諸德宏，劉 成

(江蘇大學(xué)， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

現(xiàn)階段軌道交通用的牽引電機(jī)主要采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)2種。相較于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，直線電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生直接的推力，不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)顯著[1]。國內(nèi)外已投入運(yùn)行的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路中多采用感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)[2]，但感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)存在著漏磁較多，效率低等缺點(diǎn)。相較于感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)，永磁直線電動(dòng)機(jī)具有更高的效率和功率因數(shù)[3]。但是，由于傳統(tǒng)永磁直線電動(dòng)機(jī)的永磁體和電樞繞組分別安裝在短動(dòng)子和長定子上，在需要長定子軌道交通系統(tǒng)中，將導(dǎo)致永磁直線電動(dòng)機(jī)的成本增加且運(yùn)行維護(hù)困難。

近年來，隨著新型永磁直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，雙凸極永磁電機(jī)(以下簡稱DSPM)[4]、磁通反向永磁電機(jī)(以下簡稱FRPM)[5]和磁通切換永磁電機(jī)(以下簡稱FSPM)[6]引起了人們廣泛的關(guān)注。這類電機(jī)將永磁體和電樞繞組都置于初級短動(dòng)子上，而次級長定子僅由導(dǎo)磁鐵心組成，不僅具有感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有永磁直線電動(dòng)機(jī)較高的功率密度。因此，非常適用于城市軌道交通系統(tǒng)這類長定子領(lǐng)域。但是，由于永磁直線電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場僅由永磁體產(chǎn)生，該類電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度恒定不變，無法以高速恒定功率運(yùn)行，不能在較寬的工作范圍內(nèi)保持高效率。

本文研究了一種具有較寬調(diào)速范圍的新型混合勵(lì)磁直線電動(dòng)機(jī)(以下簡稱HELM)，該電動(dòng)機(jī)采用混合勵(lì)磁方式，模塊化結(jié)構(gòu)[7]，基于HELM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，通過有限元方法分析了其電磁性能，并驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 HELM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為三相HELM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其中圖1(a)為初級動(dòng)子的一個(gè)模塊，該模塊由2個(gè)T形導(dǎo)磁鐵心夾著1塊永磁體與隔磁塊組成，每個(gè)T形導(dǎo)磁鐵心上都纏繞有電樞繞組和直流勵(lì)磁繞組。圖1(b)為三相HELM的截面圖，A,B,C三相結(jié)構(gòu)相同。其中A相由2個(gè)模塊組成，2個(gè)模塊之間由隔磁塊進(jìn)行隔離，A相電樞線圈由A1,A2,A3,A44個(gè)線圈串聯(lián)而成。為使在同一個(gè)模塊上的2個(gè)電樞線圈里匝鏈的磁通極性相同，纏繞在該模塊的2個(gè)T形導(dǎo)磁鐵心上的電樞線圈需反向串聯(lián)。同時(shí)，由于相鄰模塊之間永磁體交替充磁，A相2個(gè)模塊上永磁體的磁化方向相反，因此2個(gè)模塊上的直流勵(lì)磁線圈纏繞方向相反，按圖1(b)串聯(lián)連接。

(a)單個(gè)模塊

(b)電機(jī)橫截面

三相HELM采用了模塊化的結(jié)構(gòu)。A相2個(gè)模塊之間相距為λ1=(k±1/2)τs，其中k=2，τs是定子極間距，τs=τm×12/14，τm為動(dòng)子極間距。相鄰兩相的2個(gè)模塊之間的距離為λ2=(j±1/m)τs，j為正整數(shù)，m為相數(shù)[8]。每相之間通過隔磁塊進(jìn)行隔離，這種結(jié)構(gòu)有利于減小端部效應(yīng)，同時(shí)能夠減小高次諧波的影響，提高了反電動(dòng)勢的正弦度。采用混合勵(lì)磁的方式，電機(jī)的氣隙磁場由永磁磁場與電勵(lì)磁磁場共同組成，通過改變直流勵(lì)磁繞組中電流的大小與方向能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)主磁場的靈活調(diào)節(jié)與控制[9]。電機(jī)的詳細(xì)尺寸，如表1所示。

表1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)初值

2 運(yùn)行原理

圖1(b)的HELM工作時(shí)，永磁體與直流勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生磁場，A，B，C三相結(jié)構(gòu)相同。以A相為例，在A相中，一個(gè)模塊上的2個(gè)電樞線圈通過反向纏繞，產(chǎn)生大小相等、極性相同的磁鏈，同相中的另一個(gè)模塊由于永磁體的磁化方向相反，所以將產(chǎn)生極性相反的磁鏈。圖2為HELM在不同電角度時(shí)，A相2個(gè)模塊的磁場分布情況。圖2(a)為磁通負(fù)的最大位置，圖2(b)為第一平衡位置，圖2(c)為磁通正的最大位置，圖2(d)為第二平衡位置。同相中的2個(gè)模塊在空間上存在著180°相位差。因此，纏繞在這2個(gè)模塊上的線圈具有互補(bǔ)特性[10]。

(a) θ=0

(b) θ=90°

(c) θ=180°

(d) θ=270°

圖3展示了HELM磁通調(diào)節(jié)原理。永磁體與直流勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生磁場，通過改變直流勵(lì)磁繞組中電流的大小與方向，從而調(diào)節(jié)通過電樞繞組的磁通。圖3(a)中電勵(lì)磁與永磁勵(lì)磁所產(chǎn)生的磁場同向，此時(shí)為增磁作用；圖3(b)中，改變直流勵(lì)磁繞組電流后，電勵(lì)磁與永磁勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場方向相反，此時(shí)為弱磁作用。

