電勵磁分塊轉子磁通切換發電機電磁特性分析

史立偉，嚴兵，張文超，安俊豪，丁富康，卞玉康

(山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東 淄博255049)

0 引 言

磁通切換電機是結合感應電機和磁阻電機的工作原理發展而來的新型無刷電機，在轉子上沒有線圈或永磁體，通過改變繞制在定子槽內的勵磁繞組電流來實現勵磁控制，具備故障時滅磁能力，并且結構簡單,轉矩和功率密度高[1]。電機采用定轉子分塊結構可以縮短工作磁路，降低電機鐵損，磁路的隔離還能提高電機的容錯性和可靠性，并且由于分塊轉子沒有凸起，能夠在高速運行時降低風阻和噪聲[2-3]。結合了兩者優點的分塊轉子磁通切換電機在電動汽車、航空航天、風力發電等對可靠性要求較高的領域有著良好的應用前景[4-6]。

英國紐卡斯爾大學B. C. Mecrow教授最先提出了分塊轉子磁通切換電機(segmental-rotor flux switching motor, SR-FSM)，并以12/8極樣機為例，對該種電機的原理展開了深入研究且進行了大量實驗驗證，研究結果表明該種電機由于其磁鏈和反電動勢波形都近乎是正弦分布,特別適合于無刷交流運行的應用場合，并且其轉矩密度與開關磁阻電機相近[7-8]。針對電機轉矩脈動大的問題，通過在分塊轉子上開槽的方法來達到改變氣隙磁導率和氣隙磁密各次諧波傅里葉系數的目的，并建立了電機的d-q軸電感分析模型[9-10]。國內學者對分塊轉子磁通切換發電機(segmental-rotor flux switching generator, SR-FSG)的電磁特性做了大量有限元分析，發現由于定子鐵心兩條磁路氣隙磁阻的差異，在勵磁磁動勢大于一定值后，磁通會隨著勵磁磁動勢的增加而減小，但是整體來看電機具有較高的功率密度[11-12]。并且現有研究表明奇數極分塊轉子結構電機不含有偶數次諧波，而偶數極分塊轉子結構電機無抵消偶數次諧波的特性，從而導致磁鏈和感應電動勢的正負半周期波形不對稱[13-15]。由于該原因，現有的分塊轉子磁通切換電機多采用12/7極或加入復雜的控制電路來提高發電的可靠性[16-17]，這將會大大增加電機的制造成本。

本文首先分析分塊轉子磁通切換電機的運行原理，并通過有限元法對比奇數極和偶數極分塊轉子電磁特性的不同。根據轉子不同位置綜合磁導的不同導致定轉子磁勢變化的原理，建立電機結構數學模型，通過切向氣隙磁障的添加，導致交軸磁阻的增大，以及磁通路徑的限制，大大降低偶數次諧波的幅值，從而達到本文所要實現的使感應電動勢正負對稱的目的，并通過有限元得到新型分塊轉子磁通切換電機的靜態特性與動態特性數據。最后，制造實驗樣機，實驗測試樣機的電動勢，與仿真結果進行對比，驗證本文設計諧波削弱方法的可行性和理論分析的正確性。

1 電機基本結構與工作原理

電勵磁分塊轉子磁通切換發電機(electrical excitation segmental rotor flux-switching generator, ESFSG)的定子上分別繞有勵磁繞組和電樞繞組，相鄰的勵磁繞組繞制方向相反，分塊轉子嵌入在不導磁的鋁制轉子套中，如圖1所示。電機工作時，勵磁繞組通入直流電流產生磁場，通過轉子旋轉使得在電樞繞組中的磁鏈極性與大小發生改變，從而產生感應電動勢。

圖1 傳統ESFSG結構圖Fig.1 Configuration of traditional ESFSG

假設ESFSG工作時勵磁繞組F1～F6通入的直流勵磁電流方向為圖1所示的方向，且定義磁通穿入線圈時為正。以線圈A1為例進行分析，ESFSG工作時繞組匝鏈的極性交變如圖2所示。

