定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机三维有限元分析与实验研究

刘细平 郑爱华 王 晨

（江西理工大学电气工程与自动化学院 赣州 341000）

1 引言

永磁电机无励磁损耗，且效率高、工作可靠；但磁场不能调节成为此类电机作为发电机和电动机应用的瓶颈。混合励磁电机是一类磁通可控型永磁同步电机，不仅继承了永磁电机的诸多优点，且磁场可灵活调节，特别适合于恒压发电和恒功率宽调速驱动，在风力发电、航空航天、工业传动和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。近年来，经过国内外电机专家的不断努力，相继提出了磁极分割式[1]、爪极式[2]、组合转子式[3]、并列结构式[4]、磁分路式[5]等多种拓扑结构的混合励磁电机，并取得了一定的研究成果。以上几类混合励磁电机中，永磁体均位于转子上，属于转子永磁型混合励磁电机，需要对转子采取特别的辅助措施，如安装不锈钢紧圈等来固定永磁体，因而转子结构复杂；同时此类电机冷却条件差，散热困难，较高的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力、降低电机的功率密度等，制约了此类混合励磁电机性能的进一步提高。

永磁式磁通切换电机是一种定子永磁型电机，转子上既无永磁体又无绕组，结构简单；随着转子位置的变化，磁通能够自动切换路径，以致定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交变的感应电动势。此类电机具有体积小、重量轻、工作可靠、冷却方便、高功率密度以及效率较高等优点。

永磁式磁通切换型电机最早是由法国学者E.Hoang在1997年的EPE会议上提出的[6]，定子为“U”形导磁铁心，中间嵌入切向交错充磁的铁氧体，实验表明，该电机具有良好的转矩输出能力，在交流调速领域具有明显的优势。英国Sheffield大学Z.Q.Zhu教授[7]和Leicester大学C.Pollock教授[8]分别对单相4/2极结构与8/4极结构的永磁式磁通切换型电机进行了研究。Z.Q.Zhu教授还提出了一种两相12/10极的永磁式磁通切换电机拓扑结构，建立了电机的磁网络模型，解析计算了电机的电磁特性，并测试了样机的反电动势和电感等电磁参数[9-14]；国内方面，东南大学程明教授领导的课题组[15,16]，浙江大学[17]也对此类电机进行了分析研究，并得到了一些有借鉴的结果。

在永磁式磁通切换型电机中，由于采用永磁体励磁方式无法直接改变磁场强度，作为发电机时存在电压调整率较大和故障灭磁困难，作为电动机时难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄等缺点。

1999年，C.Pollock教授借鉴整距绕组感应电机和两相开关磁阻电机，设计了一种两相电励磁磁通切换型电机[18,19]；此电机凸极转子上没有永磁体和绕组，定子槽一半放置电流极性不变的励磁绕组，另外一半放置电枢绕组，励磁绕组和电枢绕组均跨越2个定子齿，励磁绕组可采用与电枢绕组串联或并联的方式。研究表明，通过改变励磁电流，可方便地调节气隙磁场强度从而实现宽范围调压，且断开励磁电路可以灭磁，实现电机系统故障保护，但励磁损耗的存在使此类电机系统效率相对较低，难以实现高功率密度。

为了综合永磁式与电励磁式磁通切换电机的优点，法国学者E.Hoang于2007年提出了磁通切换型混合励磁电机[20]。此电机在永磁体端部增加了励磁绕组，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁通密度的大小，对永磁磁场起到增强或削弱的作用。然而，该电机存在两方面的问题：首先，永磁磁通经过励磁线圈端部的定子铁心构成回路，降低了永磁体的利用率；其次，随着励磁电流的增加，当电励磁磁力线与永磁体磁化方向一致时，励磁线圈端部的定子铁心磁饱和加剧，铁损和漏磁相应增加。

为了融合磁通切换型和轴向磁场型永磁电机各自优势，并使之具有磁场调节能力，本文提出一种定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机，分析电机结构与工作原理，建立电机有限元分析模型，计算空载电枢绕组磁链、感应电动势和绕组电感等电磁特性，研究不同励磁电流时电机的调磁效果，制作样机进行实验研究，验证理论分析的有效性。

2 电机结构及工作原理

2.1 电机结构

图1所示为定子分割式轴向磁通切换混合励磁电机结构示意图。电机为一种双气隙无刷交流同步电机。电机定子采用背靠背结构，两个盘式转子和定子同轴安装。定子由若干个“H”形单元定子铁心拼装组成，并由隔磁环将其分为内外磁路相互独立的两部分；电枢绕组周向分布在由永磁体和励磁支架隔开的相邻单元定子槽中，永磁体交替切向充磁；励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上，使其成为一种无刷交流电机；盘式转子由转子极和转子磁轭组成。该电机为一类新型电机，制作加工工艺较复杂，且定子与两个转子间的气隙长度难以保证完全相等。

