉 旭， 段 蓉， 趙 強

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室， 河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300130； 2. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室， 河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300130)

1 引言

由于輸出轉(zhuǎn)矩大、運行效率高，永磁電機[1-3]廣泛應(yīng)用于新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)。其中，開關(guān)磁鏈永磁 (Switched-Flux Permanent-Magnet, SFPM)電機作為一類定子型永磁電機[4]，定子繞組與永磁體均位于定子上且永磁體內(nèi)嵌于定子齒中，運行時電樞磁鏈與永磁磁鏈并聯(lián)使電機具有良好的抗退磁能力。與開關(guān)磁阻電機類似，SFPM電機采用結(jié)構(gòu)簡單的凸極轉(zhuǎn)子，穩(wěn)定性好、散熱能力強[5]。然而，由于電機采用永磁體勵磁，受恒定磁動勢的影響氣隙磁場不易調(diào)節(jié)。

目前，大部分開關(guān)磁鏈電機采用弱磁控制來拓寬調(diào)速范圍，即控制直軸電流產(chǎn)生弱磁磁動勢削弱電機永磁磁場，但額外施加的直軸電流降低了電機效率，最大轉(zhuǎn)速受逆變器額定輸出電壓以及電流的限制，調(diào)速范圍有限[6-9]。

為進一步提高電機的調(diào)速能力，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列新型電機拓撲，如混合勵磁結(jié)構(gòu)、變定子繞組結(jié)構(gòu)、機械調(diào)磁結(jié)構(gòu)以及記憶電機等。其中，機械調(diào)磁電機通過改變電機的永磁磁鏈實現(xiàn)電機高速弱磁[10-15]。文獻[14]提出了一種利用離心力帶動永磁體旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電機內(nèi)部磁場自動調(diào)節(jié)的機械弱磁裝置，但由于該裝置位于電機轉(zhuǎn)子上，高速運行時電機的機械可靠性低。通過在SFPM電機定子徑向外圍增設(shè)導(dǎo)磁塊，文獻[15]提出了磁通調(diào)節(jié)開關(guān)磁鏈永磁(Flux-Adjustable Switched-Flux Permanent-Magnet, FASFPM)電機，利用導(dǎo)磁塊(Flux Adjuster，F(xiàn)A)在定子外側(cè)建立漏磁路拓寬了電機的調(diào)速范圍，但該電機在恒功率區(qū)電磁轉(zhuǎn)矩低，同時FA徑向厚度過大導(dǎo)致電機定子外徑增加。

因此，本文在FASFPM電機的基礎(chǔ)上提出一種雙L型導(dǎo)磁塊應(yīng)用于SFPM電機，通過在定子軛部和端部產(chǎn)生短路磁路，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)永磁磁鏈的效果。通過分析雙L型導(dǎo)磁塊(L-Flux Adjuster，L-FA)放置時電機的機械弱磁原理，建立雙L型磁通可調(diào)開關(guān)磁鏈電機(Double L-Flux Adjuster Switched-Flux Permanent-Magnet, DL-FASFPM)磁路模型研究電機最大轉(zhuǎn)速與永磁磁鏈以及直軸電感之間的關(guān)系。利用Maxwell建立電機模型，計算雙L型導(dǎo)磁塊放置前后電機永磁磁鏈、電感以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線等電磁特性，并進行實驗驗證雙L型導(dǎo)磁塊的有效性。

2 DL-FASFPM電機拓撲

使用雙L型導(dǎo)磁塊的SFPM電機拓撲如圖1所示，由一組雙L型導(dǎo)磁塊和12/10 SFPM電機兩部分構(gòu)成，圖1(a)為FASFPM電機拓撲，導(dǎo)磁塊僅位于電機定子軛部并與定子齒對齊。在SFPM電機的端部和軛部放置雙L型導(dǎo)磁塊構(gòu)成DL-FASFPM電機，如圖1(b)所示。單個定子結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，L型導(dǎo)磁塊從兩端沿軸向插入，放置于電機定子上對電機永磁磁鏈進行調(diào)節(jié)。