圖2 ESFSG工作原理Fig.2 Operation principle of the ESFSG

由最小磁阻原理可知，當轉子齒處于如圖2(a)所示的位置時，磁通穿入線圈A1，即A1匝鏈正磁通；轉子齒處于如圖2(b)所示的位置時，磁通穿出線圈A1，即A1匝鏈負磁通；當轉子連續旋轉時線圈A1匝鏈的磁通正負周期變化，這就是ESFSG磁通切換的工作原理。

取12/7、12/8極電機轉子極弧皆為0.866，其它結構參數相同，使電機轉子逆時針旋轉運動。由圖3中電機定轉子相對位置變化可以看出，12/7極電機的A1和A2兩個線圈大小變化趨勢隨時間一致，即A1、A2的磁通正負變化是同步的，而12/8極正好相反，即A1和A2兩個線圈磁通正負變化趨勢相反[18]。

圖3 ESFSG線圈磁通方向Fig.3 Flux direction of ESFSG coil

2 傳統ESFSG空載特性對比

經過有限元仿真，給電機通10 A勵磁電流，以3 000 r/min逆時針旋轉時，從圖4中可以明顯看出12/8極電機的感應電動勢在負半周期里出現突變，最高處的幅值為60 V，而最低處的幅值卻為110 V，存在正負半周期不對稱的問題。

圖4 ESFSG A相感應電動勢Fig.4 ESFSG A phase induction electromotive force

兩者A相電樞感應電動勢諧波如圖5所示，證實12/7極較12/8極存在感應電動勢中沒有偶數次諧波的優點。眾所周知，若感應電動勢中含有大量諧波，波形不是理想的正弦波，對于電動機，會降低控制精確度，增加損耗和轉矩脈動；對于發電機，則會降低發電的效率。

圖5 12/7與12/8 A相感應電動勢諧波分布Fig.5 Harmonic distribution of 12/7 and 12/8 A phase induced electromotive force

3 新型ESFSG電樞繞組磁鏈的計算

選擇在沿分塊轉子切向添加氣隙磁障的方式來增大轉子的交軸磁阻，通過交直軸磁阻的差異來限制磁通路徑，使定子磁動勢不能在轉子的任意方向上隨意作用，從而達到諧波調制的目的。新型ESFSG拓撲如圖6所示。

圖6 新型ESFSG拓撲Fig.6 New ESFSG topology

本文介紹一種數學解析方法，通過分別計算定、轉子側磁勢得到氣隙磁壓降，進而計算得到磁鏈及感應電動勢。

為了便于分析，作以下假設：

1)不計磁路飽和、磁滯和渦流的影響；

2)定子內表面光滑，忽略定子齒槽對氣隙的影響；

3)轉子表面光滑、磁阻連續，在結構上分別以直、交軸為對稱中心。

相鄰的勵磁線組繞向相反，因此勵磁繞組產生的磁勢呈梯形波狀。一個N極和S極組成的勵磁源對應的機械角為2π/3，即勵磁周期為2π/3，峰值為Nfif，如圖7所示。取定轉子的極弧系數分別為0.833、0.866，則勵磁磁勢可以表達為[19]：

圖7 勵磁繞組產生的磁勢圖Fig.7 Magnetic potential generated by excitation winding

(1)

假設初始時刻t=0，q軸與A相繞組軸線重合，ESFSG分析模型如圖8所示。

圖8 新型ESFSG分析模型圖Fig.8 New ESFSG analysis model diagram

切向氣隙磁障的作用是減小定轉子極之間流動的交軸磁通，同時它們允許直軸磁通很大程度地無阻礙直接流過磁極。

由于轉子側的磁勢是由定子側磁鏈產生的，因此轉子磁勢Fr(θr)的幅值僅隨時間變化。在一個轉子極距內，可以根據氣隙磁障將轉子磁位分為3個部分：左側極端(ra,rb)、氣隙極身(rb,-rb)、右側極端(-rb,-ra)。在電機逆時針旋轉時，雖然轉子極兩端磁導相同，但是由于兩端磁通進出側方向的不同，假定兩者磁勢相反。

