嚴兵,史立偉,卞玉康,陶學恒,呂炳昌,丁富康

(山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東淄博 255049)

磁通切換電機(Flux-switching machine,FSM)的勵磁源與電樞繞組均安置在定子槽中,由于取消了電刷和集電環(huán),并且具有雙極性磁鏈,使得其在擁有高可靠性的同時,具有高鐵心利用率和轉(zhuǎn)矩密度[1]。分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機在繼承了傳統(tǒng)FSM優(yōu)點的基礎上,通過分塊轉(zhuǎn)子縮短電機工作磁路,降低鐵損。各個分塊轉(zhuǎn)子嵌入在不導磁轉(zhuǎn)子塊中,不僅能夠降低高速旋轉(zhuǎn)時的風(油)阻,還能提高電機的磁隔離性能。使得其在航空航天、電動汽車和風力發(fā)電等對可靠性要求較高的高速電機領域具有廣闊的應用前景[2-5]。

文獻[6-8]針對不同轉(zhuǎn)子極數(shù)對電機諧波分布的影響進行了分析,發(fā)現(xiàn)奇數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子的磁鏈和反電勢中不含有偶數(shù)次諧波,在提出分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機相帶劃分方法的同時,確立了電機無偶數(shù)次諧波的齒極配合判據(jù)。由于磁路磁阻飽和時間的不同,分塊轉(zhuǎn)子磁通切換發(fā)電機(Electrical excitation segmented rotor flux-switching generator, ESFSG)具有獨特的勵磁特性,即當勵磁電流超過一定值時,輸出電動勢反而減小[9]。文獻[10-12]構建了分塊轉(zhuǎn)子電機的d-q軸等效數(shù)學模型,通過在轉(zhuǎn)子上開輔助槽來改變圓周方向上的氣隙磁密,從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動。為了拓寬分塊轉(zhuǎn)子電機的應用領域,混合勵磁分塊轉(zhuǎn)子電機被提出,并構建了解析子域模型,對其電磁特性與調(diào)磁能力進行了細致的研究[13-14]。但是上述文獻都僅考慮了電機在高勵磁特性下的電磁性能,而忽略了電機在低勵磁電流情況下電磁性能的非線性現(xiàn)象。

本文首先對比了分塊轉(zhuǎn)子電機在磁路飽和與未飽和兩種情況下,兩種電磁性能的區(qū)別,并在此基礎上分析了定轉(zhuǎn)子磁路磁導對繞組感應電動勢的影響規(guī)律。通過在定轉(zhuǎn)子極上添加氣隙磁障的方法來改變定轉(zhuǎn)子極磁路磁阻,從而達到本文所要實現(xiàn)的,電機在低勵磁特性下,空載電動勢正負對稱的目的。最后,對新型分塊轉(zhuǎn)子電機的繞組電感、電動勢等瞬態(tài)特性進行了分析研究。

1 ESFSG工作原理

ESFSG工作原理如圖1所示,假設電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn),磁通由轉(zhuǎn)子流入定子為正。ESFSG的定子齒與電樞齒數(shù)量相同,交替排列。勵磁繞組與電樞繞組都嵌入在定子槽中,同一個定子槽中放置有勵磁繞組和電樞繞組的各一圈邊,各個線圈之間不重疊。分塊轉(zhuǎn)子嵌入在不導磁的鋁制轉(zhuǎn)子鐵心塊中,隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),由勵磁繞組發(fā)出的磁場通過分塊轉(zhuǎn)子進入到相鄰的電樞繞組中。ESFSG轉(zhuǎn)子齒數(shù)即為電機的極對數(shù),所以12/8極ESFSG一個電周期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動45°。由于相鄰的兩個勵磁繞組極性相反,中間的電樞繞組在一個轉(zhuǎn)子極距內(nèi),線圈中的磁鏈將會產(chǎn)生正負周期性的變化,進而產(chǎn)生幅值和相位周期性變化的感應電動勢。定子極與轉(zhuǎn)子極相對時(0°)與定子極與轉(zhuǎn)子極槽相對時(22.5°),是磁鏈的兩個過零點位置。

圖1 ESFSG工作原理

2 傳統(tǒng)ESFSG電磁特性分析

電機的基本結構參數(shù)如表1所示,利用有限元軟件Maxwell建立了三相12/8極的ESFSG模型。

表1 三相ESFSG主要參數(shù)

選用勵磁電流分別為5 A、14 A時分別得到傳統(tǒng)ESFSG的空載電磁特性。從圖2a)與圖2c)中可知,當勵磁電流較大時,ESFSG由于定子鐵心磁路飽和,在定子極與轉(zhuǎn)子極槽相對時,有很少的磁鏈通過電樞齒的下端,電機磁鏈呈良好的正弦波。從圖2b)與圖2d)中可知,當勵磁電流較小時,定子鐵心磁路不飽和,在定子極與轉(zhuǎn)子極槽相對時,有較多的磁鏈通過電樞齒的下端,導致磁鏈并不是完美的正弦波。并且可以看出,磁鏈最低值出現(xiàn)的位置在半個周期的左側,即磁鏈上升沿的時間多于下降沿的時間。

