混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機特性分析與試驗研究*

徐 妲, 林明耀, 付興賀, 郝 立, 趙紀龍

(東南大學 電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁電機特性分析與試驗研究*

徐 妲, 林明耀, 付興賀, 郝 立, 趙紀龍

(東南大學 電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

提出了一種適用于電動汽車驅動系統的E型鐵心混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁(HEAFFSPM)電機。以一臺三相6/10極電機為例，基于三維有限元方法全面研究該電機靜態特性，包括氣隙磁密、空載永磁磁鏈、空載反電動勢、電磁轉矩、轉矩-電流特性、繞組電感和磁場調節能力等；研究轉子齒扇形角度和轉子斜極對電機反電動勢和齒槽轉矩的影響，分析表明轉子齒扇形和轉子斜極可以改善反電動勢和齒槽轉矩波形。制造了一臺2 kW樣機并對其進行測試，驗證了有限元分析結果的準確性，結果表明HEAFFSPM電機的磁鏈和反電動勢均為正弦分布，帶載能力和磁場調節能力均較強。

混合勵磁；軸向磁場；磁通切換；有限元法

0 引 言

磁通切換型永磁電機是一種新型定子永磁式電機，由法國學者E. Hoang于1997年提出[1]。該電機定、轉子均為凸極結構，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、魯棒性強、易于冷卻、機械強度高。研究結果表明，該電機具有體積小、工作穩定、轉矩密度高和效率高等優點[2-7]。在此基礎上，有學者研究并提出了雙定子或雙轉子結構的軸向磁場磁通切換型永磁電機，并對該電機的靜態特性和齒槽轉矩抑制等進行了研究[8-13]。軸向磁場磁通切換型永磁電機同樣具有磁通切換電機的優點，而較短的軸向長度使得該電機更適用于直接驅動控制系統如風力發電、電動汽車等。

以上磁通切換永磁電機采用永磁體勵磁方式，永磁體用量較多，且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等問題，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。

為減小軸向磁場磁通切換型電機永磁體用量及擴大其調速范圍， 文獻[14-17]提出了一種E型鐵心混合勵磁軸向磁場磁通切換型永磁(Hybrid Excited Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet,HEAFFSPM)電機，兼具了磁通切換電機和混合勵磁電機的優點，采用了非重疊的電樞和勵磁繞組，可以用相對較少的永磁材料獲得較高的氣隙磁密。該電機氣隙磁場可以雙向平滑調節，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。

本文以一臺三相6/10極HEAFFSPM電機為例，基于三維有限元法分析該電機的電磁特性，包括氣隙磁場分布、空載永磁磁鏈、反電動勢、輸出轉矩、繞組電感和調磁特性等。在此基礎上研究轉子齒扇形角度和轉子斜極對反電動勢和齒槽轉矩波形的影響。搭建樣機試驗平臺，進行開路和帶載試驗以驗證有限元分析結果。

1 電機結構和初始設計

三相6/10極HEAFFSPM電機結構如圖1(a)所示。該電機由兩個外定子和一個內轉子組成，每個定子由6個E型鐵心和6塊切向充磁的永磁體交替放置。電樞繞組和勵磁繞組均為集中繞組，電樞繞組繞于永磁體相鄰的兩個定子齒上，勵磁繞組繞于E型鐵心中間齒上。定子E型鐵心單元采用平行永磁平行槽扇形齒結構。轉子上既無永磁體也無繞組，與開關磁阻電機轉子相似，結構簡單。

圖1 6/10極HEAFFSPM電機結構示意圖

HEAFFSPM電機定子外徑可根據式(1)計算[17]：

式中:ps、pr——定、轉子單元數；

ksio——定子內、外徑之比，ksio=Dsi/Dso；

kd——電機漏磁系數；

kF——氣隙磁密分布系數；

As——內徑處電負荷；

Bgmax——氣隙磁密峰值；

cs——定子極弧系數；

P2——電機輸出功率。

而HEAFFSPM電機的勵磁部分則采用等效磁路法進行分析計算，勵磁方程可表示為

式中:Fdc——勵磁磁動勢；

Nf、If——勵磁繞組匝數和勵磁電流；

α——磁場調節系數；

hPM——永磁體磁化方向的厚度；

HC——永磁體矯頑力；

Φ0——永磁磁鏈幅值；

μ0、μr——真空磁導率、相對磁導率；

ls——定子軸向長度；

Scu——勵磁線圈截面積；

kp——槽滿率；

m——電樞繞組相數；

βslot——內徑處定子槽寬角度；

kslot——定子槽深系數。

根據式(1)和式(2)可計算得HEAFFSPM電機的結構設計參數，各設計參數標示如圖1(b)所示。本文所研究的2 kW 6/10極HEAFFSPM電機的結構參數如表1所示。

