一種12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機分析

丁 文 李 可 付海剛

一種12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機分析

丁 文 李 可 付海剛

（西安交通大學電氣工程學院 西安 710049）

為了提高傳統開關磁阻電機（CSRM）的輸出轉矩、功率密度，降低電機的轉矩脈動，該文提出一種新型的三相12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機（MHSRM）。該電機定子由6個U型定子模塊組成，每個U型定子塊兩極之間的槽口處嵌入永磁體，每個定子塊構成獨立的磁路，提高了電機的容錯性，同時由于永磁體的加入，擁有更大輸出轉矩和功率密度。該文介紹MHSRM的拓撲結構、工作原理。為了驗證該電機的良好性能，運用有限元方法對相同結構尺寸的MHSRM、CSRM和無永磁體的分塊定子開關磁阻電機（SRM）的靜態電磁場和電磁特性進行對比，并分析了永磁體對MHSRM電磁轉矩的影響。最后，制作相同尺寸的MHSRM和CSRM樣機各一臺，對兩種電機的靜態電磁特性、穩態和動態性能進行實驗測試，并與6/5極結構的MHSRM進行部分性能對比，實驗結果驗證了有限元計算分析的正確性，證明MHSRM具有相對更好的電磁性能。

混合勵磁開關磁阻電機 模塊化定子 永磁體 電磁特性

0 引言

開關磁阻電機（Switched Reluctance Machine, SRM）具有結構堅固、成本低、可靠性高、調速范圍廣以及容錯性較高等優點，近年來在國內外工業界受到越來越廣泛的關注，并逐步在家用電器、伺服系統、牽引電機、高速電機、風力發電、航空航天及電動汽車等領域顯示出強大的市場競爭力[1-7]。但同時，傳統SRM（Conventional SRM, CSRM）也有轉矩脈動大、噪聲大和功率密度低等缺點。

為了解決這些問題，提高CSRM的性能，人們將永磁材料（Permanent Magnet, PM）嵌入CSRM的定子中[8-24]，形成新的混合勵磁SRM（Hybrid- excitation SRM, HSRM）。這種新型電機既保留了CSRM的優點，又將高性能稀土永磁材料應用于電機之中，使得電機的磁場由線圈和永磁體混合勵磁產生，該電機的電磁轉矩一部分來自原來的磁阻轉矩；另一部分來自新加入的永磁體的永磁轉矩，因此，相比于CSRM，HSRM的輸出轉矩明顯增大，提高了電機的功率密度，減小了電機的轉矩脈動，從而在一定程度上克服了CSRM的缺點，這種新型電機在航空航天、電動汽車等領域具有顯著的研究和應用價值。國內外高校、科研院所及企業對HSRM開展了大量的研究。

國外針對HSRM的研究主要集中于兩類：一是在定子軛部安裝永磁體并加入輔助繞組；二是在定子槽口或定子極中安裝永磁體。文獻[8-16]的研究結果表明，相比普通SRM，這兩類電機由于定子軛部或槽口加入了永磁體以及輔助繞組的作用，輸出轉矩明顯增大，能量密度和轉矩密度明顯提高，同時效率也得到提高。國內針對HSRM的研究主要集中于兩方面：其一是在定子槽口處安裝永磁體；其二是在定子齒上安裝永磁體。文獻[17-24]對這兩類HSRM的工作原理、電機結構優化設計、磁路計算及電磁有限元分析、永磁體對電機性能的影響、電機轉矩脈動抑制等進行了研究。這些結構的HSRM也顯著增大了電機的轉矩輸出、功率密度等性能。

以上研究的HSRM都是在CSRM的基礎上加入永磁體實現的，電機的結構仍然和CSRM類似，定、轉子鐵心采用整片硅鋼片疊壓而成。文獻[25-26]提出了一種新的6/5極結構的模塊化HSRM（Modular HSRM, MHSRM），定子由3個U型模塊鐵心構成，在每個分塊定子鐵心兩齒之間的槽口嵌入永磁體，轉子有5個極，而不是常見的6/4極，相比于CSRM的電勵磁方式，該電機由電勵磁和永磁體勵磁共同作用。研究結果表明，新提出的MHSRM比同尺寸的CSRM擁有更強的容錯性能、更大的功率輸出和更高的效率，但是該電機由于定、轉子極數比較少，導致電機的轉矩脈動非常大，轉矩密度也較低。

為了提高MHSRM運行時的轉矩密度并降低電機的轉矩脈動，本文在文獻[25-26]的基礎上提出一種三相12/10極MHSRM，電機定子由6個U型分塊鐵心組成，在每個定子塊的槽口處嵌入永磁體。相比于CSRM，由于采用了分塊定子結構，該電機所用硅鋼片材料更少、質量更輕；該電機同樣由電勵磁和永磁體勵磁共同作用，擁有更大的轉矩輸出和功率密度以及更小的轉矩脈動。本文對該電機的結構與原理進行介紹，采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法對該電機磁鏈和轉矩等參數進行計算，并與無永磁的分塊SRM（Segmented SRM, SSRM）和CSRM進行對比分析。在此基礎上，研制小功率MHSRM與CSRM樣機各一臺，并開展實驗研究，與6/5結構的MHSRM進行部分性能對比，驗證其運行原理、電磁分析及仿真結果。

