定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機三維有限元分析與實驗研究

劉細平 鄭愛華 王 晨

（江西理工大學電氣工程與自動化學院 贛州 341000）

1 引言

永磁電機無勵磁損耗，且效率高、工作可靠；但磁場不能調節(jié)成為此類電機作為發(fā)電機和電動機應用的瓶頸。混合勵磁電機是一類磁通可控型永磁同步電機，不僅繼承了永磁電機的諸多優(yōu)點，且磁場可靈活調節(jié)，特別適合于恒壓發(fā)電和恒功率寬調速驅動，在風力發(fā)電、航空航天、工業(yè)傳動和電動汽車等領域具有廣闊的應用前景。近年來，經過國內外電機專家的不斷努力，相繼提出了磁極分割式[1]、爪極式[2]、組合轉子式[3]、并列結構式[4]、磁分路式[5]等多種拓撲結構的混合勵磁電機，并取得了一定的研究成果。以上幾類混合勵磁電機中，永磁體均位于轉子上，屬于轉子永磁型混合勵磁電機，需要對轉子采取特別的輔助措施，如安裝不銹鋼緊圈等來固定永磁體，因而轉子結構復雜；同時此類電機冷卻條件差，散熱困難，較高的溫升可能會導致永磁體發(fā)生不可逆退磁，限制電機出力、降低電機的功率密度等，制約了此類混合勵磁電機性能的進一步提高。

永磁式磁通切換電機是一種定子永磁型電機，轉子上既無永磁體又無繞組，結構簡單；隨著轉子位置的變化，磁通能夠自動切換路徑，以致定子繞組內磁鏈的大小和方向均發(fā)生變化，從而產生交變的感應電動勢。此類電機具有體積小、重量輕、工作可靠、冷卻方便、高功率密度以及效率較高等優(yōu)點。

永磁式磁通切換型電機最早是由法國學者E.Hoang在1997年的EPE會議上提出的[6]，定子為“U”形導磁鐵心，中間嵌入切向交錯充磁的鐵氧體，實驗表明，該電機具有良好的轉矩輸出能力，在交流調速領域具有明顯的優(yōu)勢。英國Sheffield大學Z.Q.Zhu教授[7]和Leicester大學C.Pollock教授[8]分別對單相4/2極結構與8/4極結構的永磁式磁通切換型電機進行了研究。Z.Q.Zhu教授還提出了一種兩相12/10極的永磁式磁通切換電機拓撲結構，建立了電機的磁網絡模型，解析計算了電機的電磁特性，并測試了樣機的反電動勢和電感等電磁參數[9-14]；國內方面，東南大學程明教授領導的課題組[15,16]，浙江大學[17]也對此類電機進行了分析研究，并得到了一些有借鑒的結果。

在永磁式磁通切換型電機中，由于采用永磁體勵磁方式無法直接改變磁場強度，作為發(fā)電機時存在電壓調整率較大和故障滅磁困難，作為電動機時難以實現弱磁升速，恒功率運行范圍窄等缺點。

1999年，C.Pollock教授借鑒整距繞組感應電機和兩相開關磁阻電機，設計了一種兩相電勵磁磁通切換型電機[18,19]；此電機凸極轉子上沒有永磁體和繞組，定子槽一半放置電流極性不變的勵磁繞組，另外一半放置電樞繞組，勵磁繞組和電樞繞組均跨越2個定子齒，勵磁繞組可采用與電樞繞組串聯或并聯的方式。研究表明，通過改變勵磁電流，可方便地調節(jié)氣隙磁場強度從而實現寬范圍調壓，且斷開勵磁電路可以滅磁，實現電機系統故障保護，但勵磁損耗的存在使此類電機系統效率相對較低，難以實現高功率密度。

為了綜合永磁式與電勵磁式磁通切換電機的優(yōu)點，法國學者E.Hoang于2007年提出了磁通切換型混合勵磁電機[20]。此電機在永磁體端部增加了勵磁繞組，通過控制勵磁電流的大小和方向調節(jié)氣隙磁通密度的大小，對永磁磁場起到增強或削弱的作用。然而，該電機存在兩方面的問題：首先，永磁磁通經過勵磁線圈端部的定子鐵心構成回路，降低了永磁體的利用率；其次，隨著勵磁電流的增加，當電勵磁磁力線與永磁體磁化方向一致時，勵磁線圈端部的定子鐵心磁飽和加劇，鐵損和漏磁相應增加。