圖2 傳統(tǒng)ESFSG空載電磁特性

此外,磁鏈上升沿呈現(xiàn)為波浪狀曲線,而磁鏈下降沿卻是一條平滑的曲線,進而使得感應電動勢波形在正半周期呈現(xiàn)為兩個梯形凸起的疊加形狀。即使磁鏈是正弦波,ESFSG的空載電動勢波形也不關于過零點對稱,而是關于軸線對稱,即感應電動勢正負半周期波形并不一致,即ESFSG的空載磁鏈與電動勢滿足

(1)

式中:θ為電機轉(zhuǎn)子角;T為空載磁鏈和電動勢的周期。

3 ESFSG拓撲分析

對于ESFSG,當定子極槽與轉(zhuǎn)子極軸線相對時(即一個電周期,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到22.5°),相應的電樞繞組電感最大。為了減小磁阻,提高最大電感,分塊轉(zhuǎn)子極寬需要大于一個定子極距。那么定子極軸線與轉(zhuǎn)子極槽相對時,從勵磁定子極發(fā)出的磁鏈一定會通過電樞定子極的下端與兩個分塊轉(zhuǎn)子才能形成閉合回路。由電機學公式可知,磁鏈ψ與磁導Λ存在線性關系。

ψ=L·I=N2·Λ·I

(2)

以A相電樞繞組為例,空載電動勢ea可表示為

(3)

式中:Np為每相電樞繞組匝數(shù);ωr為轉(zhuǎn)子角速度;Φa為電樞繞組空載時A相繞組中穿過的所有諧波磁通量。

Φa=Brwollakhckd

(4)

式中:Br為空載時電樞繞組定轉(zhuǎn)子齒重合區(qū)域的氣隙徑向磁密值;wol為定轉(zhuǎn)子齒重疊區(qū)域?qū)挾?khc為磁通諧波因數(shù)(第n次諧波分量有效值與基波分量有效值之比);la為電機軸向長度,kd為電樞繞組分布因數(shù)(繞組電動勢、磁動勢從集中到分布所打的折扣);

而氣隙徑向磁密Br(θ)可以表示為[15]:

Br(θ)=μ0H(θ)

(5)

H(θ)=F(θ)·Λ(θ)

(6)

式中:H(θ)為磁場強度;μ0為空氣磁導率;F(θ)為勵磁磁勢;Λ(θ)為等效氣隙磁導。

由于相鄰的勵磁繞組繞向相反,并且勵磁電流為直流電源,因此勵磁繞組產(chǎn)生的磁勢呈梯形波狀。一個N極和S極組成的勵磁源對應的機械角為2π/3,即勵磁周期為2π/3,峰值為Nfif,如圖3所示。

令電機定轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)分別為0.833與0.911,則勵磁磁勢如下:

(7)

因此,可以認為在不同轉(zhuǎn)子角位置,勵磁磁勢是一個已知的定值。本文在不改變電機主體結構尺寸和繞組匝數(shù)的前提下,通過在定子極與分塊轉(zhuǎn)子上增加氣隙磁障的方式來改變等效氣隙長度g(θ),增大磁路上的磁阻,如圖4所示。

圖4 新型ESFSG拓撲

從而改變定轉(zhuǎn)子齒重疊區(qū)域的等效氣隙磁導,進而改變電樞繞組的空載感應電動勢。

g(θ)=1/Λ(θ)

(8)

g(θ)=δ+δs+δr

(9)

δs=f(Ls*Ws)

(10)

δr=f(Lr*Wr)

(11)

式中:δ為氣隙長度;δs為定子極附加氣隙;δr為轉(zhuǎn)子極附加氣隙;Ls為定子極氣隙磁障長度;Ws為定子極氣隙磁障寬度;Lr為轉(zhuǎn)子極氣隙磁障長度;Wr為轉(zhuǎn)子極氣隙磁障寬度。

通過參數(shù)化仿真,以A相電樞繞組空載電動勢諧波失真值為目標函數(shù),確立了最佳的定轉(zhuǎn)子極上氣隙磁障的長度與寬度。最終確立了Ls=1.19 mm,Ws=0.32 mm,Lr=1.9 mm,Wr=0.36 mm。新型分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機的諧波含量如下表2所示,在基波幅值僅降低3.2%的情況下,新型分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機的A相感應電動勢偶數(shù)次諧波降低了83.1%。

表2 ESFSG的諧波特性

(12)

式中:ui為第i次諧波的幅值;UTHD為總諧波失真值;UTHDOOD為奇數(shù)次諧波含量;UTHDEVEN為偶數(shù)次諧波含量。

4 新型ESFSG電磁特性分析

圖5為傳統(tǒng)ESFSG與新型ESFSG在定子極軸線與分塊轉(zhuǎn)子極槽相對時的磁力線分布圖?？梢钥闯?由于氣隙磁障的添加,磁力線除了需要穿過定轉(zhuǎn)子之間的氣隙外,還需要穿過定轉(zhuǎn)子極上的氣隙。另外,有一部磁力線將不通過氣隙磁障區(qū)域,即被擠壓到磁阻相對更小的區(qū)域,這將會導致該區(qū)域更容易出現(xiàn)磁路飽和。