表1 HEAFFSPM電機結構參數

2 靜態特性分析

2.1氣隙磁密

兩種負載情況下的氣隙磁場分布如圖2所示。由于電機的雙凸極結構。氣隙圓周磁密不呈正弦分布，含有較多的諧波分量。聚磁效應使得氣隙磁密峰值能達到1.5 T。與永磁體產生的氣隙磁密相比，電樞電流產生的氣隙磁場可以忽略，電樞反應對永磁體去磁的影響幾乎可以忽略。

圖2 平均半徑處氣隙圓周磁密分布

2.2永磁磁鏈和反電動勢

初始設計參數下的HEAFFSPM電機三相空載磁鏈和三相反電動勢如圖3所示。由圖3可見，永磁磁鏈基本呈正弦分布，反電動勢波形正負半周略微不對稱，因此需要對電機結構進行優化以獲得正弦的反電動勢波形。

圖3 永磁磁鏈和反電動勢

2.3齒槽轉矩和電磁轉矩

HEAFFSPM電機的齒槽轉矩如圖4(a)所示。由于雙凸極結構和聚磁效應，電機的齒槽轉矩脈動較大。圖4(b)給出了轉速600 r/min且電樞電流Ia=3.57 A時不同勵磁電流情況下的電磁轉矩。由圖4可知，直流勵磁電流對電磁轉矩的脈動和平均值有較大的影響。與施加弱磁電流時相比，施加增磁電流時平均轉矩的變化值較小且轉矩脈動較低，此時電機鐵心較飽和。

圖4 轉矩特性

2.4電感特性

HEAFFSPM電機電樞繞組的自感和互感如圖5(a)所示。由于定子E型鐵心中間齒的隔離作用，電樞繞組的互感平均值約為自感值的1/4。圖5(b)中給出了勵磁繞組的自感Lff及電樞繞組和勵磁繞組之間的互感Maf。由于施加增磁電流時鐵心相對弱磁電流時飽和，勵磁繞組的增磁自感比弱磁自感小。勵磁繞組自感Lff在單個周期內近似恒定，比電樞和勵磁繞組間的互感Maf大得多，這是因為勵磁繞組所在的E型鐵心中間齒是主磁路的一部分。

圖5 繞組電感

2.5調磁特性

6/10極HEAFFSPM電機不同勵磁電流情況下的電樞繞組匝鏈的磁通如圖6所示。由圖6可見，所施加的直流勵磁電流對相繞組磁通幅值有較大影響，使電機具有較大的調速范圍，同時提高了電機的轉矩性能。施加增磁電流時，電機磁路飽和度增加，隨著勵磁電流的增加，磁通變化漸小，增磁效果有所減弱。由于磁路飽和，所以施加增磁電流時磁通的變化量較施加弱磁電流時要小。

圖6 施加勵磁電流時的磁場調節特性

3 結構優化

由上文分析可知，初始設計結構下6/10極HEAFFSPM電機的反電動勢諧波含量較大，且齒槽轉矩較大，需要對電機結構進行優化。基于三維有限元方法，本節研究電機結構對反電動勢和齒槽轉矩的影響，如轉子齒扇形角度、轉子斜極等。

3.1轉子齒扇形角度

由圖1(b)可知，轉子齒面積隨轉子齒扇形角度θ變化而變化。圖7給出了電機反電動勢諧波畸變率和齒槽轉矩隨轉子扇形角度變化的波形。由圖7可見，當轉子齒扇形角θ為10°時，反電動勢諧波畸變率THD最低，與初始值相比減小了15%；當轉子齒扇形角度θ為8°時，齒槽轉矩最小，與初始值相比減小了81.7%。通過優化轉子齒扇形角度，HEAFFSPM電機的齒槽轉矩可以大大減小，而電機的反電動勢仍存在較高的諧波畸變率，需要進一步優化。