為了融合磁通切換型和軸向磁場型永磁電機各自優(yōu)勢，并使之具有磁場調節(jié)能力，本文提出一種定子分割式軸向磁通切換型混合勵磁同步電機，分析電機結構與工作原理，建立電機有限元分析模型，計算空載電樞繞組磁鏈、感應電動勢和繞組電感等電磁特性，研究不同勵磁電流時電機的調磁效果，制作樣機進行實驗研究，驗證理論分析的有效性。

2 電機結構及工作原理

2.1 電機結構

圖1所示為定子分割式軸向磁通切換混合勵磁電機結構示意圖。電機為一種雙氣隙無刷交流同步電機。電機定子采用背靠背結構，兩個盤式轉子和定子同軸安裝。定子由若干個“H”形單元定子鐵心拼裝組成，并由隔磁環(huán)將其分為內外磁路相互獨立的兩部分；電樞繞組周向分布在由永磁體和勵磁支架隔開的相鄰單元定子槽中，永磁體交替切向充磁；勵磁繞組軸向纏繞在勵磁支架上，使其成為一種無刷交流電機；盤式轉子由轉子極和轉子磁軛組成。該電機為一類新型電機，制作加工工藝較復雜，且定子與兩個轉子間的氣隙長度難以保證完全相等。

圖1 電機結構Fig.1 Structure of SSAFHESM

2.2 工作原理

根據電機磁路磁阻最小的原理，電機工作于磁通切換狀態(tài)，絕大部分磁通由永磁體N極出發(fā)，經“H”形單元定子鐵心、氣隙、轉子齒、轉子磁軛、相鄰的轉子齒、氣隙、相鄰的“H”形單元定子鐵心，再回到永磁體S極。當轉子轉過相鄰的兩個“H”形定子單元鐵心時，從磁路的角度看，電機的磁路經歷一個周期，此時穿過電樞繞組的磁通也經歷一個周期，分別為磁通進入電樞繞組和磁通穿出電樞繞組，如圖2a和2b所示，因此，電樞繞組中的感應電動勢也變化一個周期，如圖2c所示。

圖2 電機磁通切換原理圖Fig.2 Schematic of flux-switching

3 電機三維有限元分析

3.1 三維有限元模型

圖3a、3b所示分別為電機定子和轉子部分三維有限元結構模型。電機定子模型由定子鐵心、永磁體、勵磁支架、勵磁繞組和隔磁環(huán)等組成；轉子模型簡單，由轉子軛部和轉子齒組成。

圖4給出了電機有限元網格模型，電機模型單元總數為163 264，節(jié)點總數為228 614。

圖3 電機三維有限元結構模型Fig.3 3-D FEM structure model of prototype

圖4 電機有限元網格模型Fig.4 FEM mesh model of prototype

3.2 空載磁場分布

通過施加一類邊界條件和有限元數值分析計算，圖5a、5b、5c分別給出了無勵磁電流、勵磁電流-3A、勵磁電流為3A時單元定子鐵心中磁力線分布情況。當無勵磁電流時，位于隔磁環(huán)上方的定子鐵心中幾乎沒有磁力線；當勵磁電流為-3A時，位于隔磁塊上方的定子鐵心中的磁力線分布與隔磁塊下方的相應定子鐵心的磁力線分布方向相反，起弱磁效果；而當勵磁電流為3A時，兩者磁力線分布方向基本相同，起增磁效果。

