新型磁通切換電機原理和特性分析

郭春景

(焦作大學，焦作454000)

0 引 言

磁通切換電機的永磁體可以內嵌于定子中，具有聚磁效應，現(xiàn)有拓撲結構的磁通切換電機的電樞繞組和永磁體一般同時放置在定子側，使得電機的冷卻比較方便，其銅耗也比較低[1-3]。與此同時，其轉矩和功率密度可以與傳統(tǒng)表貼式永磁電機相媲美。因此，磁通切換電機在近些年得到廣泛的關注。關于磁通切換電機新型的拓撲結構在不斷報道，其應用領域也在不斷的拓展[4-7]。

在傳統(tǒng)磁通切換電機的研究中，漏磁的研究一直是學者們關注的焦點。除了定子齒和轉子齒之間的漏磁外，電機的端部以及外定子側區(qū)域也存在漏磁。定子齒和轉子齒之間的漏磁可以通過齒形優(yōu)化的方法減小；對于雙凸極電機而言，端部的漏磁也是不可避免的，但對于外定子側漏磁的優(yōu)化則鮮有研究，目前還沒有相關報道。

為了減小外定子側的漏磁，更大程度上充分利用永磁材料，本文提出了一種新型的磁通切換電機的拓撲結構。在傳統(tǒng)徑向磁通切換電機的基礎上，引入徑向充磁的永磁體，可以減小外定子軛側的漏磁，同時增加繞組中匝鏈的永磁磁鏈，從而提高電機的輸出轉矩和功率密度。

1 拓撲結構

內嵌有徑向充磁永磁體的新型磁通切換電機的拓撲結構如圖1所示。本文研究的對象為12/10極磁通切換電機。電機在普通徑向磁通切換電機的基礎上，在“U”形定子軛外側放置有沿徑向充磁的永磁體，并將永磁體貼于環(huán)形定子軛的內表面。沿徑向充磁的每極永磁體與其相鄰的2個沿環(huán)形充磁的永磁體構成“U”形，且每個由永磁體構成的“U”形，其永磁體的充磁方向均沿著“U”形內側或均沿著“U”形外側。主要的結構參數(shù)如圖2所示。參考傳統(tǒng)磁通切換電機的設計數(shù)據(jù)，電機的初始尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 電機拓撲結構

圖2 電機定轉子二維尺寸圖

表1 電機初始尺寸參數(shù)

2 原理分析

在沒有徑向充磁永磁體時，電機為傳統(tǒng)徑向結構的磁通切換電機，其定子及定子中的磁路如圖3(a)所示。環(huán)形充磁的永磁體提供主磁通，由于漏磁的存在，使得電樞繞組匝鏈的主磁通減少，其感應電動勢也會相應減弱。本文所提的內嵌有徑向充磁永磁體的磁通切換電機的定子及定子中的磁路如圖3(b)所示。由于徑向永磁體的存在，使得定子外側的漏磁減少，使環(huán)形充磁的永磁體得以充分利用；同時徑向永磁體的存在也增加了圖3(b)中的輔助磁路，進而“U”形定子齒中與電樞繞組匝鏈的磁鏈增加。

(a) 不帶徑向充磁永磁體的定子磁路

(b) 帶徑向充磁永磁體的定子磁路

3 有限元分析

3.1 氣隙磁密

圖4是新型磁通切換電機的氣隙磁密波形，是徑向充磁永磁體和環(huán)形充磁永磁體共同作用的結果。由于電機的定子和轉子都是凸極結構，所以磁密波形不規(guī)則，諧波較大。在θr=0°時，轉子凸極分別與環(huán)形永磁體正對。按圖1中A相繞組的排列方式，磁密波形中第一個最大值對應著線圈A2(A4)，第二個最大值出現(xiàn)的位置滯后90°的機械角度，對應著線圈A1(A3)。在轉子逆時針旋轉18°后，此時磁密波形中第一個負向最大值對應著線圈A1(A3)，第二個負向最大值出現(xiàn)的位置對應著線圈A2(A4)。隨著轉子位置的變化，線圈的磁通隨著正負交替變化，也就實現(xiàn)了磁通切換。

(a) θr=0°

(b) θr=18°

3.2 永磁磁鏈

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體單獨作用時，永磁體與A相繞組匝鏈的磁鏈如圖5所示。徑向永磁體單獨作用時，磁鏈的正弦性較差；其與環(huán)形永磁體共同作用時，磁鏈具有很好的正弦性。2種永磁體共同作用時A相繞組的磁鏈略小于2種永磁體單獨作用時A相繞組的磁鏈之和。其主要原因是徑向永磁體的引入加劇了“U”形定子的飽和程度。

圖5 環(huán)形永磁和徑向永磁磁鏈之和

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體共同作用時，A相繞組的磁鏈如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，線圈A1和A3的磁鏈之和A13與線圈A2和A4的磁鏈之和A24的最大值并不在同一個轉子位置，這與傳統(tǒng)磁通切換電機的磁鏈有所區(qū)別。主要原因是徑向充磁永磁體的作用使磁通在定子軛中發(fā)生偏移，導致永磁磁鏈的最大值出現(xiàn)的位置發(fā)生偏移。盡管如此，A相的永磁磁鏈依舊具有很好的正弦性。三相永磁磁鏈如圖7所示。圖7說明三相永磁磁鏈的幅值和相位具有很好的對稱性，意味著本文所提出的磁通切換電機具有良好的對稱性。

圖6 A相的永磁磁鏈

圖7 三相永磁磁鏈 3.3 空載反電動勢

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體單獨作用時，A相空載反電動勢如圖8所示。2種永磁體共同作用時A相反電動勢幅值略小于2種永磁體單獨作用時A相反電動勢之和，與圖5中磁鏈波形類似。三相反電動勢如圖9所示。反電動勢的正弦度較低，其主要原因是徑向永磁體的引入降低了反電動勢的正弦度。因此，徑向充磁永磁體的引入磁通切換電機，對反電動勢帶來一定的負面影響，也是后續(xù)研究需要進一步關注的地方。

圖8 環(huán)形充磁永磁體和徑向

圖9 三相反電動勢

4 結 語

本文提出了一種內嵌有徑向充磁永磁體的磁通切換電機，研究了其拓撲結構的特征，并結合有限元計算方法對氣隙磁密、磁鏈和反電動勢進行分析。形成如下結論：1)新型拓撲結構的磁通切換電機的繞組結構依然具有一致性和互補性；2)徑向永磁體的存在，增加了匝鏈磁鏈，同時也會引起定子鐵心的飽和，使其對磁鏈和反電動勢的貢獻與永磁用量并不呈線性關系。3)徑向永磁體的存在會對反電動勢的正弦度帶來負面影響，如何提高反電動勢的正弦度是這種拓撲結構電機的研究方向之一。

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