鄧先明， 顧宴行， 田里思

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度和高效率，在電動(dòng)汽車(chē)及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛［1-2］。傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)的永磁體放置在轉(zhuǎn)子上，容易受到振動(dòng)和高溫的影響［3-4］。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)，將永磁體和電樞繞組放置在定子上形成的定子永磁型開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)（Switched Flux Permanent Magnet Motor，F(xiàn)SPM），可以避免振動(dòng)和高溫，可靠性較高［5-7］。由于FSPM較窄的調(diào)速范圍限制了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。為拓寬FSPM的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的靈活調(diào)節(jié)，有學(xué)者提出混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)（Hybrid Excited Switched Flux Permanent Magnet Motor，HEFSPM）。HEFSPM以FSPM為基礎(chǔ)，在電動(dòng)機(jī)定子側(cè)引入直流勵(lì)磁繞組，通過(guò)永磁體和勵(lì)磁電流共同調(diào)節(jié)氣隙磁密。該類(lèi)電動(dòng)機(jī)不僅繼承了傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的眾多優(yōu)點(diǎn)，且可靈活調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。文獻(xiàn)［8-9］中闡述了混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況及應(yīng)用前景。文獻(xiàn)［10］中分析了混合勵(lì)磁永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁特性。文獻(xiàn)［11-14］中通過(guò)介紹不同結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁永磁電動(dòng)機(jī)證明其調(diào)磁性能良好。文獻(xiàn)［15］中通過(guò)直流勵(lì)磁繞組與永磁體的不同位置組合給出了3種結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁永磁電動(dòng)機(jī)，比較了電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁性能。3種結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)定子局部放大如圖1所示。

直流勵(lì)磁繞組占用部分永磁體體積，分別以其位置的不同即居于永磁體之上、之下和兩端形成3種結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真對(duì)比分析得出，第3種結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)具有較好的調(diào)磁能力。本文在第3種結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上提出一種新型混合勵(lì)磁永磁電動(dòng)機(jī)，即在電動(dòng)機(jī)定子上引入導(dǎo)磁橋，通過(guò)導(dǎo)磁橋所處的不同位置來(lái)分析、比較電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁能力和電磁特性。

1 開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖2所示為三相12/10極開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)截面結(jié)構(gòu)圖。該電動(dòng)機(jī)定子有12個(gè)極，每個(gè)定子極由一塊鐵心和一塊永磁體構(gòu)成，永磁體嵌在相鄰兩個(gè)定子齒中，切向充磁且相鄰兩塊永磁體具有相反的充磁方向，以便充分利用永磁體的聚磁性能，更好地提高電動(dòng)機(jī)的功率密度［16］。轉(zhuǎn)子有10個(gè)極，且只有鐵心本身，機(jī)械強(qiáng)度較高，高速運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)如傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)因永磁體在轉(zhuǎn)子上而不可避免的振動(dòng)和高溫等問(wèn)題。這是該類(lèi)電動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)。電樞繞組采用集中繞組纏繞在定子極上，且一相由4個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)而成。

1.2 開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的工作原理

如圖3所示為開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子極單元圖，定子鐵心的中線(xiàn)與相鄰2個(gè)轉(zhuǎn)子極的中線(xiàn)重合。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)于某個(gè)定子極，當(dāng)其所對(duì)的轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化，纏繞在其上的電樞繞組所匝鏈的磁通在數(shù)量上保持不變，但方向變化，電樞繞組切割交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。圖4為繞組中的磁通鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的波形，正弦性的特征使之極其適合應(yīng)用于交流調(diào)速領(lǐng)域。

2 新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)調(diào)磁能力和電磁特性

2.1 新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖5所示為本文提出的新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的3種不同結(jié)構(gòu)定子局部放大圖。

