王世永，劉 旭，董丹陽(yáng)，王建飛

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130； 2.河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130; 3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0七研究所，天津 300130)

0 引 言

由于永磁電機(jī)具有較高轉(zhuǎn)矩密度和效率，它在電動(dòng)汽車、航空航天、機(jī)械加工以及可再生能源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。將永磁體和電樞繞組放置在電機(jī)定子上，開關(guān)磁鏈電機(jī)中永磁體產(chǎn)生的損耗容易耗散，具有較高的可靠性[1-11]。然而，傳統(tǒng)開關(guān)磁鏈電機(jī)直軸電感較小，調(diào)速范圍較窄，限制了該類電機(jī)在電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用[11]。

為了提高開關(guān)磁鏈電機(jī)的弱磁性能和調(diào)速區(qū)間，混合勵(lì)磁開關(guān)磁鏈電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HESFPM電機(jī))被提了出來[13]。通過在定子槽中放置直流勵(lì)磁繞組，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[12-14]介紹了新型混合勵(lì)磁雙凸極永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性分析及其實(shí)驗(yàn)研究。在文獻(xiàn)[15-21]中，不同結(jié)構(gòu)的HESFPM電機(jī)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的開關(guān)磁鏈電機(jī)更好的弱磁能力。文獻(xiàn)[20-21]比較研究了直流勵(lì)磁繞組放置在不同位置時(shí)的HESFPM電機(jī)調(diào)磁性能。因?yàn)橹绷鲃?lì)磁繞組和電樞繞組都是位于定子上，所以直流勵(lì)磁繞組槽面積的增加必然會(huì)導(dǎo)致永磁體用量或電樞繞組槽面積的減少。第一種HESFPM電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HESFPM-1)如圖1(a)所示，直流勵(lì)磁繞組僅占用部分永磁體體積，電樞繞組槽面積不受影響。而在第二種HESFPM電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HESFPM-2)中，如圖1(b)所示，直流勵(lì)磁繞組的使用不僅減小了永磁體體積，而且也減小了電樞繞組的槽面積。因此，本文通過對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)HESFPM電機(jī)的優(yōu)化，分析比較了兩種不同直流勵(lì)磁繞組位置對(duì)HESFPM 電機(jī)弱磁性能及調(diào)磁能力的影響。

(a) HESFPM-1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文以12/10 HESFPM電機(jī)為例，首先介紹了兩種不同類型的HESFPM電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)。其次，分析比較了兩種電機(jī)在不同電樞繞組槽面積比下的轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能以及兩種HESFPM電機(jī)分別在相同調(diào)磁系數(shù)和相同輸出轉(zhuǎn)矩兩種條件下的轉(zhuǎn)矩、磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)等電磁性能以及調(diào)磁性能。此外，分析比較了永磁體長(zhǎng)度和寬度以及定子齒寬對(duì)兩種電機(jī)調(diào)磁能力的影響。

1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

兩種不同結(jié)構(gòu)的12/10 HESFPM電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。HESFPM-1中的直流勵(lì)磁繞組取代了傳統(tǒng)開關(guān)磁鏈電機(jī)的部分永磁體，而HESFPM-2的直流勵(lì)磁繞組放置在傳統(tǒng)的開關(guān)磁鏈電機(jī)的軛部上，并且有導(dǎo)磁橋結(jié)構(gòu)。與直流勵(lì)磁繞組槽面積有限的HESFPM-1相比，采用不同勵(lì)磁繞組放置位置的HESFPM-2的直流勵(lì)磁繞組槽面積更大，在直流勵(lì)磁繞組的設(shè)計(jì)上具有較高的靈活性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，HESFPM-1，HESFPM-2的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。為了更好地比較不同結(jié)構(gòu)的HESFPM電機(jī)性能，兩種電機(jī)在主要設(shè)計(jì)尺寸方面采取相同的尺寸：定子外徑和沖片寬度分別為90mm和25mm，導(dǎo)磁橋厚度1 mm，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同。兩種電機(jī)的定子軛寬不同，電機(jī)定子沖片直徑90mm，因此電機(jī)體積相同。

表1 HESFPM電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 調(diào)磁工作原理

HESFPM-1, HESFPM-2調(diào)磁的工作原理如圖2所示。HESFPM-1, HESFPM-2在永磁體勵(lì)磁下的磁路如圖2(a)、圖2(c)所示。由于導(dǎo)磁橋的作用，使得部分永磁體磁通短路。HESFPM-1 和HESFPM-2 電機(jī)在永磁勵(lì)磁和正向直流勵(lì)磁(增磁)下的磁通分布如圖2(b)、圖2(d)所示，即增強(qiáng)電機(jī)氣隙磁通密度。而施加反向直流勵(lì)磁電流，電機(jī)的氣隙磁通密度削弱。

(a) HESFPM-1永磁體勵(lì)磁

(b) HESFPM-1永磁體+電勵(lì)磁

(c) HESFPM-2永磁體勵(lì)磁

(d) HESFPM-2永磁體+電勵(lì)磁

為了評(píng)估電機(jī)的調(diào)磁能力，調(diào)磁系數(shù)定義如下：

(1)