(a) 增磁 (b) 弱磁

圖3磁通調(diào)節(jié)原理

3 電磁性能

3.1 磁場分布

圖4分析了HELM在空載情況下的磁場分布。分析過程中，考慮到永磁體端部外的漏磁情況，需要在電機(jī)外部增加一個(gè)空氣區(qū)域。由圖4可知，在動(dòng)子齒與定子齒重合度越高的位置，其磁力線分布越密集，同時(shí)漏磁通越小。各模塊都存在著少量漏磁，但各模塊之間干擾較小，電機(jī)具有較好的隔磁能力。

圖4磁場分布

3.2 空載磁鏈、反電動(dòng)勢、定位力

本文中的電機(jī)勵(lì)磁磁場由永磁體與直流勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生。當(dāng)勵(lì)磁電流密度If=4A/mm2，電機(jī)空載時(shí)，圖5(a)為電機(jī)A相繞組匝鏈的磁鏈。由圖5(a)可見，線圈A1+A2與線圈A3+A4都為單極性，但是合成后的A相磁鏈為雙極性，且由于A相2個(gè)模塊上的線圈在空間上相差180°，所以線圈A1+A2與線圈A3+A4具有互補(bǔ)特性，合成后的A相磁鏈正弦度較高。圖5(b)為勵(lì)磁電流密度If=12A/mm2時(shí)的三相磁鏈?？梢娎@組磁鏈高度正弦，且通過增大直流勵(lì)磁繞組中的電流密度，繞組磁鏈幅值變大，增磁效果顯著。

(a) 線圈磁鏈與相磁鏈

(b) 三相空載磁鏈

圖5空載磁鏈

圖6(a)為A相反電動(dòng)勢，可見A相2個(gè)模塊中線圈A1+A2里的反電動(dòng)勢波形與線圈A3+A4里的反電動(dòng)勢波形中都含有較大的諧波分量。由于通過線圈A1+A2的反電動(dòng)勢與通過線圈A3+A4的反電動(dòng)勢幅值幾乎相同，但高次諧波分量的相位角相反，所以當(dāng)通過A相2個(gè)模塊線圈中的反電動(dòng)勢串聯(lián)疊加后，A相的反電動(dòng)勢波形中的高次諧波分量較少，波形更接近正弦波。B，C相與A相結(jié)構(gòu)相同，其反電動(dòng)勢波形相同。三相反電動(dòng)勢波形如圖6(b)所示。

(a) A相反電動(dòng)勢

(b) 三相反電動(dòng)勢

圖6反電動(dòng)勢

A，B，C三相模塊疊加合成后的定位力，如圖7所示，因每相模塊之間存在著120°的相位差，最終總的定位力被大幅削弱，幅值較小。

圖7定位力

3.3 調(diào)磁性能

為研究電機(jī)調(diào)磁性能，可以定義調(diào)磁系數(shù)kf:

kf=(ΦHE-ΦPM)/ΦPM×100%

式中：ΦHE是由直流勵(lì)磁繞組與永磁體共同產(chǎn)生的相磁通;ΦPM是僅由永磁體產(chǎn)生的相磁通。當(dāng)kf>0時(shí)，直流勵(lì)磁繞組與永磁體所產(chǎn)生的磁場同向，起到增磁作用；當(dāng)kf<0時(shí)，直流勵(lì)磁繞組與永磁體所產(chǎn)生的磁場反向，起到弱磁作用；當(dāng)kf=0時(shí)，即ΦHE=ΦPM，此時(shí)只有永磁體產(chǎn)生磁場，直流勵(lì)磁繞組中所通電流為0。

圖8為在不同直流勵(lì)磁電流下的A相磁鏈與A相反電動(dòng)勢，展示了電機(jī)的調(diào)磁性能。可見A相磁鏈與反電動(dòng)勢波形都是高度正弦的。當(dāng)直流勵(lì)磁電流密度在-12～+12A/mm2變化時(shí)，調(diào)磁系數(shù)kf的范圍為-75%～+60%，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)氣隙磁場的調(diào)節(jié)與控制。采用混合勵(lì)磁使得電機(jī)能夠進(jìn)行弱磁與增磁控制，電機(jī)具有較寬調(diào)速范圍。

(a) A相磁鏈

(b) A相反電動(dòng)勢

圖8電機(jī)調(diào)磁性能

4 結(jié) 語

本文研究了一種新型模塊化HELM，通過有限元軟件對其結(jié)構(gòu)、工作原理以及電磁特性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)初級動(dòng)子采用模塊化結(jié)構(gòu)，每相由2個(gè)磁路互補(bǔ)的模塊組成，2個(gè)模塊中的線圈串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，有效地減小了相磁鏈與反電動(dòng)勢中的高次諧波，確保了三相反電動(dòng)勢呈正弦分布。每相之間存在著120°的相位差，使得整個(gè)電機(jī)合成的定位力較小。同時(shí)各模塊之間干擾較小，電機(jī)具有較強(qiáng)磁隔離能力，容錯(cuò)能力強(qiáng)。

2)采用混合勵(lì)磁的方式，保證電機(jī)具有較高效率的同時(shí)，減小了永磁體的用量。通過控制直流勵(lì)磁繞組中的電流，能夠?qū)﹄姍C(jī)的氣隙磁場進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)弱磁與增磁的控制。

3)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于生產(chǎn)加工、便于運(yùn)行維護(hù)，具有次級定子結(jié)構(gòu)簡單、反電動(dòng)勢正弦、定位力較小、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，適用于軌道交通等長定子應(yīng)用場合。