交叉凸極轉子混合勵磁同步電機的結構原理與分析

仲麗麗，張卓然，俞文俊

(南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0 引 言

“混合勵磁”的思想最早在1985年由美國學者提出［1］，混合勵磁同步電機(以下簡稱HESM)是一種新型結構電機。HESM是在永磁同步電機的基礎上加入電勵磁繞組，通過改變電勵磁繞組中電流的大小和方向，實現對氣隙磁場的有效調節，從而調節電機的輸出電壓或轉速。它兼具了永磁電機高效率和電勵磁電機氣隙磁場可調等優點，有較好的發展前景。

HESM發展至今已經有多種結構形式［2］。1989年，英國學者E.Spooner提出了一種橫向磁通混合勵磁電機［3］，該電機結構簡單，沒有附加氣隙，電勵磁效率較高，引起了國內外學者的廣泛關注并開展了大量研究。1995年，美國學者提出了一種并列結構的混合勵磁同步電機［4-5］，該電機定子為一個整體，采用一套電樞繞組，而轉子分為永磁和電勵磁兩部分;2001年，日本學者對這種形式的電機展開研究，并進行了改進和開發，研制成功了0.75kW的小功率樣機［6］。2003年，美國學者研制成功徑向磁路和軸向磁路兩種拓撲結構的磁極分割型HESM［7-8］，軸向磁路經過機殼，電機軸向長度較長，且易飽和。針對徑向磁場磁極分割型HESM的電壓調整率高、波形畸變率大等問題，沈陽工業大學對其結構進行了優化設計、并對電抗參數展開了研究［9］;在將軸向磁場磁極分割型HESM應用于盤式車輪電機等方面，上海大學進行了研究［10］;東南大學針對磁極分割型HESM的電勵磁損耗和電機軸向長度問題，優化了電機結構，形成非對稱交錯HESM［11］;2008年，南京航空航天大學提出了新型轉子磁分路HESM［12］，此電機是基于內置式切向磁鋼永磁同步電機的拓撲結構，當勵磁線圈中沒有勵磁電流時，電機處于弱磁狀態，勵磁電流增大時，電機增磁。2011年，法國學者提出了一種新型的并列結構HESM［13］，并根據其漏磁現象進行了優化設計;該電機中的勵磁繞組位于電樞繞組端部的上方，永磁體徑向充磁，磁通在相鄰的兩極上形成回路。

交叉凸極轉子HESM［14-17］是日本學者近年來提出并研究的一種新型HESM。該電機是為混合動力汽車驅動設計的，其特點是使用了軟磁復合材料;且僅使用少量的稀土永磁材料。本文旨在介紹并討論該新型交叉凸極轉子HESM的結構特點與工作原理，利用三維有限元靜磁場和瞬態場分析方法深入研究其電磁和輸出特性，為該新型混合勵磁電機在新能源發電與驅動系統中的應用研究和優化設計提供參考。

1 交叉凸極轉子HESM結構與原理

圖1為20極/24槽的交叉凸極轉子HESM結構示意圖［16］。它的特點是:轉子被永磁體分為軸向磁化的兩部分——N極轉子鐵心和S極轉子鐵心，并且兩轉子鐵心相互錯開;兩環形直流勵磁繞組位于電機兩端，電機兩端的端蓋、定子外殼、轉子內殼為導磁體，并且由于本電機結構的特殊性，選擇軟磁復合材料SMC，與環形勵磁繞組形成三維磁路。SMC材料［18-19］具有可加工成任意形狀、良好的各向同性等優點。目前，常用的SMC材料有日本JFE公司的KIPMG270H;加拿大Quebec公司的ATOMET EM-1;瑞典Hoganas AB公司的PermiteTM75、ABM100.32、SOMALOYTM500 和 SOMALOYTM550。一般地，SMC材料的飽和磁密和相對磁導率低于硅鋼片，如圖2所示。SMC材料的電阻率高，使用SMC材料的電機產生的渦流損耗低于使用硅鋼片材料的電機，因此適用于高頻場合;然而，其磁滯損耗要高些。另外，由于SMC材料不能燒結，其機械強度比硅鋼片低。

