新型定子分區式磁通切換電機的電磁性能分析*

楊琳琳，　全　力，　朱孝勇，　杜　懌，　項子旋

(江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江　212013)

新型定子分區式磁通切換電機的電磁性能分析*

楊琳琳，全力，朱孝勇，杜懌，項子旋

(江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江212013)

摘要：提出了一種永磁體與電樞繞組分離的新型定子分區式磁通切換永磁電機。該電機包含兩個定子，即帶有電樞繞組的內分區定子和帶有永磁體的外分區定子。基于有限元分析法分析了電機的性能，并與體積相同的傳統磁通切換電機相比，該電機的電磁轉矩提高了33%。結果表明該電機采用的定子分區結構，解決了傳統磁通切換電機永磁體和電樞繞組用量的沖突，使得轉矩密度得到大幅度提升。

關鍵詞：定子分區； 磁通切換； 永磁電機； 有限元分析

0引言

隨著稀土永磁體的快速發展，永磁電機[1]由于其高轉矩密度和高效率成為研究熱點。根據永磁體的安放位置，永磁電機可分為定子永磁型[2]和轉子永磁型[3]。與轉子永磁型電機相比，定子永磁型電機轉子上既無永磁體也無繞組，具有結構穩定、安裝簡單、散熱方便、轉動慣量小、適合高速運行的優點[4]。定子永磁型電機又分為雙凸極電機[5-10]、磁通切換電機[11-14]、磁通反向電機[15]3種；永磁體分別位于定子軛部、定子齒中間、定子齒尖表面。相較于其他兩種定子永磁型電機，磁通切換電機既具有雙凸極和磁通反向等定子永磁型電機轉子結構簡單、適合高速運行等特點，同時又通過其特殊的聚磁效應使得電機具有功率密度高、效率高、輸出轉矩大、感應電動勢正弦度高等優點，更適合于航空、航天、航海和電動汽車領域，被認為是最具有發展前途的一種定子永磁型電機[16-19]。

但隨著對磁通切換電機研究的不斷深入，該類電機的固有不足或缺陷也日益顯現。一方面，電機永磁體和電樞繞組均同位于定子，當電機內徑一定時，沿圓周均布于定子齒中間的永磁體，客觀上減小了電機的有效槽面積和電樞繞組匝數，一定程度上限制了電機的轉矩密度和出力；另一方面，電機采用集中式繞組，永磁體位于電樞繞組的包裹和纏繞中，電機運行過程中，電樞繞組的熱量和溫升會導致永磁體溫度過高的問題，從而降低永磁材料性能甚至發生不可逆去磁危險。為改善磁通切換電機的轉矩密度并降低電機發生不可逆去磁危險，本文提出了一種新型定子分區式磁通切換電機。該電機顯著特點是在電機的內部增加了一個內定子，同時將位于定子齒中間的永磁體從傳統磁通切換電機的定子齒上移至外定子，從而形成了一類新型定子內外分區式結構。由于采用了定子分區結構，實現了永磁體和電樞繞組分離式結構，有效解決了永磁體和電樞繞組用量對電機的轉矩密度等性能制約，所以使得轉矩密度得到提升。本文討論了該電機的結構和運行原理，分析了電機的電磁性能，并與傳統磁通切換電機進行比較。研究表明，與體積相同的傳統磁通切換電機相比，采用這種定子分區的結構使電機的轉矩密度得到了大幅提升。

1電機結構與運行原理

1.1電機基本結構

圖1(a)為本文提出的定子分區式磁通切換電機，包括內外分區定子和中間轉子，內外分區定子和轉子之間均具有氣隙，為便于加工，中間轉子由導磁鐵心和非導磁材料交替構成。該電機由外定子、中間轉子以及內定子在磁路上呈現串聯結構，共同形成電機的主磁路。其中永磁體嵌于外定子，三相集中式繞組繞在內定子上，且各塊永磁體的徑向中心線分別與對應的內分區定子的定子齒中心對齊。與圖1(b)所示的傳統磁通切換電機結構相比，在相同電機體積情況下，定子分區式磁通切換電機將永磁體和電樞繞組分離，以增大槽面積與永磁體用量，既能提高電機的轉矩密度，同時電機永磁體的溫度更易控制。

