一種新型混合勵磁分段轉子開關磁阻電機

黃朝志, 宋秀西, 郭桂秀, 劉細平

(江西理工大學電氣與自動化學院, 贛州 341000)

近年來，隨著電力電子設備的進步，開關磁阻電機(switched reluctance motors，SRM)在汽車、油田、礦山、鍛壓、紡織機械、家用電器等工業領域有著廣泛的應用[1-3]。SRM的主要優點是結構簡單、效率高、容錯性好、可靠性高、性價比高[4]。但是開關磁阻電機轉矩脈動較大、功率密度相對較低，與常用的感應電機和永磁電機相比飽和程度較高，降低了SRM及其驅動的總體性能[5]。為了改善電機性能，獲得更高的轉矩性能和功率密度，眾多學者提出獨立的定/轉子模塊化結構或加入永磁體輔助構成混合勵磁磁阻電機。獨立的定/轉子模塊化結構主要分為分段定子模塊和分段轉子模塊。其中分段定子結構主要分為C型和E型定子。在文獻[6]中提出了一種具有C形模塊的新型分段SRM用于風力發電，由于質量較輕，因此更容易啟動。在文獻[7-8]中提出了一種帶有C形分段定子鐵心的SRM，該電機具有較好的容錯性，鐵損也低于傳統SRM。在文獻[9]中，對具有E形磁芯定子的新型兩相模塊SRM進行了分析、優化、原型設計和實驗測試。結果表明，這種新型SRM與傳統SRM相比，銅節省20%，鋼材節省20%，鐵芯損耗更低，平均轉矩更高。

分段轉子開關磁阻電機(switched reluctance motors with segmental rotor, SSRM)的研究最先開始于英國紐卡斯爾大學的Mecrow教授,他提出一種具有整距繞組的12/8極SSRM結構，該電機磁路較短，且沒有反向磁通，在相同銅耗下其輸出轉矩比同等尺寸普通SRM大41%[10]。文獻[11]研究了定子為勵磁極和輔助極的分段轉子結構，該結構提高了對稱位置的電感和磁鏈，增加了瞬時輸出轉矩，平均轉矩提高11.6%，但磁鏈變化加劇，轉矩脈動更加明顯。

混合磁阻電機(hybrid reluctance motor,HRM)一般在定子上增加永磁體，在不影響電機的可靠性和高速運行性能的前提下，增加了平均轉矩，降低了銅耗[12]。

文獻[13]將永磁體連接在三相6/5極電機的兩個定子極之間，該電機的優點是磁路短、鐵損小、齒槽轉矩幾乎為零、有較高的功率密度和效率。然而，因為僅有3個U形硅鋼片，產生了單邊的徑向不平衡的磁吸力，引起了較大的振動和噪聲。在此基礎上，西安交通大學的丁文博士用6個U形的定子極硅鋼片，并在兩個定子槽口增加永磁體，該電機在平均轉矩、轉矩脈動、效率和啟動性能上都有較大提高[14]。然而該電機定子分段需要將定子嵌入高磁阻的定子套中，勢必增加電機尺寸，從而減低電機功率密度。若采用分段轉子式混合勵磁則可避免此缺點。

在SSRM定子槽口加入12塊永磁體，實現了混合勵磁方式，構成一種新型混合勵磁分段轉子開關磁阻電機(hybrid excitation switched reluctance motor with segmental rotors, HESSRM)。采用等效磁路法分析永磁體的增磁原理。基于有限元軟件Ansoft仿真分析其靜態和動態性能。結果表明，新型電機飽和程度變低，操作范圍變大，電機轉矩性能得到提高，電機利用系數變大。