圖1 FASFPM與DL-FASFPM電機拓撲Fig.1 Topology of FASFPM and DL-FASFPM machine

分析雙L型導(dǎo)磁塊對SFPM電機磁場影響，使用三維有限元建立電機模型。電機參數(shù)見表1。

表1 FASFPM、DL-FASFPM電機參數(shù)Tab.1 Parameters of FASFPM, DL-FASFPM machine

3 DL-FASFPM電機調(diào)速原理

忽略磁滯、渦流損耗以及飽和效應(yīng)的情況下，SFPM電機在d-q坐標系下的電壓方程如下：

(1)

(2)

式中，Ud、Uq、id、iq、Ld、Lq分別為電機直軸與交軸下電壓、電流和電感分量；ωe、ψm分別為電機轉(zhuǎn)速、永磁磁鏈；Rs為定子繞組電阻。當(dāng)電機運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時，電機輸出電壓隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，電壓升高到變頻器最大輸出電壓Umax。為繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，且保證電機的恒功率運行，電機將進入弱磁工作狀態(tài)，電機最大轉(zhuǎn)速由式(3)可得：

(3)

由式(3)可知，在滿足電壓與電流限制的同時，可通過減小永磁磁鏈、增大電機直軸電感的方式提高電機最大轉(zhuǎn)速。

圖2為開關(guān)磁鏈永磁電機中導(dǎo)磁塊的調(diào)磁原理圖。如圖2(a)所示，在電機外側(cè)放置導(dǎo)磁塊，永磁磁鏈通過定子外軛部流經(jīng)導(dǎo)磁塊構(gòu)成徑向自回路，這一部分磁通并不參與電機電磁能量轉(zhuǎn)換，永磁磁鏈幅值降低。

由于SFPM電機軸長相對較短，且永磁體置于定子位置，使得該電機徑向磁通密度沿軸向方向有明顯衰減，端部效應(yīng)顯著[16]。如圖2(b)所示，與徑向調(diào)磁類似，定子端部放置導(dǎo)磁塊增大軸向上漏磁，擴大端部效應(yīng)削弱電機永磁磁場。

圖2 導(dǎo)磁塊調(diào)磁原理圖Fig.2 Principle of flux-adjusters

本文在徑向與軸向上同時設(shè)置導(dǎo)磁塊構(gòu)成雙L型導(dǎo)磁塊，如圖1(c)所示。當(dāng)電機需要弱磁運行時，將兩個L型導(dǎo)磁塊從兩端沿軸向插入，實現(xiàn)電機的機械弱磁。圖3為永磁磁鏈隨著雙L型導(dǎo)磁塊插入時的變化曲線。隨著導(dǎo)磁塊插入，電機永磁磁鏈減小，且雙L型導(dǎo)磁塊行程大于等于60%之后，永磁磁鏈變化率明顯增加，這是因為端部部分開始參與機械弱磁。當(dāng)導(dǎo)磁塊完全插入時，電機的永磁磁鏈達到最小值，此時SFPM電機永磁磁鏈最小。

圖3 不同導(dǎo)磁塊位置下SFPM電機的永磁磁鏈Fig.3 Permanent magnet flux-linkage at different positions of double L-FA

電機的弱磁能力[11]可由弱磁系數(shù)Kfw表示為：

(4)

式中，imax為逆變器所能輸出的最大電流。由于電機弱磁系數(shù)與永磁磁鏈成反比，為研究雙L型導(dǎo)磁塊對SFPM電機最大調(diào)磁性能的影響，本文對雙L型導(dǎo)磁塊完全插入后的電機電磁性能進行分析。忽略電機飽和效應(yīng)后得到的1/4電機磁路模型如圖4所示。

圖4 機械調(diào)磁開關(guān)磁鏈永磁電機磁路圖Fig.4 Simplified circuit of mechanical variable flux SFPM machine