1 MHSRM的結構和數學模型

1.1 電機結構與運行原理

本文以三相12/10極MHSRM為例，對該類電機的性能展開分析研究，圖1所示即為MHSRM的定、轉子拓撲結構示意圖，定子由6個U型完全相同的分塊鐵心構成，在每個定子模塊的兩個定子極間的槽口處裝有永磁體，定子極上繞有集中繞組，轉子上沒有繞組也沒有永磁體，兩個相對的定子塊上的4個繞組串聯構成一相。永磁體N、S極和繞組電流的方向也如圖1中所示，其中，繞組“×”代表電流垂直流進紙面。

與CSRM的工作原理一樣，MHSRM的工作原理也遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。MHSRM工作原理及磁通路徑如圖2所示。MHSRM具體工作原理如下。

圖2 MHSRM工作原理及磁通路徑

如圖2a所示，當繞組中無電流時，永磁體所產生的磁通經過定子塊的兩個定子極、定子軛和永磁體閉合，此時氣隙和轉子齒上沒有磁通，定、轉子極之間沒有磁拉力。當繞組中通過較小的電流時，如圖2b所示，永磁體所產生的磁通分為兩部分：一部分經過定子模塊鐵心（定子極上部和軛部），這部分磁通和繞組電流所產生的磁通會抵消一小部分；另一部分通過氣隙、轉子齒和永磁體閉合，此時氣隙和轉子齒上有繞組電流所產生的磁通和永磁體勵磁所產生的磁通，定、轉子極之間會產生有磁拉力。其中，內圈虛線代表永磁體產生的磁通路徑，外圈虛線代表繞組電流產生的磁通路徑。

當繞組中通過較大的電流時，如圖2c所示，永磁體所產生的試圖通過定子鐵心閉合的那一部分磁通被繞組電流所產生的磁通抵消，定子模塊鐵心中（定子極上部和軛部）的總磁通將會減小；永磁體所產生的另一部分磁通仍然通過氣隙、轉子齒和永磁體閉合，繞組電流所產生的磁通和永磁體所產生的磁通在氣隙和轉子齒上的方向一致，磁通增強，從而可以增大定、轉子極之間的磁拉力。

當繞組所通電流流向和永磁體N、S極安裝方向中的一個與圖2a所示的不一致時，繞組電流所產生的磁通和永磁體所產生的磁通在定子模塊鐵心中形成閉合回路，定、轉子極之間沒有磁通，也就沒有磁拉力。

因此，當按照圖1和圖2中繞組電流方向通電和永磁體N、S極方向安裝時，MHSRM轉子極上所產生的磁動勢方向與永磁體的磁動勢方向一致。這意味著，與CSRM繞組的通電方向可以隨意改變的特點不同，MHSRM的永磁體N、S極的安裝方向和繞組的通電方向有著嚴格的規定，當電機的永磁體安裝方向確定后，電機繞組的通電方向就被確定，不能隨意調整。此外，由圖2可以看出，MHSRM每個定子塊的磁路互相獨立，和其他相沒有耦合，因此，大大提高了電機的容錯性和可靠性。

1.2 電機數學模型

根據基爾霍夫電壓定律，MHSRM的第相電壓平衡方程為

由于相間互感極小，可以忽略不計，則MHSRM的第相磁鏈為

MHSRM的磁共能為

式中，W為第相磁共能；W,k、PM,k分別為第相電勵磁磁共能和永磁體磁共能。

根據虛位移法，通過磁共能對轉子位置角求偏導可得MHSRM的電磁轉矩為

式中，T為第相電磁轉矩；T,k為第相電勵磁轉矩，即磁阻轉矩；PM,k為第相永磁體轉矩，即永磁轉矩。

通過電磁轉矩公式可以看出，MHSRM的電磁轉矩分為兩部分：①由通電繞組產生的磁阻轉矩；②由永磁體產生的永磁轉矩。在普通SRM中，由于沒有永磁體，其電磁轉矩只是由通電繞組產生的磁阻轉矩一部分組成。而MHSRM的電磁轉矩不僅包含了由通電繞組產生的磁阻轉矩，還包含了由永磁體產生的永磁轉矩。因此與普通SRM相比，MHSRM能夠產生更大的電磁轉矩。

2 與傳統SRM和分塊SRM的性能比較

為了驗證本文提出的 MHSRM的性能并進行對比，設計了不含永磁體的分塊定子SRM（Segmented SRM, SSRM）和相同結構尺寸的CSRM各一臺，其結構如圖3所示，對三種電機的電磁特性和參數進行了對比分析，三臺電機的電磁參數和結構尺寸見表1。本文研究的電機雖然是一種模塊化的混合勵磁開關磁阻電機，但本質上還是屬于SRM范疇。因此，本文電機的總體設計思路是先根據傳統SRM的電磁設計方法[27]，獲得電機的主要尺寸參數，然后采用有限元的方法對關鍵參數，如定、轉子極弧，永磁體厚度等進行有限元參數化分析，進行性能比較后得到最終合適和相對優化的MHSRM電磁結構方案。從表1可以看出，MHSRM雖然添加了永磁體，但是電機總質量仍然比CSRM低約10%。

圖3 其他兩臺SRM拓撲結構

表1 三種電機主要參數

Tab.1 The main parameters of three motors