雙轉子混合勵磁電機優化設計和特性分析

井立兵 高起興 王沖 羅正豪 解立輝 胡康

摘要：提出一種新型雙轉子混合勵磁電機（dual?rotor hybrid excitation motor，DRHEM）拓撲結構，通過單定子—雙轉子的結構實現了電勵磁雙凸極電機（doubly salient electromagnetic motor，DSEM）和永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）的高效結合。給出了所研究電機的基本結構和工作原理，討論了DSEM部分和PMSM部分的極槽匹配原則。通過建立電機有限元求解模型，計算和分析了電機內的電磁場，得出最優結構及參數。研究結果表明：新結構混合勵磁具有簡單、緊湊、無刷勵磁、電磁損耗小等特點。通過勵磁電流的調節，優化后的混合勵磁電機具備良好的調磁性能和寬廣的調磁范圍，在航空電源啟動系統中有重要應用價值。

關鍵詞：混合勵磁;永磁同步電機;電勵磁雙凸極電機;極槽匹配;雙轉子結構

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.006

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）09-0043-08

Optimization design and characteristic analysis of ?dual?rotor hybrid excitation motor

JING Li?bing1，2，GAO Qi?xing1，WANG Chong3，LUO Zheng?hao4，?XIE Li?hui1，2，HU Kang5

（1.College of Electrical Engineering & New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

2.Hubei Micro?grid Engineering Technology Research Centre， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

3. Smart Distribution Network Center of State Grid Jibei Electric Power Limited Company，Qingdao 066100;

4.State Grid Ji′an Power Supply Company，Ji′an 343000，China;?5.State Grid Xiaogan Electric Power Supply Company，Xiaogan 432000，China））

Abstract：

A novel topology of the dual?rotor hybrid excitation motor （DRHEM） was presented， which combines doubly salient electromagnetic motor （DSEM） with permanent magnet synchronous motor （PMSM） bya single?stator， dual?rotor structure.The basic structure and operating principle of the proposed motor were given; the combination criterion of the DRHEM was discussed.By establishing the finite element model of DRHEM， the electromagnetic field in the motor was calculated and analyzed， and the optimal structure and parameters were given.The research results show that the DRHEM has the advantages of simple， compact， brushless excitation， small electromagnetic loss and so on.Through adjustment of the excitation current， the optimized DRHEM has a better field?regulating capability and wider field?regulating range，which has important application value in the aviation power start system.

Keywords：hybrid excitation; PMSM;DSEM;combination criterion;dual?rotor structure

0引言

永磁電機的特點是體積小、結構簡單及運行高效，目前在很多工業領域得到應用。但是，永磁電機對氣隙磁場強度調節能力有限，作為電動機時，在航空電源系統等需寬調速區間的驅動應用中將會受到限制;作為發電機時，較大的電壓調整率將會影響通電質量。因此，調整永磁電機結構，合理引進勵磁線圈，通過混合勵磁實現對電機氣隙磁場的有效調節成為國內外電機界學者研究的一個重要方向。

混合勵磁電機具有高功率密度，寬范圍調磁的優點，在航空電源系統和電動汽車領域具有較高應用價值。在此類電機中：串聯混合勵磁電機雖然結構簡單，有較強的氣隙磁場調節能力;但較大的勵磁電流可以使永磁體永久退磁，因此，國內外學者對此研究較少。而并聯混合勵磁電機不存在永磁體退磁問題。文獻分析了不同拓撲結構的并聯混合電機的結構原理以及控制技術。文獻比較了不同拓撲結構并聯混合勵磁電機各自的優勢與劣勢。目前為止仍沒有一種混合勵磁電機可以克服自身缺點，又能具備其他結構電機的優點。所以，混合勵磁電機仍需朝著高功率密度，簡化結構，較強的調磁性能方向發展。

本文提出一種新型雙轉子混合勵磁電機（DRHEM），通過單定子-雙轉子拓撲結構實現電勵磁雙凸極電機（DSEM）和永磁同步電機（PMSM）的有效結合。利用DSEM磁場可調特性拓寬電機的磁通調節范圍，同時達到勵磁無刷效果。該結構可減小電機體積，使兩類電機緊湊結合，電樞繞組端部可大大縮短，從而降低繞組銅耗。本文給出了該電機結構和兩類電機的結合原則，提出一種有效優化方案，并利用有限元軟件建立該模型，分析該電機電磁特性以及它的調磁性能。

1DRHEM結構原理

圖1是雙轉子混合勵磁電機（dual?rotor hybrid excitation motor，DRHEM）基本結構，內、外轉子分別同中間定子組成內電機單元和外電機單元。定子兩側同時開槽，電樞繞組通過定子連接兩部分電機單元。所以，電機的感應電動勢是內、外電機單元電動勢之和;并且內、外兩個轉子轉速和轉向均相同。