圖4中，F(xiàn)m、Rm以及Rmol分別為電機永磁磁動勢、永磁磁阻以及漏磁阻；Fw1和Fw2為電機相鄰相的繞組磁動勢；Rbl、Rbr、Ral、Rcl及Rcr分別為三相定子齒部磁路的等效磁阻。通過對簡化磁路模型進行分析，電機A相繞組磁鏈如式(5)所示，N為電機繞組匝數(shù)，電機磁鏈與漏磁磁阻呈正相關(guān)，即隨漏磁磁阻減小，永磁磁鏈幅值降低。

(5)

同理，如式(6)所示，電機d軸電感只與繞組匝數(shù)N和各部分磁路磁阻有關(guān)，隨著電機漏磁路磁阻減小，d軸電感增大。

(6)

定子外側(cè)與端部的漏磁磁阻可由導(dǎo)磁塊徑向和軸向磁阻近似表示，分別為RσR、RσA。對于使用雙L型導(dǎo)磁塊的SFPM電機，定子漏磁磁阻可由導(dǎo)磁塊徑向和軸向兩并聯(lián)磁阻近似表示為：

(7)

因此，在不計及磁路飽和的情況下，雙L型導(dǎo)磁塊同時增大了電機定子端部與徑向的漏磁，在降低電機永磁磁鏈的同時增加了直軸電感，提高了電機的調(diào)磁性能。

4 雙L型導(dǎo)磁塊對SFPM電機電磁性能影響

雙L型導(dǎo)磁塊的引入，在SFPM電機外圍徑向與軸向上均建立了短路磁路，減小了電機的永磁磁鏈。為進一步研究該模塊對SFPM電機的影響，利用有限元軟件對電機的部分電磁性能進行分析。

圖5為空載狀態(tài)下A相繞組匝鏈的磁鏈波形。與常規(guī)SFPM電機相同，使用雙L型導(dǎo)磁塊后，電機相繞組匝鏈的磁鏈波形有很好的正弦度。與常規(guī)SFPM電機相比，磁鏈幅值下降為常規(guī)開關(guān)磁鏈電機幅值的64.6%，有效降低了電機繞組匝鏈磁鏈的幅值，實現(xiàn)了電機氣隙磁場的削弱。

圖5 DL-FASFPM、SFPM的A相空載永磁磁鏈(n=400 r/min)Fig.5 Flux-linkage of phase A in SFPM，DL-FASFPM machine (n=400 r/min)

圖6為電機A相空載反電動勢及其傅里葉分析結(jié)果。由于使用雙L型導(dǎo)磁塊后永磁磁鏈減小，電機空載反電動勢幅值為原SFPM電機的63.34%。此外，電機反電動勢波形的正弦度變差，電機的總諧波含量為7.12%，高于常規(guī)SFPM電機的4.31%，其中，5次諧波含量最高，約占1.67%。

圖6 DL-FASFPM、SFPM的A相空載反電動勢與傅里葉分析結(jié)果(n=400 r/min)Fig.6 Back electromotive force and result of FFT analysis of phase A in SFPM and DL-FASFPM machine (n=400 r/min)

圖7為施加額定電流時的電機齒槽及電磁轉(zhuǎn)矩波形。相較于SFPM電機，由于雙L型導(dǎo)磁塊短路了大量永磁磁鏈，減小了電機徑向氣隙磁通密度，使用雙L型導(dǎo)磁塊后，電機的平均轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩均大幅下降，平均轉(zhuǎn)矩約為原來的68%。在圖6中，可以看到使用雙L型導(dǎo)磁塊后電機的空載反電動勢中含有較大的高次諧波分量，使電機反電動勢波形產(chǎn)生畸變，影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)矩脈動增加了10.5%。

圖7 DL-FASFPM、SFPM的齒槽轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩(Id=0 A，Iq=15 A)Fig.7 Cogging torque and electromagnetic torque of SFPM and DL-FASFPM machine(Id=0 A，Iq=15 A)

電機在負載運行時，電樞電流在周圍空間中激發(fā)磁場，會對電機磁路產(chǎn)生影響。圖8為計及飽和與交叉耦合情況下，電機的d、q軸電感隨電樞繞組輸入交軸電流Iq與直軸電流Id的變化曲線，由于SFPM電機對飽和與交叉耦合均不敏感，圖8(a)中電機電感隨電流并沒有明顯變化。而使用雙L型導(dǎo)磁塊后，電機軸向上增加了端部部分，部分永磁磁鏈經(jīng)過電機定子分別與導(dǎo)磁塊端部與軛部形成軸向與徑向回路。

