無刷交流電勵磁磁通切換電機電磁性能研究

王宇， 鄧智泉， 王曉琳

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016)

無刷交流電勵磁磁通切換電機電磁性能研究

王宇， 鄧智泉， 王曉琳

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016)

開關磁阻電機具有轉子結構簡單堅固、無勵磁源的優點，為實現其全周期工作方式和定子磁鏈的雙極性變化，提出一種電勵磁磁通切換電機拓撲，通過在定子齒開槽，嵌入勵磁繞組，實現電機的全周期工作能力。介紹電機的工作原理、磁通切換方式和基本參數尺寸設計，重點與分裂繞組開關磁阻電機(全周期工作)的電磁性能進行對比研究。有限元仿真結果和樣機實驗結果表明:磁通切換電機具有雙極性磁鏈、高正弦度反電勢、適合運行無刷交流場合，兩種電機總銅耗相等時，前者具有更高的轉矩(功率)密度。

電勵磁磁通切換電機;全周期工作;雙極性磁鏈;無刷交流;轉矩密度

0 引言

未來全電/多電飛機、混合動力汽車技術的發展對起動/發電系統提出了高可靠性、高功率密度、高效率的要求。開關磁阻電機的定、轉子均為凸極結構，轉子上無永磁體、無勵磁繞組，其可靠性高、惡劣環境工作能力強［1－2］，一直是車載、機載集成起動/發電機的主要機型之一［3－4］。但是開關磁阻電機工作在半周期工作模式，其功率密度、轉矩密度較低。

為實現其全周期工作模式，在開關磁阻電機的定子槽引入勵磁繞組［5－6］，可以得到工作在全周期模式的雙凸極結構電機。文獻［6］提出了結構簡單的繞組分列式開關磁阻電機。將原有的每個電樞繞組線圈一分為二，為勵磁線圈和電樞繞組線圈，將12個勵磁繞組線圈首尾相連串聯成勵磁繞組。勵磁繞組通入直流勵磁電流，隨著轉子變化，在電樞繞組中感應出反電勢，實現電機的全周期工作模式。

這樣一來，通過調節勵磁電流的幅值，即可實現起動/發電機的寬轉速范圍運行狀態的電壓調節［7－8］和故障滅磁能力［9－11］，從而在航空起動/發電應用場合具有很大的應用前景［12－14］。

但是分裂繞組開關磁阻電機的反電勢波形含有大量諧波［15］，只適合運行在無刷直流場合(brushless DC，BLDC)，同時其磁鏈為單極性，含有的直流分量使得電機材料利用率降低［16］。

1997年一種具有雙極性定子磁鏈的新型定子永磁式磁通切換電機被提出［17］，引起了國內外學者廣泛的興趣［18－22］。

保持轉子結構簡單性的前提下，在永磁磁通切換電機［17－20］的基礎上，為實現磁場調節和故障滅磁能力，本文提出一種電勵磁磁通切換電機，其定子磁鏈為雙極性，定子磁鏈與反電勢波形均體現出較高的正弦度，因此其適合運行在無刷交流(brushless AC，BLAC)場合。電機的電樞繞組、勵磁繞組均采用集中式結構，端部損耗小、電機效率高。

本文介紹了電勵磁磁通切換電機結構與工作原理，分析了其靜態電磁特性(磁場分布、定子磁鏈、反電勢、磁場調節)。與分裂繞組開關磁阻電機相比較，兩種電機轉子均具有結構簡單堅固的優點，均工作在全周期模式，重點比較了兩者在銅耗相等時兩種電機的轉矩輸出能力。設計了一臺樣機，樣機實驗結果、理論分析、仿真結果證明電勵磁磁通切換電機具有較高的反電勢正弦度，適合運行在無刷交流場合，具有較高的轉矩密度和轉矩銅耗比。

1 電機結構

圖1給出了12/8開關磁阻電機的結構圖，定轉子均為雙凸極結構。定子上有一套繞組，同時承擔著勵磁繞組和電樞繞組的作用。因此，開關磁阻電機一般工作于半周期模式，即在一個電周期中，若電機工作在電動模式，則前半周期提供正轉矩;若電機工作在發電模式，則在后半周期向負載提供電能。

勵磁繞組的引入是實現開關磁阻電機全周期工作模式的必要條件，而勵磁繞組的不同設置模式對電機電磁性能有著重要的影響。

圖1 開關磁阻電機結構Fig.1 Configuration of switched reluctance machine(SRM)