圖1　電機結構

本電機轉子極數與定子槽數滿足式(1)所示。

(1)

式中：Nr——轉子極數；

Ns——定子槽數；

k——正整數；

q——電機相數。

對于所提出的電機，k=1，q=3，Ns=12以及Nr=10。

1.2電機工作原理

圖2為該電機的工作原理示意圖。根據磁阻最小原理，磁通總是通過磁阻最小的路徑閉合。如圖2所示，隨著轉子位置的改變，從圖2(a)到圖2(b)，電機繞組中磁通的數量和方向發生改變。轉子轉動一個極距的范圍，磁通數量會從最大變為最小，方向由進入繞組到穿出繞組，轉動一個極距的時間即為電機一個電周期。基于此原理，當轉子在上述兩個位置之間連續運動時，繞組里匝鏈的磁通會在正負最大值之間呈周期性變化。

圖2　轉子不同位置時磁通路徑圖

圖3為一個電周期內電機處于不同位置時的磁力線分布圖。圖3(a)所示位置穿過該線圈磁鏈最大，而圖3(b)和圖3(d)所示位置通過該線圈的磁鏈為0，圖3(c)所示為通過該線圈磁鏈最小。

圖3　轉子不同位置電機磁力線分布圖

圖4所示為轉子轉過一個極距，電機繞組的磁鏈波形，其中A，B，C，D點分別對應圖3(a)，(b)，(c)，(d)中四個轉子特定位置。

圖4　電機繞組磁鏈變化曲線

2電機尺寸優化

對定子分區式磁通切換電機來說，其可以優化的電機結構參數非常多，每個參數對于電機性能都有不同的影響。本文選取反電勢諧波畸變率、平均輸出轉矩以及齒槽轉矩為優化目標，并選取與這3個性能較相關的轉子極弧系數、轉子厚度、永磁體厚度、定子齒寬和定子槽開口系數等參數進行優化。

定義轉子極弧系數為如圖5所示的轉子弧長與永磁體極弧寬度的比值，即

(2)

(3)

圖5　電機局部放大圖

圖6和圖7為轉子內外極弧系數對所選優化目標的影響，可以看出，由于轉子內極弧靠近繞組側，故對反電勢畸變率影響較大，且極弧系數越大輸出轉矩越小；而轉子外極弧對齒槽轉矩影響較大，且轉子外極弧越大，電機輸出轉矩越小，反電勢畸變率也越小。因此，選取內轉子極弧系數Kri=0.433，外轉子極弧系數Kro=0.466。

圖6　轉子內極弧對電機性能的影響

圖7　轉子外極弧對電機性能的影響

如圖8所示，轉子厚度對齒槽轉矩的影響較小，對反電勢畸變率影響較大，隨著轉子厚度的增加，輸出轉矩總體呈上升趨勢，故轉子厚度選取6mm。

圖8　轉子厚度對電機性能的影響

圖9給出的是永磁體厚度與優化設計目標的變化曲線。本文在維持永磁體用量不變的前提下，對永磁體的形狀進行了優化。可見永磁體形狀的改變，對反電勢波形和齒槽轉矩的影響較大，但對輸出轉矩大小幾乎沒有影響。因此，永磁體厚度選6mm。

圖9　永磁體厚度對電機性能的影響

定子槽開口比率定義為如圖10所示的定子槽口弧度與定子極弧長度之比，即

(4)

圖10　電機局部放大圖

如圖11和圖12所示，定子齒寬與定子槽開口比率對電機空載反電勢諧波畸變率影響極大，對輸出轉矩及齒槽轉矩的影響有限。故選取定子齒寬為2.5mm，定子槽開口比率Ks=0.556。