DRHEM可以有兩類拓撲：外側是PMSM、內側是DSEM;另一類外側是DSEM、內側是PMSM。前者的優勢是有利于提高電機運行效率，但內側電勵磁電機若實現有效磁場調節，對電流要求較高，較大的電流會造成中間定子磁路飽和。而后者拓撲雖然降低了電機運行效率，但有利于外側電勵磁電機實現對電機磁路的調控。本文選取DSEM作為外電機單元，PMSM作為內電機單元的組合。

在DRHEM結構上，DSEM單元和PMSM單元徑向同心分布，二者在磁路上相互獨立;而在電路上兩單元電機共用一套電樞繞組，兩單元電機又相互耦合。磁路的獨立不會影響兩單元電機電樞繞組相電勢的疊加，從而實現了混合勵磁電機的對磁場性能的調節。

圖2是DRHEM的磁通調節原理示意圖。在空載時，永磁磁通φpm不變，通過調節勵磁電流來改變電勵磁磁通φem的大小和方向。因此電樞繞組的總磁通φ為：

φ=φpm+φem（1）

由于永磁磁通φpm保持不變，可以保證永磁體的工作點不變，而通過改變電勵磁磁通的大小和方向，對整個電機磁通可以實現雙向調節。

每匝線圈的磁鏈可表示為：

ψ=N=Npm+Nem=ψpm+ψem。（2）

式中N為線圈匝數;ψpm和ψem分別是永磁體和電流勵磁產生的磁鏈。

感應電動勢可表示為：

Ecoil=dψdt=d（ψpm+ψem）dt。（3）

設計DRHEM的重要一點在于是否可以調節DSEM勵磁電流從而抵消PMSM磁場，在電機發生短路時能夠實現高效滅磁。

2設計原則及優化

2.1電機組合原則

DSEM和PMSM的電氣頻率分別是：

fe=npe/60，（4）

fs=nps/60。（5）

其中：pe是DSEM轉子極數;ps是PMSM極對數。

兩單元電機結合的基本原則是實現兩部分電樞繞組的直接串聯。要保證兩個單元電機電氣頻率相等必須讓PMSM極對數與DSEM轉子極數相等。12/8極雙凸極電機是一種常見的且運行性能較佳的雙凸極電機極數搭配。由式（4）、式（5）可知，與轉子極數為8的DSEM匹配的PMSM永磁體極數為16。另外，永磁電機槽數和繞組形式對DRHEM的性能也至關重要。因此與定子極數為12的雙層繞組DSEM所匹配的PMSM為12槽雙層繞組或者24槽單層繞組。本文通過繞組系數和磁動勢的計算來驗證永磁電機16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組兩套極槽搭配可行性并通過比較二者性能來選擇合適的極槽搭配。

雙層分數槽集中繞組的v次諧波的繞組系數可表示為

kwv=kpvkdv。（6）

若電機槽數為Qs，相數為m，極對數為p，文獻給出了雙層分數槽集中繞組短距系數和分布系數的計算公式，如式（7）、式（8），但也指出該公式對于一些個別極槽搭配組合并不適用。

分數槽雙層繞組v次諧波的短距系數為

kpv=sinvpαsy12。（7）

式中：v為諧波次數;αs=2π/Qs為槽距角，Qs為電機槽數;y1為節距。

雙層分數槽集中繞組的分布系數kdv可表示為

kdv=sin（π2m）qph2sin（αphv2），當qph為偶數，?v=（2n-1）tp，n=1，2，3…;

sin（π2m）qphsin（αphv4），當qph為奇數，?v=ntp，n=1，2，3…。（8）

式中：t為電機單元數;qph=Qsmt為一個單元電機的每相槽數;αphv=2πQs/t（1+phvp-pt）為槽電動勢相鄰相量間的電角度;ph=kQs/t+1p/t，k為使ph為整數的最小整數。

對于繞組系數的計算，文獻給出了不同極槽配合下單層分數槽集中繞組不同計算方法。文獻詳細整理了常見極槽搭配單層分數槽集中繞組的繞組系數，對于本文16極24槽單層分數槽集中繞組的繞組系數可直接通過查表獲得。對其具體計算方法本文不再贅述。

由上述計算方法可知，16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組的繞組系數皆為0.866。從繞組系數的角度考慮，該值較為理想，兩套極槽搭配均可以采用。

同時繞組形式和極槽搭配是否合理也影響電機磁動勢諧波。盡管一些極槽搭配有較高的基波繞組系數，但這個磁動勢可能會含有較大的諧波，從而導致低階力波振動過大。圖3是16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組的磁動勢波形和磁動勢諧波圖。由圖可知雙層繞組將產生4次諧波磁動勢，其幅值大約是基波幅值的2倍，這將造成4次諧波的力波振動。而單層繞組也會產生4次諧波磁動勢，但幅值與基波幅值大致相等，引起的力波振動要比雙層繞組引起的力波振動小很多。同時由于該PMSM力波階數比較大，力波振動對電機影響較小。因此本文研究的DRHEM選取12/8極DSEM為外側電勵磁單元，16極24槽單層繞組PMSM為內側永磁電機單元。圖4是本文兩單元電機結構剖面圖。

