磁通切換電動機綜述

李欣哲，竇瑩，吳曦

(1. 無錫供電公司，江蘇 無錫 214000； 2. 南京供電公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

磁通切換型電動機(flux-switchingmachine,FSM)是一種新型無刷結構的雙凸極直流電動機。它具有雙凸極電動機的基本特征，但磁通切換電動機的運行原理和控制策略與雙凸極電動機卻存在很大的差異。磁通切換型電動機既可以作為發電機，也可以作為電動機。目前國際上對FSM電動機的研究尚停留在初步理論和樣機實驗階段；就國內而言，我國對FSM的研究起步相對較晚，目前仍處于研究的初期階段，且研究成果主要集中在多相永磁磁通切換型電動機的參數計算和建模分析，實際成型的電動機產品應用于實際的并不多。本文主要闡述了該電動機的研究現狀及其發展趨勢，以期能夠更好地推動我國國內在磁通切換電動機領域的研究與發展。

1 磁通切換型電動機分類

磁通切換型電動機FSM主要有兩種典型的結構形式：徑向磁場磁通切換電動機和軸向磁場磁通切換電動機。電動機磁通切換的運行原理本質上完全相同，兩種結構的主要區別在于電動機磁通的路徑不同。按照勵磁方式劃分，FSM電動機可分為永磁式、電勵磁式和混合勵磁式三類，本文主要就這三種電動機來介紹磁通切換型電動機的發展。

1.1 永磁磁通切換電動機(FSPM)

永磁電動機具有結構簡單，運行可靠等優點，其永磁體安置在定子“U”型鐵芯之間，避免了永磁體置于轉子時所導致的諸如永磁體固定復雜、散熱困難、溫升過高等導致的永磁體不可逆退磁等諸多問題。

在1997年的EPE(europeanconferencepowerelectronicsandapplications)會議上，法國學者E．Hoang提出了磁通切換永磁電動機(fluxswitchingpermanentmagnetmachine，FSPM)的概念，發表了FSPM電動機的學術論文，引起了廣泛的關注[1]。該文章介紹了一種三相FSPM電動機的結構，其定子有12個齒，轉子有10極，且定子上嵌有12塊鐵氧體材料的永磁體，并闡述了該電動機的磁通切換原理，采用二維有限元法分析了電動機的靜態特性。2003年，作為歐洲航空局“poweroptimisedaircraft”計劃的一部分，針對航天器中加油裝置，研究了其中電動機的設計方法，重點從永磁材料的選擇上比較了不同材料對該電動機性能的影響[2]。法國BrittanyBranchCampusofENSdeCachan通過比較了不同永磁材料對FSPM性能的影響，將該電動機應用于油枕，減小非推進損耗，改善系統性能和提高效率[3]。2005年，羅切斯特大學Y.Cheng將永磁體代替兩相電勵磁磁通切換電動機中的直流勵磁繞組，提出了單相8/4極FSPM[4]，按照獲取平頂波感應電動勢的要求進行電動機設計，且通過改變轉子外形獲取啟動轉矩。英國Sheffield大學的Z.Q.Zhu教授對磁通切換電動機進行了多種拓撲研究，包括交錯極繞線、E型鐵心、C型鐵心和多齒等拓撲結構[5]。東南大學花為等設計出一種兩相、四相U型鐵心永磁磁通切換型電動機，在兩相運行時可以減少功率電子元件數，節省成本，且具有容錯能力[6]。2013年，高亞軍等提出了一種新型五相磁通切換永磁電動機，并研究了該電動機的容錯控制策略[7]。東南大學的林明耀教授提出了一種雙定子單轉子的雙凸極結構軸向磁場磁通切換永磁電動機，并對電動機設計、靜態特性和齒槽轉矩抑制進行了深入系統的研究[8]，該電動機結構簡單、體積小、控制靈活、功率/轉矩密度高。

1.2 電勵磁磁通切換電動機(FSEM)

1999年，Leicester大學C.Pollock教授提出了磁通切換型兩相電勵磁電動機(fluxswitchingelectro-magnetmachine，FSEM)[9]，凸極轉子上沒有永磁體和繞組，4個定子槽中2個放置電流極性不變的勵磁繞組“F”，另外2個放電樞繞組“A”，勵磁繞組和電樞繞組均跨越2個定子齒。2011年，王宇、鄧智泉等提出兩種新的FSEM電動機，如圖1、圖2所示，其定子磁鏈為雙極性，定子磁鏈與反電勢波均體現出較高的正弦度，適合在無刷交流場合運行[10]。