式中：Ψpm,Ψmax,Ψmin分別代表了永磁磁鏈幅值和最大直流勵(lì)磁電流下的增磁磁鏈與弱磁磁鏈。

直流勵(lì)磁繞組和電樞繞組槽面積比γs定義：

式中：Sdc指的是直流勵(lì)磁繞組槽面積；Sac指的是電樞繞組槽面積。

如圖1(a)所示，HESFPM-1的直流勵(lì)磁槽面積的增加會(huì)減小永磁體體積。對(duì)HESFPM-1和HESFPM-2，電機(jī)定子槽面積可以通過改變永磁體寬度、長(zhǎng)度以及在不改變永磁磁鏈的情況下通過改變定子齒寬、定子軛寬、導(dǎo)磁橋?qū)挾纫约爸绷鲃?lì)磁槽寬度，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電樞繞組槽面積和直流勵(lì)磁繞組槽面積的變化，進(jìn)而改變電機(jī)性能。但是由于HESFPM-1和HESFPM-2結(jié)構(gòu)的不同，尺寸的改變對(duì)電機(jī)槽面積的影響程度不同，因此針對(duì)不同電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了兩種電機(jī)的槽面積比變化范圍以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能。

2 永磁體對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁的影響

2.1 永磁體長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)的影響

圖3比較了永磁體長(zhǎng)度對(duì)兩種電機(jī)槽面積的影響。由分析結(jié)果可知，HESFPM-1永磁體長(zhǎng)度主要影響勵(lì)磁繞組槽面積，而電機(jī)電樞繞組槽面積保持不變。隨著永磁體長(zhǎng)度在4～14 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在0～0.5范圍內(nèi)遞減。HESFPM-2永磁體的改變使得電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電機(jī)的電樞繞組槽面積和勵(lì)磁繞組槽面積都隨著永磁體改變而產(chǎn)生明顯變化。隨著永磁體長(zhǎng)度在4～14 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在0～20范圍內(nèi)遞減。

(a) HESFPM-1槽面積變化

(b) HESFPM-2槽面積變化

不同永磁體長(zhǎng)度對(duì)HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁系數(shù)的影響如圖4所示。隨著永磁體長(zhǎng)度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩增大，但是相同永磁體下的HESFPM-1的轉(zhuǎn)矩值大于HESFPM-2。隨著永磁體長(zhǎng)度的增加，兩種電機(jī)的調(diào)磁系數(shù)都隨之減少，但在相同永磁體長(zhǎng)度時(shí)，HESFPM-2具有更高的調(diào)磁系數(shù)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，HESFPM-1對(duì)槽面積比變化更加敏感，而HESFPM-2轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能受槽面積比影響變化比較緩慢。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 調(diào)磁系數(shù)

當(dāng)HESFPM電機(jī)的直流勵(lì)磁繞組和電樞繞組通入相同的電流密度(5 A/mm2)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁系數(shù)隨直流勵(lì)磁繞組與電樞繞組槽面積比的變化如圖5所示。從圖5中可以看到，HESFPM-1的最大槽面積比γs僅只能達(dá)到0.58，然而 HESFPM-2的最大槽面積比γs可以達(dá)到6以上。圖5(b)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨直流勵(lì)磁繞組與電樞繞組槽面積比變化的曲線。在相同直流勵(lì)磁繞組與電樞繞組槽面積比下，HESFPM-2的轉(zhuǎn)矩比HESFPM-1大。

(a) 調(diào)磁性能

(b) 轉(zhuǎn)矩

2.1.1 相同調(diào)磁系數(shù)

如圖6所示，隨著調(diào)磁系數(shù)增大，HESFPM-1與

圖6 不同調(diào)磁系數(shù)下HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩曲線

HESFPM-2之間的轉(zhuǎn)矩差值越來越大。當(dāng)HESFPM-1和HESFPM-2在相同的調(diào)磁系數(shù)下，HESFPM-1的轉(zhuǎn)矩值更大。

2.1.2 相同輸出轉(zhuǎn)矩

圖7為HESFPM-1和HESFPM-2在不同的輸出轉(zhuǎn)矩下的調(diào)磁系數(shù)。從圖7可知，HESFPM-1的調(diào)磁系數(shù)更大，但是隨著轉(zhuǎn)矩值增大，HESFPM-1與HESFPM-2的調(diào)磁系數(shù)越來接近。

圖7 不同轉(zhuǎn)矩下HESFPM-1和HESFPM-2的 調(diào)磁系數(shù)曲線

2.2 永磁體寬度對(duì)電機(jī)的影響

圖8比較了永磁體寬度對(duì)HESFPM-1和HESFPM-2槽面積的影響。由分析結(jié)果可知，永磁體寬度對(duì)HESFPM-1電樞繞組槽面積影響比較大。隨著永磁體寬度在1～5 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在0.1～0.5范圍內(nèi)遞增。HESFPM-2永磁體寬度的改變使得電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電機(jī)的電樞繞組槽面積發(fā)生明顯改變，但勵(lì)磁繞組槽面積保持不變。隨著永磁體寬度在1～5 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在2.5～5.5范圍內(nèi)遞減。