圖5 磁力線分布圖

當勵磁電流為5 A,電機處于定子極軸線與分塊轉(zhuǎn)子極槽相對位置時,從圖6中可以看到新型ESFSG與傳統(tǒng)ESFSG相比,整體圓周氣隙磁密并沒有太大的變化。各極氣隙磁密波形能夠形成一個周期,可以認為每相各個電樞繞組具有相同的磁鏈變化趨勢。

圖6 ESFSG氣隙圓周磁密

圖7表示在定子極與轉(zhuǎn)子極槽正對的位置,新型電機A相電樞繞組所在定子極兩側的氣隙磁密被削減,并且增加了氣隙磁密變化的區(qū)域長度,驗證了在定轉(zhuǎn)子上增開氣隙磁障能夠改變氣隙磁密的可行性。

圖7 A相電樞定子極氣隙磁密

新型與傳統(tǒng)ESFSG電動勢仿真圖如圖8所示。從圖8a)中可以看出,新型ESFSG的空載電動勢正負半周期幅值近乎一致,電動勢波形正弦性大大提升。圖8b)給出了對A相空載電動勢進行傅里葉分析后得到的前10次諧波圖,新型ESFSG相比于傳統(tǒng)的ESFSG,偶數(shù)次諧波值被削弱了一半。

圖8 新型與傳統(tǒng)ESFSG電動勢仿真圖

此外,新型與傳統(tǒng)ESFSG靜態(tài)特性對比如圖9所示。由圖9a)可知:新型ESFSG相對于傳統(tǒng)ESFSG電感上升沿與下降沿波形更加對稱,前半周期電感的幅值等于后半周期。在電流保持不變的情況下,這將使得磁鏈相應的變的更加對稱。而且A相繞組的自感變化幅值也有一定程度的縮減,對于磁通切換電機而言,這將會提高容錯性能。由于勵磁定位力矩與勵磁電流和勵磁繞組自感變化率成正比,從圖9b)中可以看出新型電機勵磁繞組自感變化較小,因此具有更低的勵磁定位力矩。

圖9 新型與傳統(tǒng)ESFSG靜態(tài)特性對比圖

三相12/8極ESFSG不需要位置傳感器,外接三相整流橋即可發(fā)出直流電。在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下,令勵磁電流分別為5 A和14 A,并分別外接1,3,5,10和15 Ω的負載如圖10所示。

圖10 電機接3 Ω負載電動勢

從圖10中可以看到,當勵磁電流為5 A時,在電角度為90°附近,新型ESFSG負載電動勢數(shù)值比傳統(tǒng)ESFSG低,并且波形更加平滑。在一個電角度周期內(nèi),新型ESFSG負載電動勢更趨近于方波。當勵磁電流為14 A時,在電角度為230°附近,新型ESFSG負載電動勢呈水平曲線,而傳統(tǒng)ESFSG呈波浪狀。表明在高勵磁電流狀態(tài)下,傳統(tǒng)ESFSG電機磁路磁密變化相對較大。但是新型ESFSG與傳統(tǒng)ESFSG的負載電動勢波形整體有著較高的吻合度,在定轉(zhuǎn)子極上增開氣隙磁障后并沒有大規(guī)模的縮小電機出力。

而圖11則表示在給與高勵磁電流條件下,新型ESFSG的輸出功率反而略微大于傳統(tǒng)ESFSG。以3 Ω負載阻值為例,新型ESFSG輸出功率為475 W,而傳統(tǒng)ESFSG的輸出功率為460 W。 這是因為由于新型ESFSG兩側定子極磁路飽和的速度趨于一致,減小了電樞齒側邊磁通造成齒部磁壓降增大的影響。而在勵磁電流為5 A,由于磁路尚未飽和且使用鐵心材料的減小,新型ESFSG輸出功率略低于傳統(tǒng)ESFSG。

圖11 ESFSG外特性

5 結論

本文通過分析ESFSG在低勵磁電流下空載電動勢波形畸變率高的主要原因,從改變特定位置磁路磁阻的角度出發(fā),綜合優(yōu)化,提出了一種在定轉(zhuǎn)子上增開氣隙磁障的新型ESFSG拓撲。通過有限元仿真分析,得到如下結論:

1) 新型ESFSG能夠使電機在定子極與轉(zhuǎn)子極槽相對位置處磁路提前飽和,解決磁鏈和電動勢前后兩個半周期幅值變化不一樣的問題。

2) 由于分塊轉(zhuǎn)子磁路的固有特性,使其必須通過電樞定子極的下端。氣隙磁障的添加雖然不能夠完全消除電動勢中的偶次諧波,但是能夠在僅犧牲極小的基波幅值的條件下,減小一半的偶次諧波幅值,達到提高發(fā)電質(zhì)量的目的。

本文的設計方法與理論分析為分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機電磁性能的優(yōu)化提供了一定的參考價值。