1 電機結構以及工作原理

1.1 電機結構

圖1所示為12/8 HESSRM的結構。與傳統分段SSRM有所不同，HESSRM轉子由8個扇形硅鋼片組成，并嵌入在高磁阻的鋁制轉子套中。定子有12個定子齒，在相鄰的兩定子齒之間加入永磁體，磁極方向為圖1中箭頭方向。HESSRM中永磁體的N、S極方向與繞組通電方向一致，二者產生的磁鏈疊加。這相當于在繞組產生的勵磁基礎上并聯一個永磁體磁源。每個定子齒的齒尖采用極靴設計，為定子槽口的永磁體提供結構支撐。電機有三相，每相包括兩個串聯繞組，繞組采用整距繞組，即每個繞組跨越3個定子齒，且每個定子槽只加有一相繞組。

圖1 12/8 HESSRM的結構Fig.1 Construction of 12/8 HESSRM

1.2 電機工作原理

HESSRM和普通SRM一樣遵循磁阻最小原理。各相輪流通電，轉子從磁阻最大的位置轉向磁阻最小位置從而產生轉矩[15]。普通12/8極SRM磁通路徑如圖2所示，其流經定子、氣隙、轉子、轉子軛，再到另一邊的轉子、氣隙、定子、定子軛，最后回到定子，占據1/4圓面積。普通12/8極SSRM和HESSRM的磁通路徑一樣，如圖3所示，磁通在相鄰的定子齒和對應的一個扇形轉子之間形成回路，僅占據小于1/8的圓面積。相對于傳統開關磁阻電機HESSRM磁通路徑更短，從而損耗更小。

圖2 普通12/8極SRM磁路Fig.2 Conventional 12/8 SRM

1.3 HESSRM的增磁原理

HESSRM磁通由電勵磁和永磁體一起產生，為了簡化推理，只考慮在兩定子齒間加入永磁體，其工作模式如圖4所示。

圖4(a)為普通SSRM磁通路徑，單相通電且定子齒間沒有永磁體，根據右手定則產生紅色實線所示的磁通。圖4(b)為在定子齒間加入永磁體，繞組未通電只有永磁體產生磁通，磁通路徑藍色虛線表示。圖4(c)為在定子槽口加入永磁體，繞組通入電流很小，勵磁產生的磁路用紅色實線表示，永磁體產生的磁路用藍色虛線表示。兩者產生的磁鏈方向相反。此時電機磁動勢是永磁體的磁動勢減去勵磁產生的磁動勢。圖4(d)為在定子槽口加入永磁體，繞組通入較大電流時，電勵磁產生的磁通路徑為紅色實線表示。永磁體產生磁通路徑為藍色虛線所示，方向和圖4(c)情況下相反。在此情況下HESSRM磁動勢為永磁體磁動勢和電勵磁產生的磁動勢二者之和，從而電機的輸出轉矩增加。

圖3 12/8極HESSRM磁路Fig.3 12/8 HESSRM

圖4 不同勵磁方式下的磁鏈曲線Fig.4 Magnetic circuit under different excitation modes

2 數學模型與分析方法

2.1 數學模型

為了建立HESSRM電機數學模型，忽略電機運行系統產生的銅耗、鐵耗和摩擦損耗，把系統看成一個無損系統。機電能量轉換僅認為通過磁場儲能這一媒介[16]完成。該物理系統表示為

(1)

(2)

dWfld=idψ-fflddx

(3)

對于HESSRM，在僅有一相繞組通有電流時，電流會快速上升，快速越過小電流下[圖4(c)]的工作模式到達大電流下[圖4(d)]的工作模式，此時磁鏈ψx由一相電勵磁產生的磁鏈ψix和永磁體產生的磁鏈ψpmx兩者產生的磁鏈總和。其中電勵磁產生的磁鏈為電感L和電流i的乘積。磁鏈、電感都是轉子位置和電流的函數，因此此時磁鏈為

ψx=ψix(ix,θ)+ψpmx(ix,θ)=

Li+ψpmx(ix,θ)

(4)

對于磁場的儲能系統無損線圈的端電壓就是線圈磁鏈對時間的變化率：

Ux=dψ/dt

(5)

將式(4)帶入式(5)可得：

(6)