交叉凸極轉子HESM氣隙磁場調節的基本原理是:勵磁繞組中通入某一方向的勵磁電流時，主氣隙中的電勵磁磁通方向與永磁磁通方向相同，主氣隙磁通增大，有效磁場增強;當通入反方向的勵磁電流時，主氣隙中的電勵磁磁通方向與永磁磁通方向相反，主氣隙磁通減小，有效磁場減弱。因此，交叉凸極轉子HESM的主氣隙磁場主要由永磁體提供，電勵磁部分進行雙向勵磁調節，電勵磁磁勢對主氣隙磁場影響的大小也就是電機調磁能力的大小。

根據右手螺旋定則，可以判斷在磁場增強或磁場減弱時的勵磁電流方向。為方便起見，對勵磁電流的方向進行如下定義:

(1)當電勵磁磁勢產生的磁通使得主氣隙磁場增強時，此時的勵磁電流方向為正方向;

(2)當電勵磁磁勢產生的磁通使得主氣隙磁場減弱時，此時的勵磁電流方向為負方向。

當無直流勵磁電流(If=0)時，從永磁體N極流向S極的磁通有兩種，如圖3(a)所示。一種磁通路徑(黑色箭頭)為:N極側轉子→定轉子間氣隙→定子鐵心→定子SMC→定子鐵心→定轉子間氣隙→S極側轉子;電樞繞組切割這種磁通，它是有效磁通。另一種磁通路徑(白色箭頭)為:永磁體N極→N極側轉子→轉子與勵磁繞組間氣隙→N極端蓋SMC→定子SMC→S極端蓋SMC→轉子與勵磁繞組間氣隙→S極側轉子→永磁體S極;這種磁通不與電樞繞組產生交鏈。

圖3 交叉凸極轉子HESM原理示意圖

當直流勵磁電流大于0(If＞0)時，從永磁體N極流向S極的磁通，如圖3(b)所示。黑色箭頭所示磁通路徑與圖3(a)中相同，灰色箭頭所示為直流勵磁繞組產生的磁通路徑。從圖中可以看出，兩種磁通以相同的方向切割電樞繞組，主氣隙磁場增強;對于端蓋SMC部分，勵磁電流較小時，其磁通減小，當勵磁電流大到一定值后，其磁通反向增加。

當直流勵磁電流小于0(If＜0)時，從永磁體N極流向S極的磁通，如圖3(c)所示。黑色箭頭所示磁通路徑與(a)中相同，灰色箭頭所示為直流勵磁繞組產生的磁通路徑。從圖中可以看出，兩種磁通以相反的方向切割電樞繞組，主氣隙磁場減弱;對于SMC部分，其磁通增強。

2 基于三維有限元模型的靜磁場仿真分析

2.1 有限元模型的建立

目前，關于計算電機的磁場及其各種特性的方法，主要有等效磁路法和有限元法。等效磁路法可以節約計算成本和時間，但不考慮漏磁通等問題，計算精度有待提高;而有限元法是將電機剖分成無數小單元，能夠比較準確地計算電機內的磁場分布。交叉凸極轉子HESM軸向為非對稱結構，有著磁場三維分布的特點，在二維有限元中難以得到其內部磁場的變化情況。本文利用Maxwell 3D計算電機在不同勵磁磁勢、不同負載條件下的磁場分布。考慮到交叉凸極轉子HESM的徑向磁場對稱分布，為減小計算量，建立電機1/2有限元模型，其結構參數［14］如表1所示，電樞繞組每相串聯匝數為24匝。定轉子鐵心材料DW315，永磁體材料33EH。本電機中，附加氣隙長度為0.5 mm，對樣機的制造工藝要求會比較高。電機的網格剖分結果如圖4所示。

圖4 3D有限元模型的網格剖分圖

表1 交叉凸極轉子HESM結構參數

2.2 無勵磁電流作用下的磁場分布

圖5為無勵磁磁勢(Fi=0)時，電機的磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。電機右側轉子為N極轉子鐵心。從圖中可以看出，離永磁體較近的部分磁密較大。這是由于轉子鐵心為疊片的，其軸向磁阻比徑向磁阻大。對于同一電樞繞組而言，與其交鏈的磁密大小主要由轉子凸極上方的氣隙磁密決定。從內外SMC部分的磁密矢量可以看出，永磁體產生的磁場路徑有一條不與電樞繞組產生交鏈。

圖5 磁密及矢量圖(Fi=0)

