胡 欣， 孫建龍， 李進(jìn)才， 趙朝會(huì)

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

Deodhar等[1]提出了一種同時(shí)具有永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型電機(jī)——磁通反向電機(jī)(Flux Reversal Machine， FRM)[1]。隨后，Boldea等[2]對三相FRM的模型建立、參數(shù)計(jì)算等進(jìn)行了研究，提出了FRM設(shè)計(jì)的基本理論。FRM的永磁體安裝于定子齒上，可采用表面貼裝式或內(nèi)嵌式[3]。該電機(jī)一經(jīng)提出就吸引了國內(nèi)外學(xué)者的研究，促進(jìn)了FRM的進(jìn)一步完善： 對于FRM雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩較大而影響運(yùn)行平穩(wěn)性的問題，文獻(xiàn)[4-8]中采用轉(zhuǎn)子斜槽、增加轉(zhuǎn)子齒寬、轉(zhuǎn)子齒配對、轉(zhuǎn)子極增加輔助槽等方法加以解決；在提高功率密度方面，文獻(xiàn)[8-9]中采用整距繞組的方法使感應(yīng)電動(dòng)勢和輸出功率提高了100%；FRM自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有較多的漏磁，文獻(xiàn)[10]中采用定子極凹面結(jié)構(gòu)，在凸極轉(zhuǎn)子的邊緣設(shè)置磁通柵欄來減少漏磁[10]。由于FRM具有結(jié)構(gòu)簡單、容錯(cuò)性好、電感和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在汽車發(fā)電機(jī)領(lǐng)域[11]、直線、直驅(qū)領(lǐng)域[12]、低速直驅(qū)領(lǐng)域[13]都有很好的應(yīng)用前景。

目前，雖然FRM有了很大發(fā)展，但現(xiàn)有文獻(xiàn)多以三相FRM為研究對象，對單相FRM的研究較少。文獻(xiàn)[14]中針對單相FRM沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩問題，提出了轉(zhuǎn)子極梯度設(shè)計(jì)和開齒槽等解決辦法；文獻(xiàn)[15]中提出了一種保證單相FRM魯棒性的控制方法。由于FRM只有永磁體單一勵(lì)磁源，導(dǎo)致其磁場調(diào)節(jié)困難。針對此問題，本文以2/3單相極FRM為模型，提出在定子軛部開槽增加一組交流勵(lì)磁補(bǔ)償繞組的方法，通過有限元法(Finte Element Method, FEM)分析了空載時(shí)，轉(zhuǎn)子在電樞繞組交鏈的磁通最大位置處的磁鏈分布，并比較了在此位置時(shí)模型分別采用3種不同剩磁感應(yīng)強(qiáng)度的永磁材料(Y20H、XGS-80和NTP-216)的氣隙磁密、電樞繞組交鏈的磁通隨補(bǔ)償繞組中激勵(lì)電流密度改變而變化的情況，以及電樞繞組中的感應(yīng)反電動(dòng)勢。

1 電機(jī)模型及工作原理

1.1 電機(jī)模型

傳統(tǒng)單相2/3極FRM截面圖如圖1所示。由圖可見，其轉(zhuǎn)子有3個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子極弧為60°；定子有2個(gè)凸極，定子極弧為120°。定子上、下兩凸極上繞制相互串聯(lián)的集中繞組，產(chǎn)生方向相同的磁動(dòng)勢。在定子凸極表面貼裝有兩塊等寬、充磁方向相反的永磁體，充磁方向近似為徑向，上、下相對的永磁體充磁方向也相反。本文對單相2/3極FRM進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的電機(jī)具有合理的磁導(dǎo)系數(shù)，氣隙長度設(shè)置為0.6mm，保持原有的尺寸結(jié)構(gòu)不變，只在定子軛部開槽增加一組交流勵(lì)磁補(bǔ)償繞組。這樣做不僅保留了FRM結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、魯棒性好等特點(diǎn)，且無需額外增加電機(jī)尺寸。圖2為改進(jìn)后的新型電機(jī)模型截面圖。模型主要尺寸如表1所示。