激發x相的磁共能為

W′x=W′ix(ix,θ)+W′pmx(ix,θ)

(7)

式中:Wix(ix,θ)為勵磁電流產生的磁共能；Wpmx(ix，θ)為永磁體產生的磁共能。因此單相產生的電磁轉矩為

(8)

式(8)中：Trx為勵磁電流產生的電磁轉矩；Tpmx為永磁體產生的轉矩。即HESSRM轉矩是電勵磁產生的轉矩和永磁體產生的轉矩之和。

2.2 等效磁路法

等效磁路模型已被用于模擬各種電磁裝置中的飽和磁場分析[17]。HESSRM和傳統的SRM一樣，其一般工作在高飽和狀態，電磁特征有很強的非線性，很難定量對磁鏈進行分析。為了定性分析磁鏈，建立HESSRM等效磁路模型如圖5所示。

圖5 HESSRM等效磁路Fig.5 Magnetic equivalent circuit model of HESSRM

提出線性假設，忽略相間互感和漏感，且僅研究單繞組通電和通電相間對應的永磁體作用的情況。在圖5中,Fe代表電勵磁產生的磁動勢，Fm代表永磁體產生的磁動勢,Φm為永磁體產生的磁通，Φe為通電繞組產生的磁通,Rstd代表定子齒與永磁體連接部分的磁阻，Rstu代表定子齒上除去Rstd剩下的磁阻，Rm代表永磁體內部磁阻，Rδ代表氣隙磁阻，Rry代表定子軛磁阻，Rrt代表扇形轉子磁阻。在電機實際工作中Rδ1和Rδ4所在回路磁阻值比較大，而且磁路中其他回路磁阻也較大，因此忽略圖5磁路虛線框外的其他部分，只考慮圖中虛線部分磁路，對磁路列方程得

(9)

進一步化簡磁路得到簡化的等效磁路如圖6所示。在圖6中Re為Rstu1、Rsy2、Rstu2三者之和，Rm1為永磁體磁阻，R為Rstd1、Rδ2、Rrt2、Rδ3、Rstd2五者之和。Fm1為永磁體磁動勢，Φm是其產生的磁鏈，Fe1為單相繞組產生的磁動勢，Φe是其產生的磁鏈。對磁路列寫磁路方程為

(10)

解得

(11)

圖6 HESSRM簡化等效磁路Fig.6 Simplified magnetic circuit of HESSRM

3 新型電機的工作特性

3.1 永磁體厚度對電機轉矩的影響

電機永磁體的放置位置和尺寸參數將對電機轉矩性能產生影響。考慮到加工工藝以及實際工作情況，在定子齒距離氣隙0.8 mm的位置放置永磁體，并分析電機在不同永磁體尺寸下靜態平均轉矩。

圖7所示為不同永磁體厚度下的轉矩。可以看出隨著永磁體厚度的增加，電機平均轉矩隨之增加，但是永磁體厚度在超過2.5 mm之后這種增加趨勢變緩，此外電機在槽口加永磁體影響電機槽滿率。選取合適的永磁體厚度大小，是電機轉矩性能和槽滿率之間的平衡。為此這里選取厚度為2.5 mm的永磁體加入HESSRM的定子槽口。

圖7 不同永磁體厚度下的轉矩Fig.7 Torque at different thicknesses of permanent magnet

3.2 電勵磁和永磁體轉矩占比

HESSRM總轉矩Tx是勵磁轉矩Trx與永磁體轉矩Tpmx兩者之和，兩者高度耦合，而且在大電流和小電流情況下轉矩耦合的形式也不相同。圖8顯示在一個周期位置下不同電流激勵時產生的轉矩以及占比情況。圖8(a)～圖8(c)依次分別是HESSRM產生的總轉矩Tx、勵磁轉矩Trx和永磁體轉矩Tpmx。圖8(d)是在單相通以0～24 A電流時，Tx、Trx和Tpmx的平均靜態轉矩。在i=4 A時Tpmx占比7.3%，i=12 A時占比為11%，在i=20 A時占比為14.2%，i=24 A占比為15.3%。