圖6為零勵磁時的主氣隙磁密波形圖。從圖中可以看出，氣隙最大磁密可達0.46 T。

2.3 雙向勵磁對氣隙磁場的調節作用

圖7為勵磁磁勢1 000安匝時電機磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。轉子凸極上的磁密增強，因此與電樞繞組交鏈的氣隙磁密也增強，并且電機端蓋的磁通已完全反向。圖8為主氣隙的磁密波形圖。在這種情況下，最大氣隙磁密為1.04 T。

圖6 主氣隙磁密波形圖(Fi=0)

圖9和圖10分別是勵磁磁勢為2 000安匝和3 000安匝時的電機磁密矢量圖。圖11和圖12分別是兩種勵磁磁勢下的氣隙磁密波形圖。

在勵磁磁勢為2 000安匝時，最大氣隙磁密達1.28 T;在勵磁磁勢為3 000安匝時，最大氣隙磁密達1.5 T。將這兩種勵磁條件下的增磁效果與1 000安匝時相比可知，繼續增加勵磁磁勢，雖有增磁，但增磁效果不明顯。將Fi=3 000安匝時 SMC部分的磁密矢量與無直流勵磁時的相比，定子SMC部分的磁通減弱，端蓋SMC部分磁通增強。

圖13為勵磁磁勢為-500安匝時電機的磁密矢量圖以及主氣隙面的磁密矢量圖。圖14是氣隙磁密波形圖。在此勵磁磁勢作用下，氣隙磁密略有波動，但最大氣隙磁密僅有0.24 T。從圖13可以看出，當反向直流勵磁達到一定值時，對同一轉子鐵心而言，其兩端的磁通方向相反，對于電樞繞組而言，兩磁通綜合作用，磁場相互抵消。離直流勵磁繞組越近的部分通過勵磁繞組產生的磁場越多，而通過永磁體產生的磁場越少。

圖15為勵磁磁勢為-1 000安匝時電機磁密矢量圖，圖16是氣隙磁密波形圖。在此種情況下，兩轉子凸極處的磁密都很小，最大值僅有0.06 T。與-500安匝時相同，對同一轉子鐵心而言，其兩端磁通方向相反;對于電樞繞組而言，兩磁通綜合作用，磁場相互抵消。將此情況下SMC部分的磁密矢量與無勵磁時的相比，SMC部分磁通增強。定子外SMC芯和轉子內SMC芯在附加氣隙處已趨近飽和，

在設計電機時需考慮好定子外殼和轉子內殼的厚度。

3 瞬態場分析

在三維瞬態場下，設置三相電樞繞組，并定義電機的 Band、設置轉速(n=3 000 r/min，f=500 Hz)，采用與靜磁場仿真中類似的方法，給電機施加不同情況下的勵磁磁勢。圖17為空載時無直流勵磁電流下三相電壓波形圖，波形近似正弦波，但是諧波含量較大。

圖18為空載特性曲線，Fi為勵磁磁勢，U為相電壓有效值。從圖中可以看出，在勵磁磁勢-1 000安匝時，電樞繞組的電壓減小了96.4%;在1 000安匝的勵磁磁勢時，電壓增加了106.1%。可見，電機在雙向勵磁下，調節特性都較好，并且能夠實現完全弱磁。

在轉速3 000 r/min、勵磁磁勢3 000安匝時，根據交叉凸極轉子HESM輸出的相電流和相電壓，繪制了電機的外特性曲線和功率特性曲線，如圖19所示。在負載電流為104 A時，電機可達最大功率9.8 kVA。

4 結 語

本文討論了一種新型的HESM——交叉凸極轉子HESM，闡述了電機的結構特點和工作原理。基于電機的非對稱結構，通過三維有限元分析計算了電機在不同勵磁作用下的主氣隙磁場變化規律以及電機的空載特性和外特性。有限元計算結果驗證了電機的基本原理。

根據電機結構及有限元分析結果，可以總結得出:主氣隙磁場主要來源于永磁體產生的磁場，電勵磁部分對主氣隙磁場進行雙向調節;直流勵磁繞組位于定子端蓋中，使得電機實現了無刷結構，并且兩勵磁繞組共同作用，協調控制電機主氣隙磁場;電機在反向勵磁電流作用下能夠實現完全弱磁，在正向勵磁下具有優良的增磁能力。電機的附加氣隙長度需考慮到制造工藝問題;定、轉子SMC芯以及端蓋SMC芯的厚度需考慮電機的飽和情況。該新型電機的電勢波形諧波含量較大，在采用正弦波電流控制方法時需對其電勢波形進行優化設計。

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