軸向磁通電勵磁雙凸極發電機仿真分析

李 爽，梅 磊

(南京工業大學，南京 211816)

0 引 言

隨著永磁材料和功率電子學的飛速發展，美國學者Lipo在20世紀90年代提出一種新型的雙凸極永磁電機(以下簡稱DSPM)[1,2],DSPM解決了開關磁阻電機(以下簡稱SRD)只能半周出力、低速噪聲大的缺點，相對于SRD，它控制更為靈活、效率更高、調速性能更好。DSPM延續了SRD結構簡單的特點，定轉子均為凸極結構，但DSPM的永磁體置于定子或轉子上，其運行原理與SRD有本質區別，因此,引起了相關領域學者的廣泛關注。

電勵磁雙凸極電機(以下簡稱DSEM)是在DSPM的基礎上發展而來，用勵磁繞組取代DSPM的永磁體，其優點是勵磁磁場可調，容易實現電動過程中的弱磁控制和發電工程中的調壓控制等問題，在航空航天、風力發電和電動汽車等領域具有廣闊的應用前景[3-11]。文獻[12]提出一種新型電磁式雙凸極無刷直流電機，利用有限元法對電機靜態特性進行仿真分析，并對原理樣機進行了實驗驗證，將仿真結果與實驗結果作比較，驗證了設計的合理性。文獻[13]提出了一種新型12/10極電勵磁雙凸極電機，并進行了場路聯合仿真及實驗，實驗結果表明該種結構電機改善了電機的磁鏈與反電勢的對稱性，并有效地削弱了電機的轉矩脈動。

無論是電勵磁還是永磁勵磁，大部分研究是針對徑向磁通結構的電機，針對軸向磁通結構電機的研究相對較少。文獻[14]提出了一種外轉子、內定子結構的軸向磁通雙凸極電機，電樞繞組與勵磁繞組均安裝在內定子凸極齒上，電機輸出轉矩大，但電機結構過于復雜。文獻[15]提出了一種12/10極軸向磁場磁通切換型DSPM，該電機由2個相同結構的外定子與內轉子組成，永磁體置于電機中部，并采用能量差分法研究了削弱電機齒槽轉矩的方法。文獻[16]提出了一種新型凸極式轉子直流電機，該電機為9/6雙凸極結構,2對定轉子結構平行排列，勵磁繞組套筒置于電機中間部分提供軸向磁場，該電機轉速及轉矩性能良好，但勵磁磁場的調磁范圍較窄。

針對現有電機結構過于復雜、自身能耗大等問題，本文研究了一種新型軸向磁通電勵磁兩相雙凸極電機，該電機結合軸向磁通與電勵磁的優點，功率密度高，勵磁可調，調磁范圍寬。該電機采用雙定子、單轉子結構，因此結構簡單，勵磁效率高。軸向磁通路徑短，因此電機體積小，單位體積出力大。

下文介紹該新型結構雙凸極電機的結構、工作原理與磁路的設計，結合有限元仿真軟件對電機的靜態電磁特性(磁場分布，定子磁鏈，反電勢，氣隙磁密)進行了仿真分析并初步驗證該電機的合理性。

1 電機結構

圖1為軸向磁通電勵磁兩相雙凸極電機結構的三維模型示意圖，圖2為電機整體結構的剖面圖。圖1、圖2即為該軸向磁通電勵磁雙凸極電機的具體實施方案。

圖1 軸向磁通電勵磁雙凸極電機結構圖

圖2 軸向磁通電勵磁雙凸極電機剖面圖

圖1中，電機裝置包括定子套筒、定子圓盤A、定子凸極A、電樞繞組A、勵磁繞組、電樞繞組B、定子凸極B、定子圓盤B、轉子鐵心。定子圓盤A、定子圓盤B套裝在定子套筒內部，定子圓盤A面向轉子的面上均勻分布有定子凸極A，定子圓盤B面向轉子的面上均勻分布有定子凸極B，定子凸極A上繞有電樞繞組A，定子凸極B上繞有電樞繞組B，定子凸極A與定子凸極B處于對齊位置。電樞繞組A中相對的兩個繞組構成一相，電樞繞組B中相對的兩個繞組構成一相，電樞繞組A和電樞繞組B相對的繞組構成一相，因而構成兩相雙凸極電機；定子套筒內設有固定的纏繞勵磁繞組的線圈。轉子由極弧度為60°的3個凸極組成，極弧系數為1/3，處于定子套筒內部，介于定子凸極A與定子凸極B之間并套裝在轉軸上；轉子鐵心與定子凸極A,B之間留有一定距離的氣隙。由圖2可見，整個電機成上下對稱結構。

2 工作原理

在軸向磁通電勵磁兩相雙凸極電機中，通入直流電流的勵磁線圈產生勵磁磁場，原動機通過轉軸帶動轉子鐵心旋轉，轉子鐵心旋轉導致定轉子凸極重疊面積發生變化，導致電樞繞組中的磁通量大小發生變化，從而在電樞繞組中感應出電動勢，感應電動勢的大小與轉子轉速有關。當定轉子凸極完全重疊時，磁力線走向示意圖如圖3所示。此時，由勵磁繞組產生的磁通將經過定子凸極A、轉子凸極、定子凸極B、定子圓盤B、定子套筒、定子圓盤A形成閉合回路。

圖3 軸向磁通電勵磁雙凸極發電機磁力線走向示意圖

發電機空載電動勢:

(1)