圖2給出了12/8分裂繞組開關磁阻電機的結構［6］，其結構特點是勵磁繞組和電樞繞組是共同設置在定子槽中，勵磁磁路與電樞繞組磁路為串聯結構。勵磁繞組通入直流勵磁電流，隨著轉子變化，在電樞繞組中感應出單極性的定子磁鏈，實現電機的全周期工作模式。

圖2 分裂繞組開關磁阻電機結構Fig.2 Configuration of split-coil switched reluctance machine(SCSRM)

本文提出的12/10電勵磁磁通切換電機的結構如圖3所示。電勵磁磁通切換電機結構特點是在定子齒上開槽以嵌入勵磁繞組。

電勵磁磁通切換電機的幾何尺寸如圖4所示。其中:hys為定子軛寬;hslot為定子槽口寬度;hts為定子齒寬;hpm為永磁體寬度;k為電機內外徑之比;Rso為定子外徑;g為電機單邊氣隙長度;htr1為轉子齒尖寬;htr2為轉子齒根寬;htr3為轉子齒高。電機的原始尺寸設計為

式中Ps為電機的定子極數。

本文分析比較的電勵磁磁通切換(electrical excitation flux-switching，EEFS)電機與分裂繞組開關磁阻電機(split-coil switched reluctance machine，SCSRM)的電機電磁及幾何參數如下:

磁通切換電機定子外徑Dso=150mm;內外徑之比k=0.6;電機氣隙 g=0.5mm;鐵心長度 l=80mm;定子級數Ps=12;轉子極數Pr=10;定子軛高hys=6.41mm;電機體積V=1 413 000mm3;電樞線圈匝數為37;每相電樞繞組匝數Np=148;定子齒寬hts=7.5°;定子槽寬 hslot=7.5°;轉子齒尖寬 htr1=7.5°;轉子齒根寬 htr2=9°;轉子齒高 htr3=12mm。

分裂繞組開關磁阻電機定子外徑Dso=150mm;內外徑之比k=0.5;電機氣隙g=0.5mm;鐵心長度l=80mm;定子級數Ps=12;轉子極數Pr=8;定子軛高hys=9.81mm;電機體積V=1 413 000mm3;電樞線圈匝數為37;每相電樞繞組匝數Np=148;定子齒寬hts=15°;定子槽寬 hslot=15°;轉子齒尖寬 htr1=15°;轉子齒根寬htr2=20°;轉子齒高 htr3=10mm。

兩種電機具有相同的體積、長徑比和氣隙長度，以及相同的勵磁繞組匝數(420匝)，勵磁電流額定值為3.3A。兩種電機的每相電樞繞組匝數均為148匝，兩種電機電樞電流額定有效值相等(3.4A)，由于EEFS電機驅動電流為正弦電流，因此其額定電樞電流峰值為4.8A;而SCSRM驅動電流為方波電流，因此其額定電樞電流峰值為4.15A。

在上述幾何尺寸和電磁參數相等的情況下，兩種電機的電磁特性將在下文中進行比較分析。

2 工作原理

電勵磁磁通切換電機的工作原理如圖5所示。勵磁電流極性設置如下:勵磁定子齒開槽中，相鄰的兩個槽中電流流向相反。

圖5 電勵磁磁通切換電機拓撲工作原理Fig.5 Operation principle of EEFS machine

通以上述的直流勵磁電流，從圖5中可以看出，隨著轉子位置的變化，電勵磁拓撲在電樞繞組中匝鏈的磁鏈極性發生變化，實現了定子磁鏈的“雙極性切換”。

3 電磁特性

3.1 勵磁磁場分布、定子磁鏈和反電勢

圖6給出了電勵磁磁通切換電機在4個特殊機械角度的勵磁磁場分布圖。

圖6 電勵磁磁通切換電機拓撲磁場分布Fig.6 Open-circuit field distributions of EEFS machine

圖7給出了分裂繞組開關磁阻電機在2個特殊機械角度的勵磁磁場分布圖。

圖7 分裂繞組開關磁阻電機拓撲磁場分布Fig.7 Open-circuit field distributions of SRM machine

圖8、圖9給出了電勵磁磁通切換電機在額定勵磁電流勵磁下的定子磁鏈和反電勢波形。圖10、圖11給出了分裂繞組開關磁阻電機的定子磁鏈和反電勢波形。

從圖8～圖11可以得出如下結論:

