混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機靜態特性

徐 妲 林明耀 付興賀 郝 立 張 蔚 趙紀龍

（1.東南大學電氣工程學院 南京 210096 2.江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室 鎮江 212009）

1 引言

永磁電機由永磁體產生磁場，無勵磁損耗，效率高且工作穩定可靠，但磁場調節困難。混合勵磁電機是一種磁通可控型永磁電機，兼具永磁電機效率高和電勵磁電機氣隙磁場平滑可調的優點，特別適合于恒功率調速驅動和恒壓發電等領域的應用，在工業應用領域具有廣闊的應用前景[1,2]。

近年來，國內外學者提出并研究了多種混合勵磁電機結構，包括磁極分割式[3,4]、爪極式[5,6]、組合轉子式[7]、并列結構式[8,9]、轉子磁分路式[10]、永磁-感應子式[11]等。這幾類混合勵磁電機的永磁體均位于轉子上，屬于轉子永磁型混合勵磁電機。該類永磁型電機轉子結構復雜，轉子散熱困難，較高的溫升可能引起永磁體不可逆退磁、電機出力減小等問題。

磁通切換型永磁電機是一種定子永磁型電機，由法國學者E.Hoang 于1997 年提出[12]。該種電機定、轉子都采用雙凸極結構，永磁體和繞組均置于定子上，轉子上既無永磁體也無繞組，結構簡單，易于散熱冷卻，機械強度高。目前的研究結果表明，這種電機具有體積小、工作可靠、功率密度高和效率高等優點[13,14]。磁通切換永磁電機采用永磁體勵磁方式，無法直接改變磁場強度，作發電機運行時存在電壓調整率大和故障滅磁困難的問題，作電動機運行時存在難以實現弱磁升速，恒功率運行范圍窄等缺點。

混合勵磁磁通切換電機兼具磁通切換電機和混合勵磁電機的優點，通過控制勵磁電流的大小和方向調節氣隙磁通密度[15-18]。研究表明，文獻[15]中永磁體磁路容易通過勵磁繞組端部鐵心形成回路，電樞繞組匝鏈磁通較少，永磁體利用率不高。文獻[16]中電機電樞繞組和勵磁繞組存在重合，電機轉矩密度較小。現有關于混合勵磁磁通切換電機的研究以徑向磁場電機為主。文獻[18]介紹了一種軸向磁通切換混合勵磁電機，該種電機采用雙轉子、“H”形定子結構，永磁體與勵磁繞組產生的磁動勢為串聯方式。

本文提出的HAFFSPM 電機是一種新型盤式混合勵磁電機，兼具了軸向磁場電機和混合勵磁磁通切換電機的優點，軸向長度短、控制靈活，具有獨特的聚磁效應，可以用相對較少的永磁材料獲得較高的氣隙磁通密度。該電機氣隙磁場可以平滑調節，弱磁擴速能力較強，作電動機運行時可作節能驅動使用，其寬調速特性可應用于電動汽車。

與前述混合勵磁電機相比，國內對HAFFSPM電機的相關研究文獻還未有報道。本文以一臺三相12/11 極HAFFSPM 電機為例，分析其結構特點、運行原理，并基于有限元法研究該電機的靜態電磁特性，包括磁場分布、空載永磁磁鏈、反電動勢、定位力矩、繞組電感和調磁特性等。

2 電機結構

圖1為三相12/11 極HAFFSPM 電機結構圖。電機結構參數見表。該電機由兩個結構相同的外定子和一個內轉子組成，定轉子均為雙凸極結構。每個定子有6個“E”形導磁鐵心和6 塊沿切向充磁的永磁體交替放置。兩側定子上正對的永磁體充磁方向相反。電樞繞組和勵磁繞組均采用集中繞組，勵磁繞組繞于定子“E”形鐵心中間齒上。轉子與開關磁阻電機的轉子結構相似。轉子共有11個齒，均勻設置在非導磁圓環的外圓周上。轉子上既無永磁體也無繞組，結構簡單，易于冷卻。