電勵磁磁通切換電動機中，勵磁繞組通過的是直流電，電樞繞組中交變的電流方向決定了電動機中的磁通方向，勵磁繞組可以采用與電樞繞組串聯的方式(在電流較大，電壓較低情況下)，也可以采取并聯的方式(在繞組匝數較多情況下)分別如圖3(a)、圖3(b)所示。串聯方式中，勵磁繞組也擔負著濾波器的作用。

圖1 電勵磁磁通切換電動機結構1

圖2 電勵磁磁通切換電動機結構2

圖3 兩相電勵磁磁通切換電動機勵磁繞組連接方式

1.3 混合勵磁磁通切換電動機

混合勵磁型磁通切換電動機(fluxswitchinghybridexcitationmachine，FSHM)是在永磁磁通切換電動機基礎之上發展起來的一種新型無刷電動機，其永磁體、電樞繞組和勵磁繞組都置于定子內，轉子結構簡單、可靠，適合高速運行。

FSHM電動機中兩個磁勢源同時存在，一是永磁體，它在氣隙中產生一個基本不變的磁通；另一個是勵磁繞組，在電動機工作時，通過調節勵磁繞組上的電流大小和方向，使得氣隙中的磁通發生變化。它集成了FSEM調磁方便和FSPM效率高、轉矩質量比大等優點，同時又克服了FSPM磁場調節難的缺陷，可以有效利用永磁材料，減小電動機體積，具有較大的推廣應用價值。

2007年，法國學者E.Hoang繼1997年發表三相FSPM學術論文后，又推出了12/10極三相雙勵磁磁通切換型電動機[11]。此后，東南大學和南京航空航天大學提出了新型三相雙勵磁磁通切換型電動機[12-14]。浙江大學又于2009年提出了2倍于FSPM永磁體數的雙勵磁磁通切換型電動機[15]。2008年，由許澤剛等提出的并列式混合勵磁磁通切換型電動機[16]，由電勵磁磁通切換電動機和永磁磁通切換電動機并列組合而成(圖4)，現在已成為磁通切換電動機的熱點。2個電動機共用殼體和轉軸，電樞繞組相串聯，但電樞和轉子互相獨立，中間用隔磁環(氣隙)隔開，真正實現了兩部分氣隙磁場的疊加，永磁段與電勵磁段部分鐵心長度的比例可以根據應用場合進行調整。東南大學林明耀教授提出了混合勵磁軸向磁場磁通切換永磁電動機，兼具軸向磁場和混合勵磁電動機的優點，適合電動汽車等寬調速領域的應用，并對該電動機的靜態性能分析、優化設計和控制技術進行了研究[17-18]。為避免永磁體、電樞繞組和勵磁繞組均位于定子上的擁擠情況，Z.Q.Zhu教授提出了定子分割式混合勵磁磁通切換電動機[19-22]，該電動機由內外定子和中間鐵塊轉子組成，大大改善電動機的空間利用率。

1—殼體；2—永磁段定子；3—永磁段電樞繞組；4—勵磁繞組；5—永磁體；6—電勵磁段轉子；7—轉軸；8—電勵磁段電樞繞組；9—電勵磁段定子；10—永磁段轉子圖4 8/4極并列式混合勵磁磁通切換型電動機結構圖

2 磁通切換電動機的分析方法

磁通切換電動機的研究方法主要包括有限元法和等效磁路法等方法。下面主要通過對永磁型磁通切換電動機的的研究方法發展，來了解磁通切換電動機的分析方法。

2.1 有限元分析法

有限元法是分析、研究電動機特性的一種主要方法，主要通過有限元軟件(如ANSYS，ANSOFT等)來實現，對電動機進行建模、加載、計算和分析，目前已成為一種比較成熟的方法。Z.Azar和Y.Pang等分析了漏磁與渦流對FSPM電動機特性的影響，通過對一臺多齒FSPM電動機(定子6-4齒/轉子19極)進行研究，計算出端部效應和磁路的交叉耦合對FSPM電動機電磁特性的影響，并通過有限元分析計算以及實驗測試結果進行了計算分析[23]。AymanM.EL-REfaie和A.S.Thomas等研究了多相FSPM電動機的優化方法，在航天領域中如何應用FSPM電動機，并采用有限元法對FSPM電動機的電磁特性進行了計算分析[24]。A.S.Thomas和Y.Wang等采用有限元的方法計算了FSPM電動機在不同轉子位置處的齒槽轉矩以及諧波分量，給出了抑制電動機齒槽轉矩的具體措施[25]。Y.Pang和J.T.Chen[26]等對比分析不同類型的永磁電動機，采用有限元法計算了FSPM電動機在不同參數情況下的靜態電磁特性，對比分析結果，得到FSPM電動機的最優尺寸參數，實際的樣機測試也驗證了有限元分析得出的結論。在文獻[27]中，Z.Q.Zhu教授建立了電動機的磁網絡模型，解析計算了該電動機的靜態特性，并與有限元法的計算結果比較，表明了磁網絡模型也具有較高的準確性，并實驗測試了樣機的反電動勢和電感等靜態參數。