圖1 傳統(tǒng)2/3極單相FRMFig.1 Traditional 2/3 single FRM

圖2 改進(jìn)后的2/3極單相FRMFig.2 Improved 2/3 single FRM

表1 FRM主要尺寸

1.2 工作原理

2/3極單相FRM在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，伴隨著轉(zhuǎn)子與定子極表面貼裝的永磁體之間的位置變化，定子上電樞繞組中的磁鏈會(huì)發(fā)生一系列連續(xù)變化，從而產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距的角度時(shí)，定子繞組的磁鏈將發(fā)生一個(gè)周期的變化。2/3極單相FRM的極對數(shù)為3，故一個(gè)電周期為120°。

空載時(shí)，傳統(tǒng)FRM的磁通由貼裝于定子齒上的永磁體產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極齒中心與定子極中心線對齊時(shí)，沒有磁通交鏈通過電樞繞組，規(guī)定此時(shí)轉(zhuǎn)子的位置角度為0°，如圖3(a)所示。隨著轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過電樞繞組中磁通逐漸增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，即轉(zhuǎn)子極與定子極左邊永磁體完全對齊，此時(shí)通過電樞繞組中的磁通達(dá)到最大值，如圖3(b)所示。轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆轉(zhuǎn)，電樞繞組交鏈的磁通逐漸減少，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°時(shí)，如圖3(c)所示，此時(shí)磁通降為0，轉(zhuǎn)子第2次達(dá)到平衡位置。轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆轉(zhuǎn)，電樞繞組交鏈的磁通反向增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，電樞繞組交鏈的磁通反向達(dá)到最大，如圖3(d)所示。此后，隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電樞繞組交鏈的反向磁通逐漸減少，最后達(dá)到如圖 3(a)所示位置，重復(fù)前面過程。

圖3 FRM運(yùn)行原理Fig.3 Operation principle of FRM

因此，當(dāng)改進(jìn)后的電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在補(bǔ)償繞組中加入了隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化的交流電；當(dāng)定子齒中永磁體產(chǎn)生的向下的磁鏈增加時(shí)，補(bǔ)償繞組中的電流也同時(shí)增加向下的磁鏈；當(dāng)永磁體在定子電樞繞組中產(chǎn)生的磁鏈反向，并逐漸增加時(shí)，勵(lì)磁電流也隨之反向并產(chǎn)生反向且逐漸增加的磁鏈。由于2/3極單相FRM的極對數(shù)為3，若補(bǔ)償繞組中接入正弦交流電，則電流為

i=Jmax·Ssin 3(ωt+φ)

(1)

式中，Imax為交流電流密度幅值；S為導(dǎo)線橫截面積；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；φ為轉(zhuǎn)子初始時(shí)刻位置角度。通過對Jmax的控制，就可以對氣隙磁密進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓。

2 二維靜態(tài)場有限元分析

本文主要通過FEM分析改進(jìn)的電機(jī)空載時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°(處于圖3(b)位置)、定子電樞繞組交鏈的磁通最大時(shí)的磁力線分布，以及電機(jī)模型采用不同永磁材料時(shí)，氣隙磁密和磁通隨補(bǔ)償繞組中電流改變的情況。根據(jù)FRM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其永磁體間不具有聚磁作用，導(dǎo)致其磁密較低，故本文主要分析增加的補(bǔ)償繞組對模型的增磁作用，此時(shí)，補(bǔ)償繞組中的電流密度瞬時(shí)值為Jmax。

模型使用的永磁體分別為Y20H、XGS-80和NTP-216，其中，Y20H為缺氧體永磁材料，XGS-80為稀土鈷永磁材料，NTP-216為釹鐵硼永磁材料，它們的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為為0.34T、0.6T和1.02T，永磁體參數(shù)如表2所示。

表2 永磁材料主要參數(shù)