圖8 3種靜態轉矩的比較Fig.8 Comparison of static average torque profiles for three types of torque

3.3 齒槽轉矩

齒槽轉矩指的是在沒有通電的情況下永磁體與不同角度位置的轉子之間相互作用產生的電磁吸引力。當電機旋轉時，由于定轉子齒槽的存在，磁場能量不均勻分布[18]產生轉矩Tcog。具體可表示為

(12)

式(12)中：W為磁場能量，J；θ為定于和轉子之間的相對機械角度。

沒有永磁體的開關磁阻電機不存在齒槽轉矩。加入永磁體后開關磁阻電機應有較低的齒槽轉矩，這樣轉矩脈動更小，電機性能更好。齒槽轉矩是評價具有永磁的電機性能的一個重要指標。圖9中齒槽轉矩為-0.000 75～0.000 75 N·m，幾乎可以忽略不計。說明在沒有電勵磁的情況下沒有磁力線穿過氣隙，而在定子齒或者定子軛加入永磁體在沒有電勵磁的情況下，磁力線經過氣隙，在定轉子極之間閉合。齒槽轉矩遠比在定子槽口加入永磁體產生的齒槽轉矩大。就齒槽轉矩來看，HESSRM優于其他的在定子齒或者定子軛加永磁體的SRM。

圖9 HESSRM齒槽轉矩Fig.9 Cogging torque of HESSRM

4 HESSRM與SSRM的比較

HESSRM樣機參數如表1所示。

表1 樣機的主要參數Table 1 Parameters of the HESSRM prototype motor

4.1 飽和程度與操作范圍比較

加入永磁體后，HESSRM與SSRM磁鏈的飽和程度并不相同。而且因為開關磁阻電機原有的雙凸極結構，電機內部各個位置點的飽和程度也不相同，在不同電流激勵下，這里在HESSRM和SSRM氣隙中心，定子齒尖、定子齒和定子軛，分別取圖10所示的1、2、3、4這4個位置點分析其飽和程度。

圖10 4個位置點Fig.10 Four location points

選取對準位置分別比較4個點磁通密度，各點氣隙磁密如圖11所示，在位置點1，小電流下，HESSRM永磁鐵產生的磁鏈在兩定子齒和定子軛之間閉合[圖4(c)]，不經過氣隙，由于永磁體磁鏈方向與勵磁磁鏈方向相反，此時相對于SSRM，合成磁鏈略小；在大電流下，永磁體磁鏈經過氣隙和扇形轉子，與勵磁磁鏈方向相同[圖4(d)]，合成磁鏈增加，磁密變大，相同電流下產生更大的磁場能量。

在位置點2，電流為零時，HESSRM僅有永磁體產生磁鏈，磁密為0.742 6 T，如圖11(b)所示。小電流下，由于電勵磁的磁鏈方向與永磁體相反，磁鏈相互抵消，經過位置點2的磁密變小，但是位置點2靠近永磁體，始終受永磁體較大的磁場影響，故該點磁密不能減小到0；在大電流下，永磁體和電勵磁產生的磁鏈方向相同，在A點時磁密曲線出現拐點，此時A點電流為1 A，磁密為0.5 T。1～20 A時，由于永磁體的偏置作用，飽和程度延遲，此時HESSRM飽和程度低于SSRM磁鏈。隨電流的繼續增大，由于位置點2處于極靴位置，是電機飽和最嚴重的位置，通電電流大于20 A以后兩電機的磁密大小接近，電機飽和程度相當。

在位置點3、4時，當電流為零時，HESSRM僅有永磁體產生磁鏈，磁密分別為0.402 1 T、0.228 7T，如圖11(c)和圖11(d)所示；小電流下，由于電勵磁的磁鏈方向與永磁體相反，且勵磁鏈磁鏈產生的磁鏈逐漸增大，直至相互抵消，經過位置點2的磁密變小，直至為零。由于永磁體磁場偏置，飽和延遲，HESSRM磁密低于SSRM。