圖8 d-q軸電感隨電流的變化情況(n=400 r/min)Fig.8 d-q axis inductance changes with current(n=400 r/min)

如圖9虛線所示，定子鐵心端部與靠近永磁體的雙L型導(dǎo)磁塊部分局部磁場較強，易發(fā)生磁飽和。在圖8(b)中，隨著q軸電流的增加，使用雙L型導(dǎo)磁塊后電機d、q軸電感略有下降，Iq=15 A時電機的d軸電感約為空載時的98%，因此，盡管雙L型導(dǎo)磁塊的插入會對電機磁路產(chǎn)生影響，但影響程度相對有限。

圖9 DL-FASFPM電機定子與雙L型導(dǎo)磁塊的磁飽和現(xiàn)象Fig.9 Magnetic saturation at stator and double L-FA of DL-FASFPM machine

雙L型導(dǎo)磁塊插入前后電機鐵心損耗隨轉(zhuǎn)速變化的波形如圖10所示。鐵耗與電機頻率呈正相關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速的升高電機鐵耗增加。在相同的運行環(huán)境下，電機磁通密度幅值越大，電機鐵耗越大，由于雙L型導(dǎo)磁塊的插入，極大地削弱了氣隙磁場，電機鐵耗下降。

圖10 SFPM電機與DL-FASFPM電機的鐵耗Fig.10 Iron loss of SFPM and DL-FASFPM machine

5 電機弱磁性能比較

導(dǎo)磁塊通過影響電機磁場分布，能夠有效提高電機的弱磁能力，不同導(dǎo)磁塊對電機永磁磁鏈以及d軸電感產(chǎn)生的影響不同，從而使機械調(diào)磁電機的弱磁效果存在差異。在定子外徑與軸長一定的條件下，通過建立三維有限元模型，對SFPM、FASFPM及DL-FASFPM的永磁磁鏈、電感以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線等進行對比分析。

電機永磁磁鏈與弱磁能力呈負相關(guān)，降低電機空載永磁磁鏈，可以有效拓寬電機的調(diào)速范圍。圖11為SFPM、FASFPM與DL-FASFPM電機的A相空載磁鏈波形圖。導(dǎo)磁塊配置后，開關(guān)磁鏈電機的磁鏈幅值下降，相較于FASFPM電機，DL-FASFPM電機約有35.8%的A相磁鏈被雙L型導(dǎo)磁塊短路，在端部與徑向同時擴大了電機的漏磁現(xiàn)象，弱磁能力更強。

圖11 SFPM、FASFPM、DL-FASFPM的A相空載永磁磁鏈(n=1 429 r/min)Fig.11 Flux-linkage of phase A in SFPM,FASFPM,DL-FASFPM machine (n=1 429 r/min)

額定轉(zhuǎn)速下SFPM、FASFPM與DL-FASFPM電機d-q軸電感隨d-q軸電流的變化情況如圖12所示。由于導(dǎo)磁塊插入后，電機漏磁路的磁阻被削弱，F(xiàn)ASFPM與DL-FASFPM電機d 軸與q軸電感相較于SFPM電機均升高，但隨著導(dǎo)磁塊磁阻減小，流經(jīng)導(dǎo)磁塊的短路磁鏈增加，此時，定子鐵心的磁飽和現(xiàn)象不可以被忽略，電機電感下降。

圖12 d-q軸電感隨電流的變化情況(n=400 r/min)Fig.12 d-q axis inductance changes with current(n=400 r/min)

采用全耦合法計算SFPM，F(xiàn)ASFPM與 DL-FASFPM電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性如圖13所示。增加機械調(diào)磁部分后，電機在恒功率區(qū)的最高轉(zhuǎn)速均增加到每分鐘10 000轉(zhuǎn)以上，且DL-FASFPM電機的調(diào)速范圍更寬。與此同時，相比于FA導(dǎo)磁塊方案，DL-FASFPM電機恒功率區(qū)范圍擴大的同時電磁轉(zhuǎn)矩增大，電機功率密度提高。