圖5（a）為電動(dòng)機(jī)（HEFSPM1）的磁橋位于永磁體兩端且位于永磁體與直流勵(lì)磁繞組之間；圖5（b）為電動(dòng)機(jī)（HEFSPM2）的磁橋位于定子外徑和內(nèi)徑處，相當(dāng)于在定子齒上開(kāi)一個(gè)槽后所剩下的部分；圖5（c）為電動(dòng)機(jī)（HEFSPM3）的磁橋位于把永磁體一分為二之后的中間部分。3種新型結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)除了磁橋的位置不同，其他條件均相同。磁橋厚度越大，電勵(lì)磁磁通也越大，但磁橋厚度的增加必定會(huì)導(dǎo)致永磁體的短路，本文初步設(shè)定磁橋厚度為1 mm。由于HEFSPM1和HEFSPM2均有兩個(gè)磁橋且均為1 mm，則HEFSPM3僅有的一個(gè)磁橋厚度為2 mm。這種帶有磁橋的新型混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)由于磁橋部分的磁導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于永磁體磁導(dǎo)，所以勵(lì)磁繞組的利用率有了很大的提高，且增加了新型混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，保證了電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)的完整性。參考現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外較為成熟的電機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法，本文所設(shè)計(jì)的新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)為12/10極，額定直流電壓源U＝50 V。設(shè)計(jì)功率P2＝500 W，額定轉(zhuǎn)速n＝600 r/min。通過(guò)一系列計(jì)算得出3種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HEFSPM電機(jī)主要設(shè)計(jì)尺寸

2.2 調(diào)磁能力

為方便分析電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁能力，定義調(diào)磁系數(shù)

式中，Ψmax、Ψmin和Ψpm分別為空載磁鏈最大值、最小值和空載永磁磁鏈幅值［17］。采用有限元計(jì)算法，比較研究在相同定轉(zhuǎn)子與永磁體條件下不同勵(lì)磁電流對(duì)新型HEFSPM調(diào)磁能力的影響，圖6（a）～（c）所示為不同勵(lì)磁電流下3種新型混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的空載磁鏈圖。分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)磁能力比較

由圖6、表3可見(jiàn)，在相同條件下，HEFSPM1與HEFSPM3擁有較高的調(diào)磁能力。尤其是在弱磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3的磁鏈曲線(xiàn)接近直線(xiàn)，值接近于0。事實(shí)上，當(dāng)給電動(dòng)機(jī)施加弱磁磁場(chǎng)時(shí)，在導(dǎo)磁橋中，弱磁磁場(chǎng)方向與永磁體短路磁場(chǎng)方向一致，使得導(dǎo)磁橋的飽和程度加深。雖然HEFSPM3電動(dòng)機(jī)調(diào)磁能力相較于HEFSPM1略微差了一點(diǎn)，但是磁鏈幅值卻比HEFSPM1高。而HEFSPM2調(diào)磁能力較低，究其原因，主要是因?yàn)閯?lì)磁磁路的磁阻相對(duì)較高，限制了電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力［18］?；诖私Y(jié)果，以下就針對(duì)HEFSPM1和HEFSPM3進(jìn)行更進(jìn)一步的討論分析。

2.3 有限元分析

圖7為HEFSPM1和HEFSPM3在僅永磁體勵(lì)磁條件下的磁力線(xiàn)分布圖，可知永磁體充磁方向正確。

圖8為HEFSPM1和HEFSPM3徑向氣隙磁密曲線(xiàn)圖，由圖可見(jiàn)，曲線(xiàn)基本呈正弦波趨勢(shì)，但諧波分量較高。且由于導(dǎo)磁橋的引入導(dǎo)致永磁體部分短路，氣隙磁密值不大。

在不同勵(lì)磁電流下（-5 A，0，5 A）的A相空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖9所示。

對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅里葉分析，得到各次諧波含量，圖10所示為HEFSPM1和HEFSPM3的A相電樞繞組的反電勢(shì)各次諧波含量柱狀圖?？梢?jiàn)，反電勢(shì)基波含量有較大占比，高次諧波含量微乎其微。奇次諧波中數(shù)5、7次諧波占比最高，但相對(duì)而言也是少量的，偶次諧波占比更小，幾乎可以忽略不計(jì)。

表3給出了2種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)諧波含量總畸變率，HEFSPM3的諧波總畸變率要比HEFSPM1略微低一點(diǎn)，可見(jiàn)HEFSPM3反電勢(shì)波形正弦性更好，更接近理想的正弦波。

表3 HEFSPM1和HEFSPM3的A相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波總畸變率

2.4 電磁轉(zhuǎn)矩

為反映轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)水平，定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)

