軸向磁通切換混合勵磁電機比較*

章 超， 陳 棟

(江西理工大學，江西 贛州 341000)

0 引 言

稀土永磁電機是利用稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力制造的新型永磁電機[1]，其工作效率高、損耗小、結構簡單、運行可靠。永磁材料產生的恒定磁場使永磁電機存在電壓難以調節和調速范圍窄等缺點，限制了其在恒壓發電等領域的發展應用。因此，通過電勵磁來調節永磁電機內氣隙磁場的混合勵磁電機倍受關注[2,3]。

近年來，隨著風力發電、石油開采、數控機床及電動汽車等產業的興起，很多場合需要高效率、低轉速運行的電機。盤式結構電機優勢日益凸顯，軸向磁場電機的氣隙是平面的，氣隙磁通方向為軸向。該類電機具有轉子鐵心利用率高、結構緊湊、軸向尺寸短、重量輕、體積小和散熱性好等優點，可滿足在多對極條件下的低速運行需要。

磁通切換型混合勵磁電機的研究尚處于起步階段。法國學者E.Hoang提出了一種磁通切換型混合勵磁永磁電機，英國Sheffield大學ZHU Z Q教授等專家學者對該類電機進行了結構優化設計，取得顯著成果[4-6]。國內東南大學程明教授等也提出了新型磁通切換型混合勵磁電機的結構，并試制了樣機[7-9]。現在國內外對該類電機的結構對比分析，特別是其混合勵磁的結構方式沒有特定的研究，對該類電機設計研究缺少理論依據。

本文根據定、轉子之間的組合方式及勵磁繞組的布置方式提出兩種軸向磁通切換型混合勵磁(Axial Flux-Switching Hybrid Excitation, AFSHE)電機的拓撲結構，對這兩種不同結構的電機進行了比較分析。結合電機結構特點和工作機理，基于有限元法研究得出兩種電機的空載電樞繞組磁鏈、感應電動勢和繞組電感等電磁特性。另外，對比兩種電機在相同勵磁電流下的調磁效果，分析出兩種電機的優越性。選擇最優設計在恒壓發電和恒功率寬調速驅動等領域可得到更好拓展，對該類電機的研究、推廣都有理論和實踐意義[10-12]。

1 AFSHE電機結構

為了克服單邊磁拉力，AFSHE電機采用雙轉子結構。兩個轉子對稱分布于電機定子兩側，通過軸承固定于電機端蓋上。轉子由轉子齒和轉子磁軛兩部分組成，其中轉子齒周向均勻分布在轉子磁軛的表面。在電機運行過程中，轉子齒還起到風扇的作用，有利于電機散熱、降低熱損、提高電機效率。電機定子由12個“H”型單元定子鐵心拼裝成圓形，其結構簡單。電樞繞組采用集中繞組，電樞繞組周向分布在由永磁體和勵磁繞組隔開的相鄰單元定子槽中，永磁體交替切向充磁。串勵式和并勵式AFSHE電機結構如圖1所示。

圖1 串勵式和并勵式AFSHE電機結構

如圖1(a)所示，串勵式AFSHE電機是將勵磁繞組直接纏繞在永磁體上，其永磁磁勢和電勵磁磁勢呈串聯狀態。在單元定子鐵心中間，永磁體切向充磁，勵磁繞組軸向纏繞在永磁體表面，在勵磁繞組中通入直流電產生軸向磁場，即可調節氣隙磁場。

并勵式AFSHE電機則是將永磁磁路和電勵磁磁路設計為完全并列磁路。圖1(b)給出了兩部分完全并列的軸向磁通切換型混合勵磁電機結構，永磁體和勵磁繞組安置在單元定子鐵心中間，永磁體在勵磁繞組的下面，勵磁繞組則纏繞在勵磁鐵心柱上。電機定子鐵心由隔磁塊將其分為互不導磁的兩部分，形成并聯磁鏈式結構。由于永磁體產生的主磁通不經過勵磁繞組，理論上該結構可避免永磁體的退磁風險。

綜上，串勵式AFSHE電機均采取永磁體上纏繞勵磁繞組，當在電機工作時，由勵磁電流產生的熱量將導致永磁體的溫度升高，從而使永磁體存在退磁的風險。此外，電勵磁磁路中包括永磁磁阻，為產生一定的電勵磁磁通，需要更多的勵磁匝數，導致勵磁損耗增加、發熱加劇、電機運行效率進一步降低。

