趙朝會(huì)， 袁龍生， 李 鍵， 曹書(shū)豪

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海200240；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海200240；3.上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海200240）

在定子齒部嵌入永磁體的磁通切換雙凸極電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Flux Switching Motor，F(xiàn)SPM）最早是于1955年由Rauch和Johnson提出的[1]，之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)這種電動(dòng)機(jī)的研究很少。隨著永磁材料的發(fā)展，Hoang等[2-4]在1997年重新將研究目光投向FSPM，隨后電勵(lì)磁FSPM[5-6]、混 合 勵(lì) 磁 FSPM 也 被 相 繼 提 出[7-9]。國(guó)內(nèi)的浙江大學(xué)和東南大學(xué)較早就開(kāi)展了對(duì)FSPM電動(dòng)機(jī)的研究[10-15]。圖1所示為浙江大學(xué)研制的24V、450W、1 500r／min的三相6／5極結(jié)構(gòu)FSPM的截面圖；圖2所示為東南大學(xué)研制的三相12／10極結(jié)構(gòu)FSPM。其中，浙江大學(xué)主要以6／4極、6／5極FSPM為載體，研究了FSPM的弱磁擴(kuò)速運(yùn)行的結(jié)構(gòu)與性能等；東南大學(xué)以12／10、12／8極FSPM為載體，研究了其端部效應(yīng)對(duì)新型定子永磁型雙凸極電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)的影響等。

黃志 文等[12-14]認(rèn) 為：6／5 極 FSPM 比 6／4、12／10、12／8極FSPM具有更好的性能，更寬的弱磁范圍。本文探討了一種6／7極FSPM，對(duì)其靜態(tài)場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行了有限元計(jì)算，并與6／5極FSPM的性能進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證6／7極FSPM性能的優(yōu)越性。

1 6／7極FSPM的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖3為一臺(tái)三相6／7極FSPM結(jié)構(gòu)圖。該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相似，定子采用對(duì)稱的三相集中式繞組，空間相對(duì)的兩繞組反向串聯(lián)成一相，永磁體采用切向充磁，相鄰的兩個(gè)永磁體充磁方向相反，定子鐵心為U型的導(dǎo)磁鐵芯。

圖3 6／7極FSPM結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of 6／7pole FSPM

用于磁場(chǎng)分析計(jì)算的FSPM的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中用于有限元計(jì)算的6／3、6／5、6／7極FSPM定子結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。

表1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of FSPM

2 6／7極FSPM的電磁場(chǎng)分析與計(jì)算

為了便于有限元分析，假設(shè)如下[15]：① 磁場(chǎng)沿電動(dòng)機(jī)軸向不變，把問(wèn)題作為二維磁場(chǎng)來(lái)處理；② 定、轉(zhuǎn)子基波磁勢(shì)均以同步速旋轉(zhuǎn)，定子磁場(chǎng)不會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流，認(rèn)為是恒定磁場(chǎng)；③ 定、轉(zhuǎn)子鐵心外緣的散磁忽略不計(jì)。

2.1 6／7極FSPM靜態(tài)場(chǎng)研究

利用有限元方法對(duì)提出的新型6／7極FSPM進(jìn)行了建模，同時(shí)對(duì)其空載時(shí)的靜態(tài)場(chǎng)進(jìn)行仿真研究（空載時(shí)，靜態(tài)場(chǎng)仿真中由于沒(méi)有涉及定子繞組，故圖中沒(méi)有示出）。圖4為磁力線分布圖。由圖可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)的磁力線走向較合理。圖5為FSPM的磁密云圖，根據(jù)云圖中的飽和程度可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子齒、轉(zhuǎn)子軛等部位進(jìn)行必要的加厚或減薄設(shè)計(jì)，使電動(dòng)機(jī)在滿足出力大的同時(shí)，能提高材料的利用率。

2.2 6／7極FSPM瞬態(tài)電磁場(chǎng)研究

本文提出的新型6／7極FSPM，定子為6個(gè)齒槽，轉(zhuǎn)子為7個(gè)齒，即7極。仿真計(jì)算時(shí)，取轉(zhuǎn)子齒寬7.79mm。圖6所示為6／7極FSPM有限元計(jì)算求解區(qū)域；瞬態(tài)場(chǎng)有限元計(jì)算，定子繞組采用反向串聯(lián)，相對(duì)的兩定子齒上的繞組串聯(lián)成一相繞組，為三相對(duì)稱集中繞組，定子繞組通入三相對(duì)稱的正弦波電流，即此時(shí)FSPM采用同步電動(dòng)機(jī)的控制方式。

圖6 6／7極FSPM有限元計(jì)算求解域Fig.6 Finite element solution domain of 6／7pole FSPM

由圖7中的6／7極FSPM齒槽轉(zhuǎn)矩波形可見(jiàn)，其齒槽轉(zhuǎn)矩較小，說(shuō)明其起動(dòng)性能較好、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。圖8和圖9所示6／7極FSPM磁鏈波形正弦性較好。

圖9 6／7極FSPM反電勢(shì)波形Fig.9 Back EMF waveform of 6／7pole FSPM

3 6／3、6／5、6／7極FSPM 的性能比較

本文研究并比較了6／3、6／5、6／7極 FSPM（即轉(zhuǎn)子分別為3、5、7個(gè)齒，對(duì)應(yīng)即為3、5、7個(gè)極的FSPM），對(duì)上述3種電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)場(chǎng)仿真研究，以驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)能否正常運(yùn)行及運(yùn)行性能。仿真時(shí)，電動(dòng)機(jī)采用定子繞組通入正弦波電流的控制方式，具體仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 6／3、6／5、6／7極FSPM 的性能比較Tab.2 Comparison of properties 6／3、6／5and 6／7pole FSPM

研究表明：①6／3極FSPM的齒槽轉(zhuǎn)矩較大，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，其磁鏈和反電勢(shì)波形均比較亂，故可得出6／3極FSPM運(yùn)行性能較差甚至不能正常運(yùn)行的結(jié)論；②6／5極FSPM的齒槽轉(zhuǎn)矩波形與6／3極相比，其齒槽轉(zhuǎn)矩較小，磁鏈和空載反電勢(shì)波形正弦性均較好；③6／7極FSPM的齒槽轉(zhuǎn)矩比6／5極還小，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能較好，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，磁鏈（見(jiàn)圖7）和反電勢(shì)波形（見(jiàn)圖8）也好于6／5極FSPM，故可說(shuō)明電動(dòng)機(jī)能正常工作且性能較好。

4 樣機(jī)加工

根據(jù)有限元優(yōu)化結(jié)果，為進(jìn)一步研究6／7極FSPM的性能，分別試制了6／5極FSPM和6／7極FSPM原理樣機(jī)。圖10所示為6／5極FSPM轉(zhuǎn)子，圖11所示為6／7極FSPM原理樣機(jī)。由于篇幅所限，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究將在后期工作中展開(kāi)。

5 結(jié) 論

（1）與6／5極FSPM 相比，6／7極 FSPM 具有更小的齒槽轉(zhuǎn)矩，且磁鏈和反電勢(shì)波形具有更好的正弦性等，適合于交流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制方式。

（2）6／3極FSPM在定子通入正弦波電流時(shí)不能正常運(yùn)行，6／5極FSPM運(yùn)行性能良好，且本文有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了本文有限元計(jì)算的正確性。

（3）6／7極以及6K／7K極（K為正整數(shù)）FSPM的弱磁升速、交直軸電抗的求解以及樣機(jī)的試驗(yàn)將是后續(xù)需要研究的問(wèn)題。

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