圖11 4個位置點飽和程度Fig.11 Comparisons of saturation degrees at four location points

事實上磁密的數值只有大小沒有方向。在圖11(c)和圖11(d)中，小電流下，即磁密B等于零的左邊，其磁鏈方向與大電流下相反。此時如果定義在大電流下磁密數值為正值，則相比大電流下電流下的磁密可定義為負值。傳統的SRM的操作范圍通常限于B-H平面的第一象限。通過添加少量磁性材料，HESSRM的工作范圍擴展到第三象限，如圖12所示。整體上看HESSRM的飽和程度低于SSRM，電機操作范圍變大，從而增加給定轉矩的能力。

圖12 HESSRM與SSRM操作范圍對比Fig.12 Comparisons of operation ranges between HESSRM and SSRM

4.2 轉矩的比較

由式(7)可以看出,電機電磁轉矩的大小取決于磁共能的大小，磁共能大小則對應ψ-i運動軌跡圍成的面積。圖13所示為在0～24 A電流激勵下，兩種電機對齊位置和不對齊位置的ψ-i曲線。

圖13 HESSRM與SSRM的ψmax、ψmin隨電流變化曲線Fig.13 ψ-i curves of ψmax and ψmin of HESSRM and SSRM

在相同相電流下，在不對齊位置上HESSRM磁鏈低于具有的傳統SSRM磁鏈，且電流小于5.3 A時HESSRM的相位磁鏈為負值，這是由于磁體的反向偏置效應引起的飽和延遲。在對齊位置上HESSRM磁鏈始終低于SSRM的磁鏈值。HESSRM的ψ-i曲線所圍成的面積大于普通SSRM。這意味著HESSRM產生的轉矩大于普通SSRM。平均轉矩和轉矩脈動[19]可直觀反映電機性能的指標。其中轉矩脈動可定義為

(13)

式(13)中:Tmax和Tmin分別為該周期內的最大和最小轉矩；Tav為平均轉矩。

在相同的尺寸和控制方式下的傳統SSRM和HESSRM動態轉矩特性如圖14所示。HESSRM相比SSRM其平均轉矩提高10.7%，轉矩脈動減少11.1%。這表明在定子槽口加入永磁體后極大提高了電機轉矩性能。

圖14 兩種電機轉矩波形對比Fig.14 Comparison of two motors torque waveforms

4.3 電機利用系數的比較

為了表征電機單位體積內產生的電磁轉矩與通電電壓大小之間的關系，定義電機利用系數為

(14)

式(14)中：Ds為電機的外徑；la為電機鐵芯長度。HESSRM與SSRM有相同的外徑Ds和電機鐵芯長度la，當繞組通有相同的電壓時，Kv(i)正比于Tav，從而能夠直觀地比較兩者功率密度的大小。圖15所示為兩種電機的利用系數對比，可以看出，隨著電壓的增大，HESSRM的利用系數逐漸大于傳統SSRM，在大電壓區域優勢更加明顯。

圖15 HESSRM與SSRM的電機利用系數對比Fig.15 Comparison of the utilization factor of two motors

5 結論

為了提高SSRM的轉矩性能，在帶有分段轉子的12/8極開關磁阻電機的定子槽口沿圓周方向依次增設12塊永磁體，構成一種新型的HESSRM。與傳統SSRM相比較，相同尺寸的HESSRM有以下優勢：

(1)平均轉矩提高10.7%，轉矩脈動減少11.1%。

(2)產生相同轉矩時，HESSRM的定子極和定子軛飽和程度更低，操作范圍更寬。

(3)HESSRM的定子槽口加永磁體，幾乎沒有齒槽轉矩。

(4)電壓等級越高，HESSRM的利用系數越高。