圖5 電機定子鐵心中空載磁場分布Fig.5 No-load field distribution in stator core

3.3 氣隙磁通密度分布

圖6 a、6b、6c所示分別為無勵磁電流、勵磁電流為-3A和3A時的電機氣隙磁通密度三維分布圖，調磁效果較明顯。

圖6 不同勵磁電流時的三維氣隙磁通密度Fig.6 3-D air-gap flux density under different field currents

4 電磁特性及調磁特性

4.1 永磁磁鏈和感應電動勢

經有限元分析計算，圖7為一個電周期內定子三相繞組磁鏈波形。電機采用12/10極結構，故一個電周期的機械角度為360°/10=36°。

圖7 繞組磁鏈波形Fig.7 Winding flux-linkage curves

圖8 為該電機在400r/min時的三相單側定子繞組空載感應電動勢波形。由圖可知三相感應電動勢互差120°（電角度），最大值約為7.7V。

圖8 空載感應電動勢波形（單側）Fig.8 No-load EMFs curves（single side）

4.2 繞組電感

本文采用磁鏈法分別計算電樞繞組和勵磁繞組電感。

4.2.1 電樞繞組電感

當A相電樞繞組通入直流電流Ia時，則A相電樞繞組合成磁鏈ψA由永磁磁鏈ψmA和電樞反應磁鏈ψaA組成。此時，與電樞電流Ia對應的A相電樞繞組自感LAA可表示為

式中Na——電樞繞組匝數；

φA，φmA——A相電樞線圈的合成磁通和永磁磁通。

當A相電樞通電流時，A相和B相電樞繞組之間的互感MBA可表示為

式中Nb——電樞繞組匝數；

φB，φmB——B相電樞線圈的合成磁通和永磁磁通。

圖9a所示為電樞繞組自感有限元計算曲線，圖9b所示為AB相繞組互感的變化曲線。上述計算結果均是在電樞繞組中通入大小為1A的直流電獲得的。

圖9 電樞繞組電感Fig.9 Armature winding inductance

4.2.2 勵磁繞組電感

當勵磁繞組通入電流If時，則勵磁繞組合成磁鏈ψf由永磁磁鏈ψmf和勵磁磁鏈ψff組成。此時，與勵磁電流If對應的勵磁繞組自感Lff可表示為

式中Nf——勵磁繞組匝數；

φf,φmf——勵磁線圈的合成磁通和永磁磁通。

同理勵磁繞組和電樞繞組間互感可表示為

式中φAf,φAm——電樞線圈的合成磁通和永磁磁通。

經有限元分析計算，圖10a、10b分別給出了If=3A時勵磁繞組自感及電樞繞組與勵磁繞組間互感。由圖可知，當轉子位置變化時，勵磁繞組自感基本不變，可看作恒值。

圖10 勵磁繞組電感Fig.10 Inductance of field winding

根據上述分析，表1給出了繞組電感的平均值。

表1 繞組電感平均值Tab.1 Average of winding inductance（單位：H）

4.3 調磁特性

通過在勵磁繞組中施加直流電流，計算電機的空載磁場分布規(guī)律，經后處理可得勵磁電流分別為-3A、0、3A三種情況時的電樞線圈磁通和相感應電動勢波形，分別如圖11a和圖11b所示。由圖可知，當勵磁電流在-3A到3A之間變化時，電樞線圈磁通變化明顯，電機調磁效果較好。

圖11 調磁特性Fig.11 Field control performance

5 樣機試驗

5.1 樣機部分參數

依據以上理論分析，表2給出了一臺12/10極概念樣機的部分尺寸參數。

表2 電機部分尺寸參數Tab.2 Partial size parameters of prototype machine

5.2 樣機實物和試驗平臺

圖12所示為試制的12/10極軸向磁通切換樣機組件照片，12a為電機定子及機殼、12b為電機的兩個盤式轉子、12c為整機。

圖12 樣機組件Fig.12 Assemblies of prototype machine

圖13 所示為樣機試驗系統平臺。系統主要由樣機、原動機、伺服控制器、直流穩(wěn)壓電源和試驗底座等組成。樣機與原動機同軸相連，原動機為一臺永磁同步電機；由伺服控制器控制永磁同步電機為樣機提供所需的扭矩和轉速；直流穩(wěn)壓電源型號為DS1731SB3AB，可為勵磁繞組提供兩路直流電壓源。

圖13 樣機試驗平臺Fig.13 Test platform of prototype machine

5.3 測試結果

圖14 a、14b所示分別為電機在400r/min時的空載三相感應電動勢和調磁特性實測結果，分別與圖8和圖11所示有限元分析結果基本一致，驗證了理論分析的正確性。

圖14 樣機測試結果（單側）Fig.14 Test results of prototype

6 結論

設計了一種12/10極定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機，建立了電機三維有限元分析模型，在此基礎上計算了不同勵磁電流時電機內部空載磁場分布規(guī)律、三相繞組磁鏈、電動勢和電感等電磁特性，分析了電機的調磁特性，制作了樣機。有限元分析和實驗結果均表明，此類電機具有較好的磁場調節(jié)能力。

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