圖13 SFPM、FASFPM、DL-FASFPM電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速及功率-轉(zhuǎn)速特性Fig.13 Torque- and power-speed characteristic in SFPM,FASFPM and DL-FASFPM machine

表2為SFPM、FASFPM與DL-FASFPM電機的部分性能參數(shù)。相較于SFPM電機，DL-FASFPM電機的永磁磁鏈降低了35.7%，電機的轉(zhuǎn)速范圍增加。與FA方案相比，在相同定子外徑下，使用雙L型導(dǎo)磁塊后，SFPM弱磁系數(shù)增大13%。在10 000轉(zhuǎn)時的DL-FASFPM電機的電磁功率為FASFPM電機的2.79倍。因此，如果要達到FASFPM同樣的弱磁效果，使用雙L型導(dǎo)磁塊的電機具有更小的定子外徑。

表2 SFPM、FASFPM與DL-FASFPM電機性能參數(shù)Tab.2 Parameters of SFPM，F(xiàn)ASFPM and DL-FASFPM machine

6 12/10 SFPM樣機與實驗

為驗證雙L型導(dǎo)磁塊機械調(diào)磁方案的可行性，本文試制了一臺樣機進行實驗，如圖14所示。如圖14(b)為可以實現(xiàn)L型導(dǎo)磁塊拔插的機械調(diào)磁模塊，當(dāng)電機需要弱磁時，將該模塊從電機兩端插入?yún)⑴c調(diào)磁。由于尚未考慮工程應(yīng)用，雙L型導(dǎo)磁塊可以連續(xù)移動但難以實現(xiàn)所有模塊的同步控制。

圖14 SFPM電機及DL-FASFPM電機拓撲Fig.14 Topolgy of FASFPM，DL-FASFPM machine

樣機運行于額定轉(zhuǎn)速400 r/min時的空載反電動勢波形如圖15所示，SFPM電機反電動勢波形正弦且表現(xiàn)出較好的三相對稱性，雙L型導(dǎo)磁塊安裝前后電機反電動勢實驗值與三維有限元仿真值基本相等。導(dǎo)磁塊安裝后，電機反電動勢下降了59.3%，略大于三維仿真值，電機磁場被有效削弱。

圖15 電機的空載反電動勢Fig.15 Back-electromotive force in SFPM and DL-FASFPM

SFPM與DL-FASFPM電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨q軸電流的變化曲線如圖16所示，電機電磁轉(zhuǎn)矩隨氣隙磁場的削弱而降低，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性。

圖16 SFPM與DL-FASFPM電機的電磁轉(zhuǎn)矩Fig.16 Torque in SFPM and DL-FASFPM machine

電機的弱磁系數(shù)可以反映電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，通過測量雙L型導(dǎo)磁塊插入前后電機的永磁磁鏈與d軸電感，計算得到電機弱磁系數(shù)見表3。DL-FASFPM電機的弱磁系數(shù)為0.812，高于常規(guī)SFPM電機。

表3 SFPM與DL-FASFPM電機參數(shù)Tab.3 Parameters of SFPM and DL-FASFPM machine

7 結(jié)論

為拓寬SFPM電機的調(diào)速范圍，本文提出了利用端部效應(yīng)參與機械調(diào)磁的DL-FASFPM電機。通過在定子外圍設(shè)置雙L型導(dǎo)磁塊，擴大電機端部與外側(cè)的漏磁，削弱了永磁磁鏈，有效拓寬了SFPM電機的調(diào)速范圍。與導(dǎo)磁塊僅置于定子軛部的方案相比，雙L型導(dǎo)磁塊提高了電機的最大調(diào)磁能力，SFPM弱磁系數(shù)增大13%。與FASFPM相比，在弱磁區(qū)使用雙L型導(dǎo)磁塊后，SFPM具有更高的功率。最后通過一臺12/10 SFPM樣機，驗證了雙L型導(dǎo)磁塊對SFPM電機調(diào)磁的有效性。