新型混合勵磁開關磁通永磁電動機的設計與分析

鄧先明， 顧宴行， 田里思

（中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

傳統結構的永磁電動機具有高轉矩密度和高效率，在電動汽車及航空航天等領域的應用十分廣泛［1-2］。傳統永磁電動機的永磁體放置在轉子上，容易受到振動和高溫的影響［3-4］。相比傳統結構的永磁電動機，將永磁體和電樞繞組放置在定子上形成的定子永磁型開關磁通永磁電動機（Switched Flux Permanent Magnet Motor，FSPM），可以避免振動和高溫，可靠性較高［5-7］。由于FSPM較窄的調速范圍限制了其在各領域的應用。為拓寬FSPM的調速范圍，實現磁場的靈活調節，有學者提出混合勵磁開關磁通電動機（Hybrid Excited Switched Flux Permanent Magnet Motor，HEFSPM）。HEFSPM以FSPM為基礎，在電動機定子側引入直流勵磁繞組，通過永磁體和勵磁電流共同調節氣隙磁密。該類電動機不僅繼承了傳統永磁同步電動機的眾多優點，且可靈活調節氣隙磁場，具有很高的研究價值。文獻［8-9］中闡述了混合勵磁電動機的發展概況及應用前景。文獻［10］中分析了混合勵磁永磁同步電動機的調磁特性。文獻［11-14］中通過介紹不同結構的混合勵磁永磁電動機證明其調磁性能良好。文獻［15］中通過直流勵磁繞組與永磁體的不同位置組合給出了3種結構的混合勵磁永磁電動機，比較了電動機的調磁性能。3種結構的混合勵磁電動機定子局部放大如圖1所示。

直流勵磁繞組占用部分永磁體體積，分別以其位置的不同即居于永磁體之上、之下和兩端形成3種結構。通過仿真對比分析得出，第3種結構的混合勵磁電動機具有較好的調磁能力。本文在第3種結構的混合勵磁電動機基礎之上提出一種新型混合勵磁永磁電動機，即在電動機定子上引入導磁橋，通過導磁橋所處的不同位置來分析、比較電動機的調磁能力和電磁特性。

1 開關磁通電動機的結構與工作原理

1.1 開關磁通電動機的結構

如圖2所示為三相12/10極開關磁通永磁電動機截面結構圖。該電動機定子有12個極，每個定子極由一塊鐵心和一塊永磁體構成，永磁體嵌在相鄰兩個定子齒中，切向充磁且相鄰兩塊永磁體具有相反的充磁方向，以便充分利用永磁體的聚磁性能，更好地提高電動機的功率密度［16］。轉子有10個極，且只有鐵心本身，機械強度較高，高速運行時不會出現如傳統永磁電動機因永磁體在轉子上而不可避免的振動和高溫等問題。這是該類電動機的一大優點。電樞繞組采用集中繞組纏繞在定子極上，且一相由4個線圈串聯而成。

1.2 開關磁通電動機的工作原理

如圖3所示為開關磁通永磁電動機的定、轉子極單元圖，定子鐵心的中線與相鄰2個轉子極的中線重合。在電動機轉子旋轉的過程中，對于某個定子極，當其所對的轉子位置發生變化，纏繞在其上的電樞繞組所匝鏈的磁通在數量上保持不變，但方向變化，電樞繞組切割交變的磁場產生感應電動勢。圖4為繞組中的磁通鏈、感應電動勢和感應電流的波形，正弦性的特征使之極其適合應用于交流調速領域。

2 新型混合勵磁開關磁通電動機調磁能力和電磁特性

2.1 新型混合勵磁開關磁通電動機結構

如圖5所示為本文提出的新型混合勵磁開關磁通電動機的3種不同結構定子局部放大圖。

圖5（a）為電動機（HEFSPM1）的磁橋位于永磁體兩端且位于永磁體與直流勵磁繞組之間；圖5（b）為電動機（HEFSPM2）的磁橋位于定子外徑和內徑處，相當于在定子齒上開一個槽后所剩下的部分；圖5（c）為電動機（HEFSPM3）的磁橋位于把永磁體一分為二之后的中間部分。3種新型結構的混合勵磁電動機除了磁橋的位置不同，其他條件均相同。磁橋厚度越大，電勵磁磁通也越大，但磁橋厚度的增加必定會導致永磁體的短路，本文初步設定磁橋厚度為1 mm。由于HEFSPM1和HEFSPM2均有兩個磁橋且均為1 mm，則HEFSPM3僅有的一個磁橋厚度為2 mm。這種帶有磁橋的新型混合勵磁電動機由于磁橋部分的磁導遠遠大于永磁體磁導，所以勵磁繞組的利用率有了很大的提高，且增加了新型混合勵磁電動機的機械強度，保證了電動機定子結構的完整性。參考現有國內外較為成熟的電機設計理論與方法，本文所設計的新型混合勵磁開關磁通電動機為12/10極，額定直流電壓源U＝50 V。設計功率P2＝500 W，額定轉速n＝600 r/min。通過一系列計算得出3種結構的電動機主要設計參數見表1。

表1 HEFSPM電機主要設計尺寸

2.2 調磁能力

為方便分析電動機的調磁能力，定義調磁系數

式中，Ψmax、Ψmin和Ψpm分別為空載磁鏈最大值、最小值和空載永磁磁鏈幅值［17］。采用有限元計算法，比較研究在相同定轉子與永磁體條件下不同勵磁電流對新型HEFSPM調磁能力的影響，圖6（a）～（c）所示為不同勵磁電流下3種新型混合勵磁電動機的空載磁鏈圖。分析結果見表2。