轉子兩側極端的磁導μr僅視為磁體本身磁導率，轉子在氣隙極身(rb,-rb)范圍內的磁導Prb可計算為[20]

(2)

其中：μ0表示空氣磁導率；lb表示磁障氣隙寬度；lt表示磁障氣隙高度；lst表示電機軸向長度。

經過轉子極部分的磁通量φr等于氣隙磁密在轉子極弧范圍面積內的積分，同時也等于轉子磁勢與磁導的乘積。因此，計算公式可表示為[20]

(3)

其中：g為氣隙長度；nr為轉子極數；r為定子內半徑尺寸。

從而聯立公式可以得到轉子磁勢Fr(θr),根據式(4)可以得到氣隙磁密

Bg(θr)=[Fs(θr)-Fr(θr)]μ0/g。

(4)

以A相為例，主磁鏈可計算為[21]

(5)

式中Na(θr)是電樞繞組的相繞組理想函數，表示為

Na(θr)=Nacos(θr+ω1t)。

(6)

其中：Na表示A相電樞繞組匝數；ω1表示電機機械角速度。

故A相感應電動勢可得出

(7)

通過建立的簡便解析模型，由式(1)、式(3)、式(4)和式(5)，當轉子旋轉時，通過ESFSG不同位置的定轉子磁勢的計算，能夠快速得到氣隙磁密和磁鏈。電樞繞組磁通量的改變將會使發電機產生感應電動勢。

4 有限元仿真與樣機實驗

利用磁場有限元軟件Maxwell建立了三相12/8極新型ESFSG模型，結構參數如表1所示，仿真得到的空載磁場如圖9所示。

圖9 12/8極新型ESFSG磁力線Fig.9 Magnetic flux lines of the new 12/8-pole ESFSG

表1 三相新型ESFSG主要參數

選用勵磁電流分別為5A、10A時得到新型ESFSG與傳統ESFSG的感應電動勢波形對比圖，從圖10中可以看出，新型ESFSG在分塊轉子上加入氣隙磁障后，空載感應電動勢波形趨于正弦波，正負半周期波形較傳統ESFSG已近乎中心對稱。

圖10 不同勵磁電流下的一相感應電動勢對比圖Fig.10 Comparison diagram of one-phase induced-electromotive force under different excitation current

采用曲線擬合的方法可以解析得到A相感應電動勢的擬合曲線，將其與有限元法所得結果一同放置在圖11中加以比較。由于解析法忽略了鐵心磁壓降，計算所得結果大小相比有限元法存在一定的誤差?？傮w來看，解析法與有限元法得到的電機A相感應電動勢具有相同的趨勢且吻合度較高，即所采用的解析法可以用來分析新型ESFSG的靜態特性。

圖11 解析法和有限元法對比圖Fig.11 Comparison between analytical method and finite element simulation

從圖12中可以看出，新型ESFSG可以明顯削弱電樞繞組感應電動勢的偶次諧波，從而在根本上解決感應電動勢波形正負半周期不對稱問題。但考慮諧波削弱效果的同時應兼顧基波的變化，用電壓波形正弦畸變率KM來衡量優化方法對感應電動勢波形諧波的削弱程度以及波形接近正弦的程度。

圖12 A相感應電動勢諧波對比Fig.12 Harmonic contrast of A phase induction electromotive force

對傳統的ESFSG與本文的ESFSG進行傅里葉分解，取前10次諧波計算相繞組的總諧波失真(total harmonic distortion, THD)，并分離出奇數次(UTHDOOD)和偶數次(UTHDEVEN)諧波含量。結果如表2所示，具體公式如下：

表2 ESFSG的諧波特性

(8)

其中ui為第i次諧波的幅值。

從表中數據可得，雖然本文ESFSG感應電動勢基波幅值較傳統電機減小了14.9%，但是本文電機感應電動勢的電壓波形正弦性畸變率降低了88.2%。以電機電樞繞組A相為例，從圖13中能夠看出，當勵磁電流為10A時，新型ESFSG電樞繞組與勵磁繞組在一個電周期內有著標準正弦的互感，而傳統ESFSG的互感在一個電周期內非正弦，電感上升周期的時間比電感下降周期要長。并且新型ESFSG的自感也小于傳統ESFSG，即新型ESFSG能夠提高電機的容錯性。