圖4為理想磁鏈及空載感應電動勢波形。定義發電機旋轉正方向為逆時針方向，根據勵磁繞組的磁鏈(ψ)特性，定子凸極下磁通線性上升區間，電樞繞組匝鏈的感應電動勢為負，線性下降區間對應的感應電動勢為正，磁通不變區間感應電動勢為0。

圖4 理想磁鏈波形及空載感應電動勢示意圖

3 等效磁路法

電機的等效磁路圖如圖5所示。

圖5 軸向磁通電勵磁雙凸極發電機等效磁路圖

圖5中，Λup1，Λup2，Λup3，Λup4分別為上定子凸極A與轉子鐵心之間的氣隙磁導，Λdown1，Λdown2，Λdown3，Λdown4分別為轉子鐵心與下定子凸極B之間的氣隙磁導，Λe為勵磁線圈磁導，Λσ為漏磁路磁導，Fe為電勵磁等效磁勢，Φe為勵磁磁通，Φδ為主磁路磁通，Φσ為漏磁路磁通。

(2)

Φe=Φσ+Φδ

(3)

Φδ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Λ1=Λup1+Λdown1

(9)

Λ2=Λup2+Λdown2

(10)

Λ3=Λup3+Λdown3

(11)

Λ4=Λup4+Λdown4

(12)

主磁路和各支路磁通的計算參照式(2)～式(8)，氣隙磁導的計算參照式(9)～式(12)。由電機定轉子極弧系數的設計可知，該電機定轉子重合面積為常數，因此勵磁繞組的工作點也為常數。

4 有限元仿真驗證

下文對軸向磁通電勵磁雙凸極發電機進行有限元仿真。仿真分析了電機的磁通路徑和靜態特性，具體分析結果如下。

4.1 閉合回路磁場走向仿真驗證分析

轉子凸極與定子凸極的相對位置用θr表示，設轉子凸極與定子凸極完全對齊時θr=0，對齊一半時θr=30°，完全不對齊時θr=60°。在勵磁電流If=10 A，轉速n=1 800 r/min條件下，此時電機1/6部分磁力線仿真圖分別如圖6所示。

(a) θr=0

(b) θr=30°

(c) θr=60°

由圖6可見，勵磁繞組產生的磁通路徑經定子凸極A、轉子凸極、定子凸極、定子圓盤B、定子套筒、定子圓盤A形成閉合回路，驗證了理論分析的正確性。θr=0時，磁通量最大；θr=60°時,磁通量最小。

4.2 氣隙磁密的仿真驗證性分析

勵磁電流If=10 A,θr=0時，電機上氣隙、下氣隙磁密的仿真波形如圖7和圖8所示。由于整個電機呈上下對稱結構，定子凸極A與定子凸極B對齊，所以上氣隙、下氣隙的氣隙磁密變化規律相同，圖7和圖8的仿真波形驗證了這條規律。

圖7 上氣隙磁密圖

圖8 下氣隙磁密圖

根據磁阻最小原理，當定子凸極和轉子凸極完全重合時，氣隙磁密的值最大，完全不重合時，氣隙磁密的值最小，由于軸向磁通電機的漏磁現象，最小值不為0。從圖7和圖8可以看出，氣隙磁密最大值為1.2 T左右，最小值略大于0，仿真數據與設計預期基本一致。

由于定轉子凸極的聚磁效應，使得氣隙磁密波形變化不規則。定轉子在臨近重合時，端部存在局部飽和現象，此時刻的氣隙磁密會產生突變，圖7和圖8中的2次氣隙脈沖符合變化規律。

在相同的定轉子對齊位置時，勵磁電流取值不同時的氣隙磁密平均值如表1所示。

表1 不同勵磁電流時的氣隙磁密

由表1可知，通過改變勵磁繞組中的直流電流值，就可以改變電機氣隙磁通值。在相同轉子位置時，當勵磁電流為5 A時，氣隙磁通為0.6 T；當勵磁電流為10 A時，氣隙磁通為1.2 T，可見調磁效果顯著。當磁密飽和時，氣隙磁通基本保持不變。合理選取勵磁線圈中的電流，就能實現較寬的調磁范圍。

4.3 繞組磁鏈和感應電動勢的仿真驗證性分析

圖9和圖10是轉子在原動機帶動下以轉速n=1 800 r/min，勵磁電流If=10 A運行時的電樞繞組磁鏈及感應電動勢波形。由圖9可得，磁鏈的幅值約為0.5 Wb，感應電動勢的幅值約為200 V。隨著轉子的轉動，磁鏈波形基本呈線性上升或下降，感應電動勢的波形為方波，圖9、圖10的波形與理想波形基本一致。

本文的軸向磁通雙凸極電機為雙定子結構，電樞繞組A與電樞繞組B對應相的電樞繞組串聯，產生的感應電動勢疊加，是傳統單定子結構電機感應電壓的2倍，體現了該種結構電機效率高、功率密度高的優點。

圖9 If=10 A時的電樞繞組磁鏈

圖10 If=10 A時的電樞繞組感應電動勢

5 結 語

本文研究的軸向磁通電勵磁兩相雙凸極電機既具有軸向結構雙凸極電機效率高、磁能利用率高、散熱好的優點，又具備電勵磁雙凸極電機勵磁磁場可調、輸出電壓可調等優點。整個電機呈盤式、扁平狀，結構簡單、新穎。采用有限元仿真軟件進行了仿真實驗，由仿真結果可知本文所設計的電機基本符合設計目標，關于電機的優化將在后續工作中進行。

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