為簡化模型，提高計(jì)算速度，在進(jìn)行二維有限元仿真時(shí)，針對FRM的特點(diǎn)作如下假設(shè)：

(1) 忽略電機(jī)端部效應(yīng)及電機(jī)磁場沿軸向的變化，電流密度矢量J和矢量磁位A只有軸向分量，J=Jz，A=Az。

(2) 鐵芯磁導(dǎo)率各向同性，忽略磁滯、渦流損耗。

(3) 除電機(jī)定子鐵芯之外的磁場忽略不計(jì)。

(4) 導(dǎo)體上的電流均勻分布。

2.1 磁力線分布

圖4所示為永磁材料采用Y20H時(shí)，模型在不同激勵(lì)下的磁力線分布圖。圖4(a)為永磁體單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)磁力線分布圖。由圖可見，在定子齒處有大量的磁力線經(jīng)過定子凸極極靴、永磁體、氣隙和轉(zhuǎn)子齒側(cè)，形成閉合線，并沒有穿過電樞繞組成為漏磁。圖4(b)為補(bǔ)償繞組單獨(dú)作用時(shí)的磁力線分布圖，Jmax=8A/mm2。圖4(c)為補(bǔ)償繞組與永磁體共同作用下的磁力線分布，此時(shí)，補(bǔ)償繞組中電流在定子凸極齒中產(chǎn)生的磁場方向與左側(cè)永磁體在定子凸極齒部產(chǎn)生的磁場方向相同，起到加強(qiáng)作用，而與右側(cè)永磁體磁場方向相反。由圖4可見，當(dāng)補(bǔ)償繞組與永磁體共同作用時(shí)，經(jīng)過同齒的兩塊永磁體間的磁力線有部分減少。

圖4 在不同勵(lì)磁下的磁力線分布Fig.4 Magnetic field distribution under different excitation

2.2 氣隙磁密分析

氣隙磁密的大小對電機(jī)的飽和程度、輸出功率、損耗等多項(xiàng)性能指標(biāo)都有著重要影響。圖5給出了當(dāng)補(bǔ)償繞組中激勵(lì)電流密度Jmax分別取10、8、6、2、0、-2A/mm2時(shí)，補(bǔ)償繞組分別與3種不同永磁材料共同作用下的氣隙磁密。

由圖5可見，① 只要對補(bǔ)償繞組中電流密度值進(jìn)行調(diào)整，就可以很輕松地對2/3極單相FRM的氣隙磁密進(jìn)行調(diào)節(jié)；且由于鐵芯飽和度的影響，永磁材料使用Y20H時(shí)，其調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于XGS-80和NTP-216，但總體磁密值較低。② 當(dāng)氣隙磁密在機(jī)械角度90°和270°附近(即極性相反兩塊相鄰永磁體間)時(shí)，隨著使用的永磁材料剩磁的加大，氣隙磁密的波形也越來越尖銳，這說明所使用永磁體間的漏磁量也在加大。在一定范圍內(nèi)，隨著Jmax的逐漸增大，右側(cè)永磁體處的氣隙磁密在不斷減小，表明補(bǔ)償繞組的加入可以在一定程度上減少右側(cè)永磁體處的漏磁。

2.3 磁通分析

FRM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其存在大量的漏磁，但對漏磁量卻很難直接計(jì)算；對其氣隙磁密的計(jì)算，也很難從量上準(zhǔn)確分析補(bǔ)償繞組對模型磁場的調(diào)節(jié)，進(jìn)而分析其對控制電壓調(diào)節(jié)率的作用。而在理想狀況下，F(xiàn)RM電樞繞組中磁通呈雙極性變化三角波，感應(yīng)出矩形的電動(dòng)勢波，磁通量與感應(yīng)電動(dòng)勢成正比，直接關(guān)系著FRM的輸出能力。因此，對轉(zhuǎn)子處于此位置的繞組交鏈中磁通量的計(jì)算，即磁通量變化的幅值，可以更加直觀、準(zhǔn)確地反映補(bǔ)償繞組對磁場的調(diào)節(jié)能力和對電壓調(diào)整率的控制作用。本文主要分析模型使用3種不同永磁材料時(shí)補(bǔ)償繞組中電流密度變化對電樞繞組中磁通的影響，以及補(bǔ)償繞組單獨(dú)作用時(shí)磁通的變化，如圖6所示，具體數(shù)值如表3所示。其中，φ0、φ1、φ2和φ3分別為補(bǔ)償繞組單獨(dú)作用，以及補(bǔ)償繞組與Y20H、XGS-80、NTP-216共同作用時(shí)電樞繞組中的磁通量。

由圖可見，電樞繞組中的最大磁通量均隨著補(bǔ)償繞組中Imax的增加而增加，當(dāng)補(bǔ)償繞組單獨(dú)作用，以及補(bǔ)償繞組與永磁材料Y20H共同作用時(shí)，磁通量均隨Imax的增加呈線性增長，且增長率近似相等。當(dāng)補(bǔ)償繞組分別與永磁材料XGS-80與NTP-216共同作用時(shí)，由于受鐵心飽和度的影響，磁通量均隨電流密度的增加呈非線性增長，且增長率越來越低。