為實現兩單元電機結構上的高效結合。圖5是一種兩單元電機的公共新型定子結構。該定子外側為DSEM定子極，內側為PMSM定子槽。該混合勵磁電機的電樞繞組和勵磁繞組均在定子上，兩個單元電機均具備無刷勵磁效果。同時，為了消除永磁磁極和電勵磁磁極的相互影響，在中間定子中加入隔磁環。通過對兩單元電機槽數的匹配，外單元電機為12槽雙層繞組，內單元電機為24槽單層繞組，內、外側每相的繞組數量和繞組總數均相同，滿足雙轉子電機電樞繞組直接串聯條件。電樞繞組從PMSM的定子槽穿向DSEM的定子極，在中間定子中實現直接串聯，其連接方式如圖6所示。兩單元電機共用一套電機繞組，電機繞組端部較短，約為同功率電機的一半，在增大電機電樞繞組利用效率的同時可以改善電樞繞組端部的漏感和銅耗。

2.2優化調整

DRHEM的感應電動勢為內外兩單元電機電樞繞組的感應電動勢之和。當兩單元電機相電動勢波形相似時，才能提高兩電動勢的疊加效率。為了更有效疊加，DSEM的相電動勢波形應該更接近PMSM的波形。DSEM轉子極弧對于其相電動勢波形有重要影響。圖7是正常轉子極弧和加寬后轉子極弧的雙凸極電機局部圖。

圖8為PMSM相電動勢仿真波形和DSEM轉子極弧取16°、18.5°、21°、23.5°時的相電動勢波形。隨著DSEM轉子極弧的改變，相電動勢的波形周期保持不變，但其峰值所對應的轉子位置角度會發生一定偏移。當DSEM轉子極弧為21°時，兩電動勢波形最接近。通過優化相電動勢波形，使混合勵磁電機的設計更加完善和合理。

3有限元仿真驗證

為驗證所提出的DRHEM電磁特性，表1和圖9分別給出電機的主要參數和結構剖視圖。

圖10是在不同勵磁電流下磁力線分布圖。由于隔磁環的存在，雙轉子電機中內電機單元和外電機單元的磁力線是相互獨立的。隨著勵磁電流的增加，DSEM部分的磁密會增大，而PMSM部分磁密保持不變。

圖11是在不同勵磁電流下的相繞組磁鏈合成波形。如If大于0，相比勵磁電流為0時，繞組為增磁狀態，磁鏈增大;如If小于0，相比勵磁電流為0時，繞組為弱磁狀態，磁鏈削弱。從圖中可知，勵磁電流對磁通可以進行有效的雙向調節;同時該混合勵磁電機不能將磁鏈調節到0，而是將其固定在一定值，這是由雙凸極電機部分磁鏈單極性脈動導致。

圖12是兩單元電機相電動勢疊加結果。從圖中可知，疊加后的波形形狀趨近正弦波;從圖形幅值來看，當If大于0時，感應電動勢則增大;當If小于0時，感應電動勢將被削弱。通過調控勵磁電流，可以實現合成相電動勢幅值的增強或者削弱，并且當If=-10 A時，電機相電動勢幅值趨近0。

圖13為電機三相電樞繞組全橋整流器連接圖，圖14為電機轉速在1 000 r/min時的輸出整流電壓。由圖可知，輸出的電壓隨勵磁電流的增大而增加，這與磁通控制原理一致。

電機電磁損耗分為銅損和鐵損，為減小銅損，在保持繞組電流不變的前提下，只能減少繞組電阻來降低銅損。該混合勵磁電機中間定子結構能縮短電樞繞組端部，增大了電樞繞組的利用率，與同效率運行的電機相比，大大降低了銅損。

圖15是混合勵磁電機在不同勵磁電流下空載運行時的銅損和鐵損曲線。從圖中可知，電機的銅損和鐵損都隨著勵磁電流的增大而上升;同時電機的鐵損還受電機轉速的影響，轉速越高，鐵損越大。由于永磁磁場的存在，即使勵磁電流為0時，仍有一部分鐵損存在。

4結論

本文研究了一種雙轉子結構的混合勵磁電機，該電機定子為DSEM和PMSM的共用定子，實現了DSEM和PMSM高效結合。討論了PMSM轉子極對數和DSEM轉子極數的匹配原則以及電樞繞組的連接方案。優化了DSEM轉子的極弧系數用以改善感應電動勢波形。最后，通過實例模型計算驗證了該混合勵磁電機的可行性及其電磁特性。結果表明，該DRHEM結合了DSEM和PMSM的優勢，具有無刷勵磁效果，擁有良好的勵磁調節性能。同時該混合勵磁電機具備電樞繞組端部短的優勢。

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