6／7極磁通切換雙凸極電動機的研究

趙朝會， 袁龍生， 李 鍵， 曹書豪

（1.上海電機學院 電氣學院，上海200240；2.上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海200240；3.上海電氣風電設備有限公司，上海200240）

在定子齒部嵌入永磁體的磁通切換雙凸極電動機（Permanent Magnet Flux Switching Motor，FSPM）最早是于1955年由Rauch和Johnson提出的[1]，之后很長一段時間內對這種電動機的研究很少。隨著永磁材料的發展，Hoang等[2-4]在1997年重新將研究目光投向FSPM，隨后電勵磁FSPM[5-6]、混 合 勵 磁 FSPM 也 被 相 繼 提 出[7-9]。國內的浙江大學和東南大學較早就開展了對FSPM電動機的研究[10-15]。圖1所示為浙江大學研制的24V、450W、1 500r／min的三相6／5極結構FSPM的截面圖；圖2所示為東南大學研制的三相12／10極結構FSPM。其中，浙江大學主要以6／4極、6／5極FSPM為載體，研究了FSPM的弱磁擴速運行的結構與性能等；東南大學以12／10、12／8極FSPM為載體，研究了其端部效應對新型定子永磁型雙凸極電動機反電勢的影響等。

黃志 文等[12-14]認 為：6／5 極 FSPM 比 6／4、12／10、12／8極FSPM具有更好的性能，更寬的弱磁范圍。本文探討了一種6／7極FSPM，對其靜態場和瞬態場進行了有限元計算，并與6／5極FSPM的性能進行了對比，進一步驗證6／7極FSPM性能的優越性。

1 6／7極FSPM的結構及參數

圖3為一臺三相6／7極FSPM結構圖。該電動機轉子與開關磁阻電動機的轉子相似，定子采用對稱的三相集中式繞組，空間相對的兩繞組反向串聯成一相，永磁體采用切向充磁，相鄰的兩個永磁體充磁方向相反，定子鐵心為U型的導磁鐵芯。

圖3 6／7極FSPM結構圖Fig.3 Structure of 6／7pole FSPM

用于磁場分析計算的FSPM的結構參數如表1所示，其中用于有限元計算的6／3、6／5、6／7極FSPM定子結構參數均相同。

表1 電動機結構參數Tab.1 Structure parameters of FSPM

2 6／7極FSPM的電磁場分析與計算

為了便于有限元分析，假設如下[15]：① 磁場沿電動機軸向不變，把問題作為二維磁場來處理；② 定、轉子基波磁勢均以同步速旋轉，定子磁場不會在轉子中產生渦流，認為是恒定磁場；③ 定、轉子鐵心外緣的散磁忽略不計。

2.1 6／7極FSPM靜態場研究

利用有限元方法對提出的新型6／7極FSPM進行了建模，同時對其空載時的靜態場進行仿真研究（空載時，靜態場仿真中由于沒有涉及定子繞組，故圖中沒有示出）。圖4為磁力線分布圖。由圖可見，電動機的磁力線走向較合理。圖5為FSPM的磁密云圖，根據云圖中的飽和程度可以對電動機的定子齒、轉子軛等部位進行必要的加厚或減薄設計，使電動機在滿足出力大的同時，能提高材料的利用率。

2.2 6／7極FSPM瞬態電磁場研究

本文提出的新型6／7極FSPM，定子為6個齒槽，轉子為7個齒，即7極。仿真計算時，取轉子齒寬7.79mm。圖6所示為6／7極FSPM有限元計算求解區域；瞬態場有限元計算，定子繞組采用反向串聯，相對的兩定子齒上的繞組串聯成一相繞組，為三相對稱集中繞組，定子繞組通入三相對稱的正弦波電流，即此時FSPM采用同步電動機的控制方式。

圖6 6／7極FSPM有限元計算求解域Fig.6 Finite element solution domain of 6／7pole FSPM

由圖7中的6／7極FSPM齒槽轉矩波形可見，其齒槽轉矩較小，說明其起動性能較好、電動機運行后轉矩波動較小。圖8和圖9所示6／7極FSPM磁鏈波形正弦性較好。

圖9 6／7極FSPM反電勢波形Fig.9 Back EMF waveform of 6／7pole FSPM

3 6／3、6／5、6／7極FSPM 的性能比較

本文研究并比較了6／3、6／5、6／7極 FSPM（即轉子分別為3、5、7個齒，對應即為3、5、7個極的FSPM），對上述3種電動機進行了瞬態場仿真研究，以驗證電動機能否正常運行及運行性能。仿真時，電動機采用定子繞組通入正弦波電流的控制方式，具體仿真計算結果如表2所示。

表2 6／3、6／5、6／7極FSPM 的性能比較Tab.2 Comparison of properties 6／3、6／5and 6／7pole FSPM

研究表明：①6／3極FSPM的齒槽轉矩較大，電動機啟動困難，其磁鏈和反電勢波形均比較亂，故可得出6／3極FSPM運行性能較差甚至不能正常運行的結論；②6／5極FSPM的齒槽轉矩波形與6／3極相比，其齒槽轉矩較小，磁鏈和空載反電勢波形正弦性均較好；③6／7極FSPM的齒槽轉矩比6／5極還小，電動機的起動性能較好，運行時轉矩波動較小，磁鏈（見圖7）和反電勢波形（見圖8）也好于6／5極FSPM，故可說明電動機能正常工作且性能較好。

4 樣機加工

根據有限元優化結果，為進一步研究6／7極FSPM的性能，分別試制了6／5極FSPM和6／7極FSPM原理樣機。圖10所示為6／5極FSPM轉子，圖11所示為6／7極FSPM原理樣機。由于篇幅所限，樣機的實驗研究將在后期工作中展開。

5 結 論

（1）與6／5極FSPM 相比，6／7極 FSPM 具有更小的齒槽轉矩，且磁鏈和反電勢波形具有更好的正弦性等，適合于交流無刷電動機的控制方式。

（2）6／3極FSPM在定子通入正弦波電流時不能正常運行，6／5極FSPM運行性能良好，且本文有限元計算結果與現有計算結果較吻合，驗證了本文有限元計算的正確性。

（3）6／7極以及6K／7K極（K為正整數）FSPM的弱磁升速、交直軸電抗的求解以及樣機的試驗將是后續需要研究的問題。

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