表2 新型混合勵磁開關磁通永磁電動機調磁能力比較

由圖6、表3可見，在相同條件下，HEFSPM1與HEFSPM3擁有較高的調磁能力。尤其是在弱磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3的磁鏈曲線接近直線，值接近于0。事實上，當給電動機施加弱磁磁場時，在導磁橋中，弱磁磁場方向與永磁體短路磁場方向一致，使得導磁橋的飽和程度加深。雖然HEFSPM3電動機調磁能力相較于HEFSPM1略微差了一點，但是磁鏈幅值卻比HEFSPM1高。而HEFSPM2調磁能力較低，究其原因，主要是因為勵磁磁路的磁阻相對較高，限制了電動機的磁場調節能力［18］。基于此結果，以下就針對HEFSPM1和HEFSPM3進行更進一步的討論分析。

2.3 有限元分析

圖7為HEFSPM1和HEFSPM3在僅永磁體勵磁條件下的磁力線分布圖，可知永磁體充磁方向正確。

圖8為HEFSPM1和HEFSPM3徑向氣隙磁密曲線圖，由圖可見，曲線基本呈正弦波趨勢，但諧波分量較高。且由于導磁橋的引入導致永磁體部分短路，氣隙磁密值不大。

在不同勵磁電流下（-5 A，0，5 A）的A相空載反電動勢波形如圖9所示。

對反電動勢進行傅里葉分析，得到各次諧波含量，圖10所示為HEFSPM1和HEFSPM3的A相電樞繞組的反電勢各次諧波含量柱狀圖。可見，反電勢基波含量有較大占比，高次諧波含量微乎其微。奇次諧波中數5、7次諧波占比最高，但相對而言也是少量的，偶次諧波占比更小，幾乎可以忽略不計。

表3給出了2種結構的電動機反電勢諧波含量總畸變率，HEFSPM3的諧波總畸變率要比HEFSPM1略微低一點，可見HEFSPM3反電勢波形正弦性更好，更接近理想的正弦波。

表3 HEFSPM1和HEFSPM3的A相繞組感應電動勢諧波總畸變率

2.4 電磁轉矩

為反映轉矩的脈動水平，定義轉矩脈動系數

式中：Tmax為轉矩最大值；Tmin為轉矩最小值；Tavg為轉矩平均值。在電動機中通入10 A的電流，在不同勵磁電流（-5 A，0，5 A）下HEFSPM1和HEFSPM3電磁轉矩如圖11所示，電磁轉矩平均值和轉矩脈動系數見表4。結果表明，在弱磁條件下的轉矩脈動系數都較大，在增磁以及僅永磁體勵磁條件下的轉矩脈動系數較小，轉矩平穩性較好。除此以外，HEFSPM3比HEFSPM1的轉矩密度更大，轉矩平穩性更好。

表4 不同勵磁電流下的新型HEFSPM1和HEFSPM3轉矩

2.5 功角特性分析

本文設計的新型混合勵磁開關磁通永磁電動機同屬于凸極永磁同步電動機，忽略定子繞組的電阻，則該電動機的電磁轉矩［19］：

式中：m為相數；E0m為空載電動勢幅值；Um為電源電壓幅值；Ωs為機械角速度；δ為功角；Xd、Xq分別為d軸和q軸電抗。當其他條件一定時，對電動機轉子的初始角度進行參數化仿真分析，得出電磁轉矩值，圖12為新型HEFSPM1和HEFSPM3在不同勵磁條件下的功角特性曲線。

實線、虛線和點劃線分別表示電動機在弱磁、僅永磁體勵磁和增磁條件下的功角特性曲線。由圖中可見，在僅永磁體勵磁和增磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3均在功角為90°處取得最大值，而在弱磁條件下，HEFSPM1和HEFSPM3的轉矩最大值在功角為120°處取得。顯見在相同條件下HEFSPM3的最大轉矩值比HEFSPM1更大，證明其過載能力更好，電動機的性能更優。

3 電動機效率分析

電動機效率的高低取決于其產生的損耗，損耗越小則效率越高。在電動機運行中所產生的損耗與眾多因素有關，比如電動機的結構、電動機各部分組成，如定子、轉子等所使用的材料、電動機所選的繞組類別形式等。本文設計的新型混合勵磁開關磁通電動機結構較為復雜，所以采用傳統計算與有限元分析計算相結合的方法對電動機進行效率分析。

新型混合勵磁開關磁通電動機的損耗主要由4個部分組成，即鐵損、銅損、機械損耗和附加損耗。電動機的鐵損又叫鐵耗，即交變磁通在鐵心中所產生的損耗，主要由渦流損耗和磁滯損耗構成。銅損即銅線損耗，由電樞電流在繞組中產生。采用有限元計算方法得到電動機運行時所產生的鐵損和銅損。機械損耗主要為軸承摩擦損耗，附加損耗按照一般微型雙凸極電機取輸出功率的1%計算［20］。基于以上方法所得出的HEFSPM1和HEFSPM3的各部分損耗見表5。

表5 新型HEFSPM1和HEFPM3結構電動機損耗比較

可見，2種結構的新型混合勵磁電動機效率都保持在80%以上。

4 結 語

本文在現有混合勵磁開關磁通永磁電動機的結構基礎之上提出了一種新型混合勵磁開關磁通電動機，并對其進行了電磁分析。介紹了該類電動機的原型開關磁通永磁電動機的結構與工作原理，引出混合勵磁，通過導磁橋的引入，根據導磁橋所處位置的不同，借助ANSYS仿真軟件，分析比較了3種結構的新型混合勵磁開關磁通電動機的調磁能力，結果表明，HEFSPM1和HEFSPM3的結構調磁能力較高。對HEFSPM1和HEFSPM3結構的電磁特性進一步分析表明，HEFSPM3結構具有轉矩脈動小、過載能力強和效率高等更加優越的電磁性能。