式中：Tmax為轉(zhuǎn)矩最大值；Tmin為轉(zhuǎn)矩最小值；Tavg為轉(zhuǎn)矩平均值。在電動(dòng)機(jī)中通入10 A的電流，在不同勵(lì)磁電流（-5 A，0，5 A）下HEFSPM1和HEFSPM3電磁轉(zhuǎn)矩如圖11所示，電磁轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)見(jiàn)表4。結(jié)果表明，在弱磁條件下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)都較大，在增磁以及僅永磁體勵(lì)磁條件下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)較小，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性較好。除此以外，HEFSPM3比HEFSPM1的轉(zhuǎn)矩密度更大，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性更好。

表4 不同勵(lì)磁電流下的新型HEFSPM1和HEFSPM3轉(zhuǎn)矩

2.5 功角特性分析

本文設(shè)計(jì)的新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)同屬于凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)，忽略定子繞組的電阻，則該電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩［19］：

式中：m為相數(shù)；E0m為空載電動(dòng)勢(shì)幅值；Um為電源電壓幅值；Ωs為機(jī)械角速度；δ為功角；Xd、Xq分別為d軸和q軸電抗。當(dāng)其他條件一定時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的初始角度進(jìn)行參數(shù)化仿真分析，得出電磁轉(zhuǎn)矩值，圖12為新型HEFSPM1和HEFSPM3在不同勵(lì)磁條件下的功角特性曲線(xiàn)。

實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)和點(diǎn)劃線(xiàn)分別表示電動(dòng)機(jī)在弱磁、僅永磁體勵(lì)磁和增磁條件下的功角特性曲線(xiàn)。由圖中可見(jiàn)，在僅永磁體勵(lì)磁和增磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3均在功角為90°處取得最大值，而在弱磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3的轉(zhuǎn)矩最大值在功角為120°處取得。顯見(jiàn)在相同條件下HEFSPM3的最大轉(zhuǎn)矩值比HEFSPM1更大，證明其過(guò)載能力更好，電動(dòng)機(jī)的性能更優(yōu)。

3 電動(dòng)機(jī)效率分析

電動(dòng)機(jī)效率的高低取決于其產(chǎn)生的損耗，損耗越小則效率越高。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的損耗與眾多因素有關(guān)，比如電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)各部分組成，如定子、轉(zhuǎn)子等所使用的材料、電動(dòng)機(jī)所選的繞組類(lèi)別形式等。本文設(shè)計(jì)的新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以采用傳統(tǒng)計(jì)算與有限元分析計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行效率分析。

新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的損耗主要由4個(gè)部分組成，即鐵損、銅損、機(jī)械損耗和附加損耗。電動(dòng)機(jī)的鐵損又叫鐵耗，即交變磁通在鐵心中所產(chǎn)生的損耗，主要由渦流損耗和磁滯損耗構(gòu)成。銅損即銅線(xiàn)損耗，由電樞電流在繞組中產(chǎn)生。采用有限元計(jì)算方法得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的鐵損和銅損。機(jī)械損耗主要為軸承摩擦損耗，附加損耗按照一般微型雙凸極電機(jī)取輸出功率的1%計(jì)算［20］。基于以上方法所得出的HEFSPM1和HEFSPM3的各部分損耗見(jiàn)表5。

表5 新型HEFSPM1和HEFPM3結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)損耗比較

可見(jiàn)，2種結(jié)構(gòu)的新型混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)效率都保持在80%以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在現(xiàn)有混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上提出了一種新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了電磁分析。介紹了該類(lèi)電動(dòng)機(jī)的原型開(kāi)關(guān)磁通永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，引出混合勵(lì)磁，通過(guò)導(dǎo)磁橋的引入，根據(jù)導(dǎo)磁橋所處位置的不同，借助ANSYS仿真軟件，分析比較了3種結(jié)構(gòu)的新型混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁能力，結(jié)果表明，HEFSPM1和HEFSPM3的結(jié)構(gòu)調(diào)磁能力較高。對(duì)HEFSPM1和HEFSPM3結(jié)構(gòu)的電磁特性進(jìn)一步分析表明，HEFSPM3結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、過(guò)載能力強(qiáng)和效率高等更加優(yōu)越的電磁性能。