圖1 12/11 HAFFSPM 電機結構示意圖Fig.1 Structure of 12/11 HAFFSPM machine

表 HAFFSPM 電機結構參數Tab. Structure parameters of the HAFFSPM machine

該電機的磁場呈對稱分布，由永磁體和直流勵磁繞組共同產生的磁動勢沿定子鐵心、氣隙、轉子齒、氣隙、定子鐵心呈對稱降落。

3 運行原理

HAFFSPM 電機的磁通切換原理如圖2 所示。在圖2a 所示的轉子位置，永磁體產生的磁通沿著圖示箭頭的路徑穿入A1 繞組所在定子齒。當轉子運動到圖2b 位置時，通過A1 繞組的永磁磁通在數量上保持不變，但穿行方向相反，為穿出A1 所在定子齒。在兩種不同轉子位置，A1 繞組兩端感應出的電動勢，數值相同但極性相反。轉子連續運動時，電樞繞組匝鏈的磁通不斷在正負最大值之間周期變化，對應產生幅值和相位交變的感應電動勢。

在永磁體提供磁動勢的基礎上，增設直流勵磁繞組可以有效調節磁場大小和分布。HAFFSPM 電機的磁場調節原理如圖3 所示。圖3a 中，勵磁電流產生的磁通（虛線所示）與永磁體產生的磁通（實線所示）方向相同，共同穿入電樞繞組所在的定子齒，相對于永磁體的單獨作用，此時的電勵磁繞組起到了增磁作用；在相同轉子位置，改變勵磁電流方向，電勵磁磁通與永磁磁通方向相反，電勵磁起去磁作用，如圖3b 所示。同理，可得其他轉子位置下的混合勵磁原理。通過調節直流勵磁電流的方向和大小，可改變勵磁磁場，實現電樞繞組磁鏈大小的調節，使得電機在寬廣的恒功率調速范圍運行。

HAFFSPM 電機的勵磁繞組磁通與永磁磁通在磁路上為并聯，永磁體工作點受電樞反應磁場和勵磁磁場的擾動很小，可以有效避免不可逆退磁，保證了電機運行的穩定性。

HAFFSPM 電機的結構特點使得每相永磁磁鏈和感應電動勢波形接近正弦分布，也即HAFFSPM電機可以等效為定子永磁式的永磁同步電機，采用正弦波電流供電實現電機的交流無刷運行。根據對應的轉子位置，給電樞繞組施加同相位的正弦電樞電流，得到同方向的電磁轉矩，疊加三相轉矩得到合成的恒定轉矩。

圖2 磁通切換原理Fig.2 Principle of flux-switching

圖3 混合勵磁原理Fig.3 Principle of hybrid exciting

4 靜態特性

4.1 磁場分布

圖4 給出了電樞繞組開路時，在兩個典型轉子位置僅由永磁體勵磁時的磁場分布。圖4a 中轉子齒與定子齒面重合，該定子齒對應的電樞線圈中匝鏈的磁通最大。圖4b 中轉子齒與永磁體對齊，轉子齒與定子齒面稍有重疊，但與永磁體相鄰的兩個定子齒與轉子對稱，線圈中匝鏈的磁通為零。

圖4 永磁磁場分布Fig.4 Magnetic field distributions excited by magnets

圖5是永磁體產生的空載氣隙磁通密度分布。因定轉子是雙凸極結構，磁通密度波形不規則，諧波分量較大，聚磁效應使永磁氣隙磁通密度峰值達1.5T。

圖5 氣隙磁通密度分布Fig.5 Air-gap flux density

4.2 空載永磁磁通和感應電動勢

HAFFSPM 電機電樞繞組每相共有4個線圈，每個定子上各兩個，同一定子徑向排布的A1 和A2對稱。在轉子轉過一個電周期的過程中，A1 和A2匝鏈的磁通近似正弦分布，如圖6a 所示。A1 和A2同屬于A相，滿足式（1），同樣地定子2 上的A1'和A2'匝鏈的磁通滿足式（2），每相繞組合成磁通與線圈磁通的關系滿足式（3）。由圖6 可知，疊加后的每相合成磁通和感應電動勢正弦度較高，諧波含量較小。