2.2 等效磁路法

等效磁路法是計算、分析電動機電磁特性的另一種重要方法。相比有限元分析法，它具有計算時間短，方便、快捷，且占有CPU容量小的特點。Y.Pang和G.Zhang等分別對FSPM電動機建立了非線性模塊化參數磁路模型，所建模型均屬于平面結構的二維模塊化參數磁路模型，所不同的是G.Zhang等建立的是考慮導磁橋的FSPM電動機非線性參數化磁路模型[28]。Yu.Chen等對單相FSPM電動機建立了三維模塊化參數磁路模型，并利用等效磁路模型計算出FSPM電動機的靜態特性，等效磁路的計算結果與有限元方法以及樣機的實際測試結果吻合度很高[29]。J.T.Chen等建立了FSPM電動機的雙模塊參數化磁路模型，該模型能分析電動機的磁路飽和與交錯耦合效應，計算結果更精確[30]。太平洋科學宇航電動力學部的Bangura博士給出了兩相電勵磁磁通切換電動機的輸出轉矩關系式和輸出功率尺寸方程還介紹了基于行為級建模和時步有限元的繞組電感和匝數計算方法[31]。英國的Z.Q.Zhu教授又從FSPM電動機拓撲結構的角度，闡述了各類FSPM電動機的結構特點，包括永磁式、電勵磁式、混合勵磁式等諸多類型，為研究這三種電動機提供了參考[32]。

國內電動機界的研究者們對磁通切換電動機的研究工作也已逐步展開，諸多高校以及研究機構現有了較為深入的研究并取得了較大的成果，東南大學、浙江大學、沈陽工業大學、南京航天航空大學這幾所學校的研究者已經走在了對磁通切換電動機研究者的前列。

3 磁通切換電動機發展趨勢

磁通切換電動機具有以下優點：結構簡單、堅固耐用，適合寬轉速范圍運行，具有較高的功率密度和效率，且反電動勢常數和輸出轉矩高于磁鏈為單極性的普通雙凸極電動機。但是磁通切換電動機仍有些問題需要解決，如：鐵損對電動機的轉矩和控制方面的影響，特定的應用場合的電動機技術也亟待解決。就目前而言，磁通切換電動機的研究尚處在初級階段，尚無成熟產品。我國在磁通切換電動機方面的研究起步較晚，同時參與研究的機構也較少。對于磁通切換電動機，可以借鑒研究永磁同步電動機、感應電動機、開關磁阻電動機和雙凸極電動機的一般方法、原理以及成果，力求在電動汽車和風力發電等綠色、環保能源領域尋求突破。相關切入點有[33-34]：

1) 開展磁通切換發電動機的研究。對三種電動機開展綜合全面的研究，并通過實際測試及計算，研究其特性，發揮其實際作用。

2) 混合勵磁磁通切換電動機的合理結構的研究。在深入分析永磁雙凸極、磁通反向電動機等定子永磁型電動機的基礎上，參考混合勵磁電動機的設計思路，并結合永磁材料技術和鐵心軟磁材料等技術的最新發展，探索合理的混合勵磁磁通切換電動機結構。

3) 探索電動機與變換器的最佳匹配。充分考慮電動機本體與控制器之間的相互影響和相互作用，從系統的高度綜合電動機本體與控制器的要求，進行電動機優化設計，選擇變換器拓撲，確定功率器件參數和控制策略，以其達到綜合性能最優和成本最低。

4) 研究方法的改進。借助于有限元分析軟件改進非線性建模方法，將現代控制理論方法與瞬態聯合仿真技術相結合，建立磁通切換電動機動、靜態特性分析的一般方法。

5) 可靠性技術研究。研究多余度結構的磁通切換電動機，提出切實可行的余度結構方案；研發模塊化、集成化的控制器，優化軟、硬件結構，提高系統抗干擾能力和可靠性。

6) 磁通切換型電動機與其他電動機的比較研究。通過對功率密度、負載特性、電磁特性、控制策略、可靠性、溫升、振動、電動機及控制器成本等諸多因素的比較，揭示各自的使用特點。