圖13 ESFSG電感對比圖Fig.13 Comparison diagram of ESFSG inductance

圖14給出了對兩種電機加以10Ω負載后得到的電動勢和負載電流，通過波形可以看出，勵磁電流為5A時，電機磁路未飽和，新型ESFSG與傳統ESFSG的負載電動勢波形吻合度較高，近似于方波。勵磁電流為10A，電機磁路接近飽和時，在分塊轉子上開槽將會使得其負載輸出電壓有一定程度的降低。負載電流具有與負載電動勢同樣的變化趨勢，即低勵磁環境下，新型ESFSG與傳統ESFSG負載電流波形一致，高勵磁環境下，新型ESFSG的負載電流幅值低于傳統ESFSG?？梢哉J為在低勵磁環境下，電樞反應將會對其有一定的增磁彌補作用。

圖14 ESFSG負載仿真波形Fig.14 ESFSG load simulation waveform

根據上述理論計算和仿真結果，按照表1中的主要參數試制了新型ESFSG,電機實物圖如圖15所示。對于新型三相ESFSG，輸出電壓很容易通過調整勵磁電流的大小來調節，對其外加三相整流橋，發電機便可以輸出直流電。圖16用示波器給出了三相ESFSG在3 000 r/min時的三相空載和負載電動勢。

圖15 新型三相ESFSG定轉子Fig.15 Stator and rotor of the new three-phase ESFSG

圖16 三相12/8極ESFSG實驗波形Fig.16 Experimental waveform of three-phase 12/8-pole ESFSG

由于制造工藝和實驗條件的限制，導致空載感應電動勢波形并不是完美的正弦波，負載感應電動勢存在脈動，因此需要使用濾波電路來提供恒定的DC輸出電壓。但從總體上來看，仿真波形和實驗波形具有相同的變化趨勢，并且各相繞組的感應電動勢具有相同的幅值，即充分驗證了本文所介紹的新型ESFSG能有效減小偶數極分塊轉子磁通切換發電機感應電動勢正負半周期波形不對稱情況。

在3 000 r/min的轉速下，調節勵磁電流的大小，可得到ESFSG的空載特性圖。從圖17(a)中可以看出，當勵磁磁勢增加或者電機轉速增加時，電機的輸出電壓也隨之增加。因此，在電機處于不同轉速時，只需調整勵磁電流的大小即可保持輸出電壓的穩定性。

保持電機轉速不變，選用勵磁電流為5、8和10 A，并分別外接1、6、9、12、15和18 Ω的負載，得到發電機外特性圖，從圖17(b)中可以看出，當鐵心飽和時，如勵磁電流為8 A和10 A時，在輸出電流較低時，兩者的外特性曲線非常接近。

圖17 空載特性和外特性實驗Fig.17 No-load and external characteristic curves ESFSG

5 結 論

本文提出了一種感應電動勢正負半周期對稱的12/8結構分塊轉子磁通切換發電機。利用氣隙磁壓降解析法和有限元法對電機的電磁特性進行了仿真和研究，得到如下結論：

1)新型三相ESFSG采用分塊轉子上加開空氣磁障的方法，能夠降低空載感應電動勢波形畸變率，解決傳統三相ESFSG相感應電動勢正負幅值不相等的問題，以達到改善發電質量的目的。

2)在計算新型ESFSG的定轉子磁勢時，可以將分塊轉子在氣隙磁障處的磁導等效為氣隙、磁體的磁導耦合，根據氣隙磁壓降得到的感應電動勢和有限元得到的感應電動勢具有相同的趨勢，可以用來分析新型ESFSG的靜態磁場特性。

3)由于切向氣隙磁障的添加，雖然偶數極分段轉子的偶數次諧波不能相互抵消，但是使得一相中兩個線圈的諧波數值之和大大降低，進而使感應電動勢正負半周期波形接近對稱。

仿真和實驗結果驗證了本文設計諧波削弱方法的可行性和理論分析的正確性。