圖6 永磁磁通和感應電動勢Fig.6 PM flux and EMF

電機采用12/11 結構，一個電周期對應的機械角度為360°/11=32.7°。

4.3 定位力矩

定位力矩是引起永磁電機轉矩脈動的一個主要因素。與轉子永磁型電機相比，雙凸極結構的HAFFSPM 電機的一個缺點是定位力矩偏大。圖7是根據磁共能差分法進行有限元計算得到的定位力矩結果。初始時轉子齒寬與定子齒寬相等且轉子齒為平行齒形，定位力矩較大，將轉子齒寬優化為初始齒寬1.2 倍且齒形為扇形，扇形角度為10°，有效地減小了定位力矩峰值。

圖7 定位力矩Fig.7 Cogging torque

4.4 繞組電感

本文采用磁鏈法分別計算電樞繞組和勵磁繞組電感。

4.4.1 電樞繞組電感

勵磁繞組不施加電流，當一相電樞繞組通入直流電流時，繞組匝鏈的總磁鏈由永磁磁鏈和電樞反應磁鏈組成。與電樞電流i 對應的該相電樞繞組自感L 可表示為

式中 Na——電樞繞組匝數；

ψ——合成磁鏈；

ψm——永磁體產生的永磁磁鏈。

由于永磁體的作用，式（5）計算得的電感為飽和電感。一相電樞繞組通入電流，計算其他相繞組所匝鏈磁鏈的變化可以得到相繞組之間的互感。

圖8 電樞繞組單匝電感Fig.8 Inductance of armature winding

圖8 所示為電樞繞組的飽和自感和互感。由圖可見，電樞繞組電感與轉子位置有關。比較每相繞組的自感和互感可知，互感值約為自感值的1/4。不考慮漏磁時，進入某一個線圈的磁通主要從相鄰的中間齒穿出，少部分從相鄰定子齒穿出。電樞繞組自感最大值出現在轉子齒與定子齒半重合的位置。

4.4.2 勵磁繞組電感

與電樞繞組相似，當勵磁繞組通入直流電流時，勵磁繞組合成磁鏈由永磁磁鏈和勵磁磁鏈組成。勵磁繞組的飽和自感及勵磁繞組和電樞繞組之間的互感如圖9 所示。由圖可見，由于勵磁繞組所在的中間齒作為主磁路一部分，勵磁繞組自感值較大。

圖9 勵磁繞組電感Fig.9 Inductance of field winding

4.5 調磁特性

勵磁繞組通入不同電流，電樞繞組匝鏈的磁通波形如圖10 所示。施加勵磁電流，繞組磁通變化明顯，調磁效果較好。通入增磁電流時，磁路飽和度增加，隨著勵磁電流的增加，磁通變化漸小，增磁效果有所減弱。

圖10 調磁特性Fig.10 Field control performance

5 結論

本文提出了一種HAFFSPM 電機，研究了其基本結構、運行原理，并基于三維有限元法，對HAFFSPM 電機的靜態特性進行了分析研究，主要包括磁通、感應電動勢、定位力矩、繞組電感和調磁特性等。計算和分析表明，HAFFSPM 電機具有結構簡單、冷卻容易和調磁方便等特點，易于實現高速恒功率和寬調速運行。HAFFSPM 電機具有正弦度較高的磁通和感應電動勢波形，定位力矩小，適于交流無刷控制運行。改變直流勵磁電流的方向和大小，可以有效地改變勵磁磁通的方向和大小，從而調節磁場分布，實現磁通的雙向調節。本文的研究結果為HAFFSPM 電機的分析、設計和控制策略的研究等奠定了基礎。

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