圖11　定子齒寬對電機性能的影響

圖12　定子槽開口比率對電機性能的影響

考慮定子分區磁通切換電機的輸出轉矩值以及轉矩的平穩性，即在電機輸出較大轉矩的同時使得電機的反電勢諧波畸變率和齒槽轉矩最小，依據上述最終可得到定子分區磁通切換電機的關鍵參數設計值，見表1。

表1　電機結構參數

3電磁性能分析與比較

通過對電機優化，確定電機的結構尺寸參數后，利用有限元分析計算，可對電機進行深入的電磁性能分析。為了更好地分析定子分區式磁通切換電機的性能，在此，選取如圖1(b)所示的傳統磁通切換電機在兩電機體積相同的情況下與本文所提出的定子分區式磁通切換電機進行對比。

兩電機空載情況下的三相磁鏈對比如圖13所示。從圖13中可看出，兩電機磁鏈均類似正弦波，呈雙極性分布，且對稱程度較高，定子分區式磁通切換電機的磁鏈幅值為0.0144Wb，高于傳統磁通切換電機的0.0104Wb。圖14所示的反電勢對比圖同樣是定子分區式磁通切換電機的反電勢高于傳統磁通切換電機。

圖13　電機磁鏈對比

圖14　電機反電勢對比

由圖15所示的兩電機齒槽轉矩對比圖可知定子分區磁通切換電機的齒槽轉矩比傳統磁通切換電機大，這是由于定子分區磁通切換電機的永磁體磁場更強的緣故。如圖16所示，同樣由于定子分區磁通切換電機的永磁體磁場更強，定子分區磁通切換電機的輸出轉矩比傳統磁通切換電機的輸出轉矩高出33%。可見采用定子分區結構后磁通切換電機的輸出轉矩得到大幅度提升。

圖15　電機齒槽轉矩對比

圖16　電機輸出電磁轉矩對比

4結語

本文提出了一種新型定子分區式磁通切換電機。該電機采用定子分區的結構，充分利用電機內部空間，解決了傳統磁通切換電機永磁體和電樞繞組用量相互限制的問題，使得在同樣電機體積下永磁體用量和電樞繞組用量可以增大以提升轉矩密度。由于電樞繞組和永磁體的分離，故更易于電機的散熱、冷卻。基于有限元分析優化電機結構，與體積相同的傳統磁通切換電機相比，永磁體磁場更強，電機的電磁轉矩高出33%。

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Electromagnetic Performance Analysis of a New Stator Partitioned Switched Flux Permanent Magnet Machine*

YANGLinlin，QUANLi，ZHUXiaoyong，DUYi，XIANGZixuan

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：A novel partitioned stator switched flux PM (PS-SFPM) machine with separated PMs and armature windings was presented. The proposed machine has two stators, i.e. one stator having the armature windings and another stator having the PMs. By using the finite element analysis, the performances of the proposed machine are analyzed accurately. Compared with the conventional switched flux machine, the proposed machine offers about 33% higher electromagnetic torque under the conditions of reduced PM volume and same machine volume. Besides, the new machine benefits from the removal of trade-off between PM and armature winding space on the stator, allowing more copper and PM volume within the same machine volume to further increase the torque density.

Key words：stator partitioned; switched flux machine; permanent magnet machine; finite element analysis

*基金項目：國家自然科學基金項目(51177065)；國家自然基金項目(51377073)；國家自然基金項目(51477069)

作者簡介：楊琳琳(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為新能源汽車用稀土定子分區磁通切換電機。 朱孝勇(1975—)，男，博士生導師，教授，研究方向為電動汽車驅動控制技術，新型電機設計與控制等。 項子旋(1987—)，男，博士研究生，研究方向為無刷化雙轉子磁通切換電機及其控制技術。

中圖分類號：TM 302

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)05- 0033- 05

收稿日期：2015-11-02

全力(1963—)，男，博士生導師，教授，研究方向為特種電機及其控制系統和汽車的電氣控制技術。

杜懌(1979—)，男，碩士生導師，副教授，研究方向為定子永磁型電機設計及其控制系統研究。