(a) HESFPM-1

(b) HESFPM-2

不同永磁體寬度對(duì)HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁系數(shù)的影響如圖9所示。隨著永磁體寬度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩都會(huì)先增大后減少，但是相同永磁體寬度下的HESFPM-1的轉(zhuǎn)矩值大于HESFPM-2。HESFPM-1轉(zhuǎn)矩隨永磁體寬度變化明顯，轉(zhuǎn)矩最大值大約在永磁體寬度為3.6mm，而HESFPM-2永磁體寬度隨永磁體寬度變化平緩，轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)在永磁體寬度3 mm左右。隨著永磁體寬度的增加，兩種電機(jī)的調(diào)磁系數(shù)都隨之減小，但在相同永磁體寬度時(shí)，HESFPM-2具有更大的調(diào)磁系數(shù)。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 調(diào)磁系數(shù)

3 定子齒寬對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能的影響

圖10比較了定子齒寬對(duì)兩種電機(jī)槽面積的影響。由分析結(jié)果可知，HESFPM-1定子齒寬主要影響電樞繞組槽面積，電機(jī)勵(lì)磁繞組槽面積保持不變。隨著定子齒寬在1～4 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在0.15～0.35范圍內(nèi)遞增。HESFPM-2定子齒寬的改變使得電機(jī)的電樞繞組槽面積產(chǎn)生明顯變化。隨著定子齒寬在1～4 mm范圍內(nèi)遞增，電機(jī)的槽面積比在2～5范圍內(nèi)遞增。

(a) HESFPM-1

不同定子齒寬對(duì)HESFPM-1和HESFPM-2轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁系數(shù)的影響如圖11所示。隨著定子齒寬的增加，兩種電機(jī)的調(diào)磁系數(shù)都會(huì)先增大后減小，HESFPM-1最大調(diào)磁系數(shù)位于定子齒寬2.7 mm，HESFPM-2最大調(diào)磁系數(shù)位于定子齒寬1.4mm。由圖11(b)可見，在相同定子齒寬時(shí)，HESFPM-2具有更高的調(diào)磁系數(shù)。隨著定子齒寬的變化，HESFPM-2在相同定子齒寬下的轉(zhuǎn)矩比HESFPM-1略大。HESFPM-1最大轉(zhuǎn)矩位于定子齒寬3.6 mm處，HESFPM-2最大轉(zhuǎn)矩位于定子齒寬2.8 mm處。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 調(diào)磁系數(shù)

4 HESFPM電機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)表2的電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸，加工制造了一臺(tái)12/10 HESFPM-2樣機(jī)，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子如圖12所示。圖13比較了HESFPM-2的實(shí)測(cè)空載反電動(dòng)勢(shì)波形和2D有限元分析的空載反電動(dòng)勢(shì)波形。表3比較了樣機(jī)的有限元和實(shí)驗(yàn)所得到的調(diào)磁系數(shù)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)與二維有限元分析結(jié)果較吻合，它們之間的誤差主要由于端部效應(yīng)、永磁材料理論和實(shí)際的差異、電機(jī)裝配工藝等影響，因此使得仿真的空載反電動(dòng)勢(shì)值與電機(jī)實(shí)測(cè)值之間存在一定的誤差(反電動(dòng)勢(shì)誤差10%和調(diào)磁系數(shù)誤差6.9%)。其中，為了保證定子沖片加工的機(jī)械強(qiáng)度，增加了導(dǎo)磁橋?qū)挾?10%)。分析結(jié)果表明，有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，反電動(dòng)勢(shì)誤差10%與調(diào)磁系數(shù)誤差6.9%，滿足要求。

表2 HESFPM-2電機(jī)樣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(a) 電機(jī)定子

(b) 電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖13 HESFPM-2反電動(dòng)勢(shì)曲線表3 HESFPM電機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

直流勵(lì)磁電流Idc/A電壓幅值U/Vkf/%有限元法-156.519 07.393158.362 24.94實(shí)驗(yàn)-155.786 06.6157.31823.22

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了兩種類型的12/10 HESFPM電機(jī)，比較了不同結(jié)構(gòu)HESFPM電機(jī)調(diào)磁能力。通過對(duì)兩種定子HESFPM電機(jī)調(diào)磁能力的優(yōu)化及比較可知：

1) 與直流勵(lì)磁繞組槽面積有限的HESFPM-1相比，HESFPM-2具有更大的直流勵(lì)磁繞組槽面積。

2) 在不同直流勵(lì)磁與電樞繞組槽面積比下， HESFPM-1轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能受槽面積比影響較大。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和調(diào)磁性能對(duì)電機(jī)尺寸的設(shè)計(jì)比較敏感。對(duì)HESFPM-2而言，電機(jī)尺寸的改變對(duì)槽面積的影響明顯。

3) 在相同永磁體長(zhǎng)度下，HESFPM-2的電磁轉(zhuǎn)矩低于HESFPM-1，但HESFPM-2調(diào)磁能力更好。