圖5 不同電流密度下的氣隙磁密Fig.5 Air-gap flux density under different current density

圖6 不同電流密度下磁通量變化情況Fig.6 Variation of flux under different current density

表3 不同電流密度下磁通量值

由表3可見，當(dāng)永磁體為Y20H和XGS-80時(shí)，補(bǔ)償繞組與永磁體共同作用產(chǎn)生的磁通量要大于它們各自作用產(chǎn)生的磁能量之和，如永磁材料為Y20H，Jmax=5A/mm2時(shí)，補(bǔ)償繞組單獨(dú)作用的磁通量為11.8mWb，永磁體單獨(dú)作用為 8.5mWb，它們的和為20.3mWb，而它們共同作用時(shí)產(chǎn)生的磁通量為21.0mWb，相對于它們單獨(dú)作用的磁通量之和提高了3.45%；這是由于永磁體對電勵(lì)磁的聚磁作用以及漏磁減少的緣故，說明該模型中雖然補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁勢與永磁體產(chǎn)生磁勢為串聯(lián)磁勢，但并不是簡單加總，補(bǔ)償繞組與永磁體共同作用可以在一定程度上提高電機(jī)性能以及永磁材料的利用率。但由于受鐵芯飽和度的影響，由表3中可見，該結(jié)論并不適用于永磁材料為NTP-216的模型。由表3還可見，Jmax=8A/mm2時(shí)，永磁材料為XGS-80和NTP-216時(shí)，在電樞繞組中得到的磁通量相同。由上文氣隙磁密的計(jì)算可知，當(dāng)永磁材料采用XGS-80時(shí)，左、右側(cè)氣隙磁密平均數(shù)的絕對值分別為0.6715T和0.0147T，而采用NTP-216時(shí)分別為0.8196T和 0.1228T，比前者分別高出 0.1481T 和 0.1081T，而它們在電樞繞組中產(chǎn)生的磁通量相同，這說明永磁材料為NTP-216時(shí)，氣隙磁密中存在著大量漏磁，驗(yàn)證了對圖5分析時(shí)得出的結(jié)論，即使用剩磁較高的永磁材料，會(huì)使模型漏磁顯著增加。而當(dāng)Jmax>8A/mm2時(shí)，由于受鐵芯嚴(yán)重飽和、漏磁量大幅度增加的影響，使用剩磁較高的NTP-216在電樞繞組中產(chǎn)生的最大磁通量反而比使用剩磁較低的XGS-80要小，這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

2.4 空載反電動(dòng)勢

本文主要分析空載情況下，當(dāng)模型用永磁材料為XGS-80時(shí)，電樞繞組(默認(rèn)為1匝)在永磁體單獨(dú)作用時(shí)的感應(yīng)反電動(dòng)勢，以及在補(bǔ)償繞組中通入交流電，激勵(lì)電流密度幅值Jmax=8A/mm2時(shí)的感應(yīng)反電動(dòng)勢。設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=1000r/min，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置如圖3(b)所示時(shí)，補(bǔ)償繞組中通入交流電i=Jmax·Ssin(100πt+ π/2)， 可得到如圖7所示的空載情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢。由圖可見，補(bǔ)償繞組不僅可通過調(diào)節(jié)磁場來控制輸出電壓，而且可以使輸出電壓具有更好的正弦性。

圖7 空載時(shí)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢Fig.7 Induced electromotive force of armature winding without load

3 結(jié) 論

本文針對2/3單相FRM磁場調(diào)節(jié)困難的問題，在定子軛部開槽增加了交流補(bǔ)償繞組。對新模型使用3種剩磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的永磁材料時(shí)，補(bǔ)償繞組的調(diào)磁特性進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償繞組中Jmax可以有效、方便地對電機(jī)磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2) 增加的補(bǔ)償繞組有助于消弱定子極處的漏磁。當(dāng)永磁材料使用Y20H或XGS-80時(shí)，補(bǔ)償繞組與永磁體共同作用在電樞繞組中產(chǎn)生的磁通量要大于它們單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁通量之和。

(3) 永磁材料剩磁量的增加會(huì)使定子極處的漏磁大幅增加。

(4) 當(dāng)Jmax>8A/mm2時(shí)，模型使用剩磁較高的NTP-216(Br=1.02T)時(shí)，在電樞繞組中產(chǎn)生的磁通量反而小于剩磁強(qiáng)度較低的XGS-88(Br=0.6T)。

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