1)電勵磁磁通切換電機的定子磁鏈是雙極性的，不含直流分量。分裂繞組開關磁阻電機磁鏈是單極性的，含有直流分量。

2)雖然電勵磁磁通切換電機的電樞繞組是集中式繞組，但是定子磁鏈和反電勢均具有較高的正弦度，因此其適合運行在無刷交流(BLAC)場合。而分裂繞組開關磁阻電機的反電勢為近似方波波形，比較適合運行在無刷直流(BLDC)場合。

3.2 磁場調節

圖12、圖13給出了電勵磁磁通切換電機的磁場調節波形，從圖12、圖13中可以看出，隨著勵磁電流的變化，電機的磁場都可以實現從零到最大值的平滑調節，同時保持良好的正弦度，這就保證了電機在寬轉速范圍運行狀態和弱磁運行狀態時同樣有良好的控制性能。

圖14、圖15給出了分裂繞組開關磁阻電機的磁場調節波形。

根據電機的電磁特性(圖12～圖15)，EEFS電機和SCSRM的工作模式如圖16所示。從圖16中可以看出，由于電勵磁磁通切換電機磁鏈的高正弦度，使得其適合運行在無刷交流模式，分裂繞組開關磁阻電機工作在無刷直流模式。

3.3 電磁轉矩及轉矩密度

電勵磁磁通切換電機的電磁轉矩－電樞電流特性如圖17所示。當電機勵磁繞組通入額定勵磁電流(3.3A)、電樞繞組通以額定電樞電流(4.8A)時，電機的電磁轉矩平均值約為1.53N·m。

圖17 電勵磁磁通切換電機電磁轉矩Fig.17 Torque of EEFS machine with different armature current

下面比較一下電勵磁磁通切換電機與分裂繞組開關磁阻電機在銅耗相等時電機的轉矩輸出能力。

電勵磁磁通切換電機電樞繞組的每匝周長為

分裂繞組開關磁阻電機勵磁繞組的每匝周長為

對于電勵磁磁通切換電機，電樞繞組銅耗為

式中:IEEFS－A為電樞電流有效值;REEFS－A為電樞繞組電阻;Np為每相電樞繞組匝數;ρ為導線電阻率;S為導線橫截面積。

對于電勵磁磁通切換電機，勵磁繞組銅耗為

式中:IEEFS－E為勵磁電流有效值;REEFS－E為勵磁繞組總電阻;NE為勵磁繞組總匝數;ρ為導線電阻率;S為導線橫截面積。

對于分裂繞組開關磁阻電機，電樞繞組銅耗為

式中:ISRM－E為勵磁電流有效值;RSRM為每相電樞繞組電阻;NP為每相電樞繞組匝數;ρ為導線電阻率;S為導線橫截面積。

當兩種電機銅耗相等時，有

將前文所述電機數據帶入式(3)～式(11)，可得:兩種電機銅耗一定，當電機勵磁繞組通入額定勵磁電流(3.3A)、電樞繞組通以額定電樞電流(4.8A)時，分裂繞組開關磁阻電機的勵磁繞組電流為3.3A，額定電樞電流為4.15A。

分裂繞組開關磁阻電機的勵磁繞組電流為3.3A，額定電樞電流為4.15A，產生的電磁轉矩如圖18所示。

式中:ISRM－A為電樞電流有效值;RSRM為每相電樞繞組電阻;NP為每相電樞繞組匝數;ρ為導線電阻率;S為導線橫截面積。

對于分裂繞組開關磁阻電機，勵磁繞組銅耗為

圖18 分裂繞組開關磁阻電機電磁轉矩Fig.18 Torque of SCSRM machine

圖19給出了兩種電機(銅耗相等時)的平均電磁轉矩比較。EEFS的平均電磁轉矩、轉矩銅耗比、轉矩密度(兩種電機體積相等)均要高于SCSRM。

圖19 平均電磁轉矩比較Fig.19 Average torque of the novel EEFS and SCSRM machines

4 實驗驗證

根據前文所述電機數據，加工了一臺電勵磁磁通切換電機。樣機圖片如圖20所示。樣機電磁參數如下:額定磁鏈0.022 Wb，額定轉矩1.53 N·m，空載額定反電勢140 V，額定轉速6 000 r/min，額定功率960 W，額定母線電壓270 V。