然而，由于并勵式AFSHE電機采取并聯磁鏈式勵磁方式，即勵磁鐵心柱與定子鐵心構成一個整體，當勵磁繞組通入直流電時，永磁磁勢和電勵磁磁勢相并聯。此種電機可避免永磁體退磁的風險；另外，由于采用鐵心分層的結構，可防止永磁磁鏈通過勵磁鐵心柱形成短路，具有結構簡單、可靠性高、功率密度大等優點。

2 電機磁路對比分析

串勵式和并勵式AFSHE電機都具有磁通切換型電機的工作特點。磁通切換是指繞組里匝鏈的磁通根據轉子的不同位置切換方向和數量，即改變正負極性和數值大小。基于該原理，串勵式和并勵式AFSHE電機的磁通路徑分別如圖2和圖3所示。隨著轉子的轉動，繞組里匝鏈的永磁磁通在正負最大值之間呈周期性變化。根據法拉第定律，繞組兩端產生幅值和相位交變的反電動勢。

圖2 串勵式AFSHE電機的磁通路徑

圖3 并勵式AFSHE電機的磁通路徑

AFSHE電機中存在永磁磁勢及電勵磁磁勢兩個磁勢源。當勵磁電流>0時，電機合成氣隙磁場增強，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈增多，感應電動勢也相應增大。此時，勵磁電流對永磁體起增磁作用。同理，當勵磁電流<0時，電機合成氣隙磁場被削弱，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈減少，繞組感應電動勢也相應減小。此時，勵磁電流對永磁體起弱磁作用。

結合串勵式AFSHE電機的結構特點和磁通路徑，永磁磁通由永磁體N極出發，經“H”型單元定子鐵心、氣隙、轉子齒、轉子磁軛、相鄰的轉子齒、氣隙、相鄰的“H”型單元定子鐵心，再回到永磁體S極。永磁磁通參與電機的能量轉換，作為電機的主磁通。但由于串勵式電機的磁路為串聯磁路，當電機通以直流勵磁電流時，其工作磁路與永磁體單獨工作時的磁路完全相同。作為混合勵磁電機，由永磁體和電勵磁共同提供磁勢源，串勵式電機的磁勢源由永磁磁勢和電勵磁磁勢串聯形成。串勵式AFSHE電機的等效磁路模型如圖4所示。

圖4 串勵式AFSHE電機的等效磁路模型

并勵式電機的主磁路與串勵式相同，但并勵式電機的磁路為并聯設計，當電機通以直流勵磁電流時，其電勵磁磁路與永磁磁路完全獨立。并勵式結構電機的磁勢源由永磁磁勢和電勵磁磁勢并聯產生。氣隙中的總磁通為永磁體產生的磁通Φpm與電勵磁產生的磁通Φe之和。并勵式AFSHE電機的等效磁路模型如圖5所示。

圖5 并勵式AFSHE電機的等效磁路模型

3 電磁特性及調磁特性

為比較串勵式和并勵式AFSHE電機在相同情況下的電磁特性與調磁特性的差異，給兩種不同拓撲結構的電機選取了相同的主要參數，如表1所示。基于有限元法分別計算兩種電機的空載磁通、反電勢和繞組電感等，并得出結論。

表1 電機主要設計參數

3.1 空載磁通對比

通過有限元分析軟件Ansys12.0，得到了串勵式和并勵式AFSHE電機在空載時電樞繞組磁通在一個電周期內的變化規律。串勵式和并勵式AFSHE電機空載磁通對比如圖6所示。從圖形中可看出兩種結構產生的磁通大體相同，在電樞中產生的反電勢也近乎相同。但串勵式采取了永磁體與電勵磁串聯的方式，使用永磁體材料比并勵式更多。出于對稀土材料價格、制造工藝和對溫度產生不可逆退磁方面的考慮，并勵式AFSHE電機的優越性更加突顯。