圖7 轉子齒扇形角度對反電動勢和齒槽轉矩的影響

3.2轉子斜極

6/10極HEAFFSPM電機轉子的初始設計和斜極結構的示意圖如圖8所示。HEAFFSPM電機轉子斜極時采用平行齒結構，也即轉子齒扇形角度為0°。

圖8 轉子結構示意圖

圖9給出了電機反電動勢諧波畸變率和齒槽轉矩隨轉子斜極角度變化的波形。由圖9可見，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉矩均隨著轉子斜極角度的增加而減小，當斜極角度增加至8°以上時，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉矩大幅增加。當轉子斜極角度為7°時，轉子斜極結構與初始結構下的反電動勢與齒槽轉矩的波形比較如圖10所示。由圖10可知，轉子斜極后反電動勢波形得到改善，對稱性得到提高，諧波畸變率減小了26.9%；轉子斜極后的反電動勢幅值與初始結構時幾乎相同。轉子斜極后齒槽轉矩有所減小，但轉子斜極后齒槽轉矩的平均值不再為零，此時齒槽轉矩對輸出轉矩會產生附加影響。若斜極角方向與轉子旋轉方向一致，齒槽轉矩的平均值為負值，如圖10(b)中所示，從而造成輸出轉矩平均值的減小。反之，斜極角方向與轉子旋轉方向相反時，齒槽轉矩平均值為正，使輸出轉矩平均值增加。

圖9 轉子斜極角度對反電動勢和齒槽轉矩的影響

圖10 轉子斜極與初始結構的性能對比

4 試驗驗證

根據表1設計參數制造的三相2 kW 6/10極HEAFFSPM樣機如圖11所示。搭建HEAFFSPM電機試驗平臺，測試了樣機的相關特性。圖12給出了有限元分析和實測特性的比較，包括反電動勢、齒槽轉矩、電樞繞組自感。實測結果與有限元分析結果一致。電機弱磁調速特性、轉矩-電樞電流特性和轉矩-勵磁電流特性如圖13所示，測試結果顯示電機具有較好的帶載能力。施加增磁電流可以有效提高輸出轉矩，適用于低轉矩或低速工作區。電機高速運行時，采用恒轉矩和id=0控制策略，施加弱磁電流電機轉速可以有效上升。

圖11 6/10極HEAFFSPM樣機圖

圖12 有限元分析與實測結果對比

圖13 實測弱磁調速特性和轉矩-電流特性

5 結 語

本文提出了一種三相6/10極E型鐵心HEAFFSPM電機，研究了其基本結構、初始設計通用方程，并基于三維有限元方法，對6/10極HEAFFSPM電機的靜態特性進行了分析研究，主要包括氣隙磁密分布、空載磁鏈、反電動勢、齒槽轉矩、電磁轉矩、繞組電感和調磁特性等。HEAFFSPM電機具有正弦度較高的磁通和感應電勢波形，適于交流無刷控制運行。此外，還研究了轉子齒扇形角度和轉子斜極對電機反電動勢和齒槽轉矩的影響。分析表明，采用轉子齒扇形可以改善反電動勢波形，有效減小齒槽轉矩；采用轉子斜極結構，反電動勢諧波畸變率和齒槽轉矩分別減小26.9%和16.8%，而反電動勢幅值幾乎不變。電機靜態特性的樣機試驗結果與有限元結果一致，驗證了分析的準確性。分析和試驗表明HEAFFSPM電機具有結構簡單、易于冷卻和調磁方便等特點，帶載能力強，易于實現高速恒功率和寬調速運行。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HEAFFSPM電機的分析、優化和控制策略的研究等奠定了基礎。

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PerformanceAnalysisandExperimentalStudyofaHybridExcitedAxialFieldFlux-SwitchingPermanentMagnetMachine*

XUDa,LINMingyao,FUXinghe,HAOLi,ZHAOJilong

(Department of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

An e-core hybrid excited axial field flux-switching permanent magnet (HEAFFSPM) machine, which was suitable for electrical vehicle drive, was developed. The electromagnetic performances of a 3-phase 6/10 stator/rotor-pole HEAFFSPM machine, including the air-gap flux density, the PM flux linkage, the back electromotive force (back-EMF), the electromagnetic torque, the torque-current characteristics, the winding inductances, and the field regulation capacity, were thoroughly investigated based on 3-D finite element method (FEM). The influences of the rotor pole shape angle and rotor pole skewing on the back-EMF and cogging torque were analyzed. It showed that the back-EMF could be improved and the cogging torque could be reduced with trapezoidal rotor pole shape and skewed rotor pole. A 2 kW prototype was built and tested, which validated the FEM analysis. Results showed that the HEAFFSPM machine exhibits the essentially sinusoidal phase flux linkage and back-EMF, good load-carrying capacity and flexible flux-regulation capacity.

hybridexcited;axialfield;flux-switching;finiteelementmethod(FEM)

國家自然科學基金項目(51277025，51577024);江蘇省自然科學基金項目(BK20161425)

徐 妲(1989—)，女，博士研究生，研究方向為永磁電機設計、分析。林明耀(1959—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電機系統及其控制技術。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0100- 06

2017 -03 -14