圖20 樣機圖片Fig.20 Prototype

4.1 電機靜態特性實驗

圖21(a)和圖21(b)給出了轉速1 200r/min時反電勢的仿真和實驗波形，仿真波形反電勢峰值為29V，實驗波形反電勢峰值為28V。圖21(c)給出了電機額定轉速6 000r/min時的反電勢波形，反電勢峰值為140V。電機的反電勢具有較高的正弦度，因此適合運行于BLAC場合。

圖21 電勵磁磁通切換電機反電勢Fig.21 EMF of EEFS

4.2 電動狀態實驗結果及分析

采用id=0矢量控制，實驗波形如圖22所示。從波形可以看出，采用矢量控制，電勵磁磁通切換電機可以實現轉速的跟蹤控制。可以得出結論如下:電勵磁磁通切換電機從結構上看，是雙凸極結構，屬于特種電機;從定子磁鏈和反電勢波形來看，可以把電勵磁磁通切換電機看作普通交流電機，在控制策略上傳統的交流電機的控制算法(矢量控制、直接轉矩控制)完全可以移植到電勵磁磁通切換電機。

EEFS的轉矩－電流特性如圖23所示，電機的額定輸出轉矩，仿真值為1.53 N·m，實驗值為1.48 N·m。

圖25和圖26分別給出了額定轉速6 000r/min時，發電狀態輸出480W和960W(額定負載)的輸出電壓，定子電流和電磁轉矩實驗波形。從圖中可以看出，在不同負載下，id=0控制通過控制電樞電流大小，維持輸出電壓穩定在270V，在半載和滿載情況下，電樞電流峰值分別為1.7A和3.3A。

4.3 發電狀態實驗結果及分析

由于EEFS電機適合工作在BLAC模式，輸出電壓可以采用id=0控制，其控制框圖如圖24所示。

圖24 id=0矢量控制(發電狀態)Fig.24 id=0 vector control(generation mode)

5 結論

1)電勵磁磁通切換電機的轉子結構與開關磁阻電機相似。勵磁繞組的引入可以實現電機的全周期出力。電機磁鏈的雙極性提高了電機材料的利用率，反電勢波形的高正弦度決定了電機適合運行在無刷交流場合。

2)勵磁繞組的引入將增加電機的銅耗，電勵磁磁通切換電機的總銅耗(勵磁銅耗+電樞銅耗)與分裂繞組開關磁阻電機總銅耗(勵磁銅耗+電樞銅耗)相等時，電勵磁磁通切換電機具有更高的轉矩輸出和轉矩銅耗比。

3)不管是分裂繞組開關磁阻電機還是電勵磁磁通切換電機，都是將勵磁源和電樞繞組置于定子，解放了轉子，使電機在轉子結構簡單性、惡劣環境工作能力、高速適應性等方面具有很強的優勢。本文對提出的電勵磁磁通切換電機拓撲工作原理介紹和電磁特性分析比較對高可靠性雙凸極結構電機的發展，拓撲的豐富將提供借鑒。

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(編輯:張詩閣)

Study on electromagnetic performance of electrical excitation flux-switching brushless AC machine

WANG Yu， DENG Zhi-quan， WANG Xiao-lin
(College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

In this paper，an electrical excitation flux-switching(EEFS)machine is proposed，which can not only maintain advantages of switched reluctance machine(SRM)such as solid rotor and no excitation source in rotor but also realize full period operation by setting excitation winding into slot of stator tooth.The operation principle，flux switching mode，design dimensions were introduced and predicted by finiteelement analyses.Furthermore，experiments were also carried out.The finite-element analyses and experiment results verify that the proposed machine has bipolar flux and good sinusoidal back-electromotive force(EMF)，thus it is suitable for brushless AC(BLAC)operation.Moreover，while producing same copper loss，the proposed machine has higher torque(power)density than that of split-coil switched reluctance machine(SCSRM).

electrical excitation flux-switching machine;full period operation;bipolar flux linkage;brushless AC;torque density

TM 77

A

1007－449X(2011)05－0028－09

2010－10－20

航空科學基礎基金(2009ZB52025);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(CX08B_068Z)

王 宇(1982—)，男，博士研究生，研究方向為混合勵磁磁通切換電機;

鄧智泉(1969—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為無軸承電機、特種電機;

王曉琳(1976—)，男，博士，副教授，研究方向為永磁同步電機、特種電機。