圖6 串勵式和并勵式AFSHE電機空載磁通對比

3.2 電感特性比較

繞組電感是衡量電機電磁特性的關鍵參數之一。通過磁鏈法分別計算串勵式和并勵式AFSHE電機的電樞繞組電感和勵磁繞組電感。

(1) 不加勵磁電流的情況下，加電樞電流，求電樞繞組的自感。以A相為例計算磁通切換型混合勵磁電機電樞繞組的電感。向A相電樞繞組注入電樞直流電流IA時，A相電樞繞組產生由永磁磁鏈ψmA和電樞反應磁鏈ψA共同作用下的合成磁鏈。由此，A相電樞繞組產生的自感LAA可表示為

式中：N——電樞繞組匝數；

φA——電樞電流與永磁體共同作用時通過A相繞組的磁通；

φmA——永磁體單獨作用時產生的磁通。

根據式(1)可得串勵式和并勵式AFHES電機電樞繞組A相自感曲線如圖7所示。

由圖7可知，串勵式和并勵式AFHES電機電樞繞組上的自感的呈現規律保持一致；在幅值上，并勵式AFHES電機略高于串勵式AFHES電機。

(2) 在不加電樞電流的情況下，加勵磁電流，求勵磁繞組的自感。可通過向勵磁繞組中注入直流電，得勵磁繞組自感為

(2)

式中：N——電樞繞組匝數；

φf——勵磁繞組與永磁體共同作用時通過勵磁繞組的磁通；

φmf——永磁體單獨作用時產生的磁通。

根據式(2)可得串勵式和并勵式AFHES電機勵磁繞組自感曲線，如圖8所示。

圖8 串勵式和并勵式AFHES電機勵磁繞組自感曲線

對比串勵式和并勵式AFHES電機的勵磁繞組自感，兩者在一個電周期內幾乎保持不變。但是在賦值上，并勵式AFHES電機明顯高于串勵式AFHES電機，這驗證了兩種電機在調磁特性上存在差異。根據ψ=Li可知，當勵磁電流一定時，勵磁磁通與勵磁繞組自感成正比。綜上，并勵式電機的合成磁通大于串勵式，即調磁特性優于串勵式AFSHE電機。

3.3 空載調磁特性

AFHES電機的空載調磁特性可定義： 當電機轉速一定時，電樞繞組匝鏈磁鏈隨勵磁電流變化的規律，可作為衡量混合勵磁電機調磁效果的依據。對空載調磁特性有限元計算，得串勵式和并勵式AFHES電機的調磁性能，如圖9所示。由圖可知，兩種電機調磁效果都較明顯。并勵式電機的電感相對轉子位置的斜率明顯大于串勵式電機，并勵式電機的調磁效果優于串勵式電機；但從調磁范圍來看，并勵式AFHES電機在勵磁電流為6A時出現拐點，達到飽和趨勢，而串勵式電機在-4～10A都呈現直線形式，處于不飽和狀態下。所以串勵式AFHES電機調磁范圍較并勵式電機來說相對更寬。

圖9 串勵式和并勵式AFHES電機的調磁性能

通過在串勵式和并勵式AFHES電機的勵磁繞組中施加直流電流，計算電機的空載磁場分布規律，經處理可得勵磁電流分別為-3、0、3A三種情況時的電樞繞組磁通和反電動勢波形，分別如圖10和圖11所示。由圖可知，當勵磁電流在-3～3A變化時，串勵式和并勵式AFHES電機的電樞線圈磁通皆會產生弱磁或者增磁的現象，無論是電樞磁通還是反電勢，并勵式AFHES電機的調磁性能更突出，電樞磁通變化更明顯，電機調磁效果更好。

圖10 串勵式和并勵式AFHES電機在不同勵磁電流下電樞繞組的磁通

圖11 串勵式和并勵式AFHES電機在不同勵磁電流下反電勢

4 結 語

本文對比分析了串勵式和并勵式軸向磁通切換型混合勵磁電機的特性，采用有限元方法分析了電機內部空載三維磁場分布，比較分析了串勵式和并勵式電機的三相電樞繞組磁鏈在一個電周期內變化規律。根據磁鏈法得到了電機的電樞繞組及勵磁繞組自感等參數隨轉子位置角變化的規律，并分析了電機的空載調磁特性。結果驗證了并勵式電機的調磁效果優于串勵式電機。通過對比分析表明，并勵式AFSHE電機的總體性能優于串勵式AFSHE電機，且并勵式電機的實用性更高，對并勵式軸向切換型混合勵磁電機的研究具有科研價值。

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