图1 电机结构Fig.1 Structure of SSAFHESM

2.2 工作原理

根据电机磁路磁阻最小的原理，电机工作于磁通切换状态，绝大部分磁通由永磁体N极出发，经“H”形单元定子铁心、气隙、转子齿、转子磁轭、相邻的转子齿、气隙、相邻的“H”形单元定子铁心，再回到永磁体S极。当转子转过相邻的两个“H”形定子单元铁心时，从磁路的角度看，电机的磁路经历一个周期，此时穿过电枢绕组的磁通也经历一个周期，分别为磁通进入电枢绕组和磁通穿出电枢绕组，如图2a和2b所示，因此，电枢绕组中的感应电动势也变化一个周期，如图2c所示。

图2 电机磁通切换原理图Fig.2 Schematic of flux-switching

3 电机三维有限元分析

3.1 三维有限元模型

图3a、3b所示分别为电机定子和转子部分三维有限元结构模型。电机定子模型由定子铁心、永磁体、励磁支架、励磁绕组和隔磁环等组成；转子模型简单，由转子轭部和转子齿组成。

图4给出了电机有限元网格模型，电机模型单元总数为163 264，节点总数为228 614。

图3 电机三维有限元结构模型Fig.3 3-D FEM structure model of prototype

图4 电机有限元网格模型Fig.4 FEM mesh model of prototype

3.2 空载磁场分布

通过施加一类边界条件和有限元数值分析计算，图5a、5b、5c分别给出了无励磁电流、励磁电流-3A、励磁电流为3A时单元定子铁心中磁力线分布情况。当无励磁电流时，位于隔磁环上方的定子铁心中几乎没有磁力线；当励磁电流为-3A时，位于隔磁块上方的定子铁心中的磁力线分布与隔磁块下方的相应定子铁心的磁力线分布方向相反，起弱磁效果；而当励磁电流为3A时，两者磁力线分布方向基本相同，起增磁效果。

图5 电机定子铁心中空载磁场分布Fig.5 No-load field distribution in stator core

3.3 气隙磁通密度分布

图6 a、6b、6c所示分别为无励磁电流、励磁电流为-3A和3A时的电机气隙磁通密度三维分布图，调磁效果较明显。

图6 不同励磁电流时的三维气隙磁通密度Fig.6 3-D air-gap flux density under different field currents

4 电磁特性及调磁特性

4.1 永磁磁链和感应电动势

经有限元分析计算，图7为一个电周期内定子三相绕组磁链波形。电机采用12/10极结构，故一个电周期的机械角度为360°/10=36°。

图7 绕组磁链波形Fig.7 Winding flux-linkage curves

图8 为该电机在400r/min时的三相单侧定子绕组空载感应电动势波形。由图可知三相感应电动势互差120°（电角度），最大值约为7.7V。

图8 空载感应电动势波形（单侧）Fig.8 No-load EMFs curves（single side）

4.2 绕组电感

本文采用磁链法分别计算电枢绕组和励磁绕组电感。

4.2.1 电枢绕组电感

当A相电枢绕组通入直流电流Ia时，则A相电枢绕组合成磁链ψA由永磁磁链ψmA和电枢反应磁链ψaA组成。此时，与电枢电流Ia对应的A相电枢绕组自感LAA可表示为

式中Na——电枢绕组匝数；

φA，φmA——A相电枢线圈的合成磁通和永磁磁通。

当A相电枢通电流时，A相和B相电枢绕组之间的互感MBA可表示为

式中Nb——电枢绕组匝数；

φB，φmB——B相电枢线圈的合成磁通和永磁磁通。

图9a所示为电枢绕组自感有限元计算曲线，图9b所示为AB相绕组互感的变化曲线。上述计算结果均是在电枢绕组中通入大小为1A的直流电获得的。

图9 电枢绕组电感Fig.9 Armature winding inductance

4.2.2 励磁绕组电感

当励磁绕组通入电流If时，则励磁绕组合成磁链ψf由永磁磁链ψmf和励磁磁链ψff组成。此时，与励磁电流If对应的励磁绕组自感Lff可表示为

式中Nf——励磁绕组匝数；

φf,φmf——励磁线圈的合成磁通和永磁磁通。

同理励磁绕组和电枢绕组间互感可表示为

式中φAf,φAm——电枢线圈的合成磁通和永磁磁通。

经有限元分析计算，图10a、10b分别给出了If=3A时励磁绕组自感及电枢绕组与励磁绕组间互感。由图可知，当转子位置变化时，励磁绕组自感基本不变，可看作恒值。

图10 励磁绕组电感Fig.10 Inductance of field winding

根据上述分析，表1给出了绕组电感的平均值。

表1 绕组电感平均值Tab.1 Average of winding inductance（单位：H）

4.3 调磁特性

通过在励磁绕组中施加直流电流，计算电机的空载磁场分布规律，经后处理可得励磁电流分别为-3A、0、3A三种情况时的电枢线圈磁通和相感应电动势波形，分别如图11a和图11b所示。由图可知，当励磁电流在-3A到3A之间变化时，电枢线圈磁通变化明显，电机调磁效果较好。

图11 调磁特性Fig.11 Field control performance

5 样机试验

5.1 样机部分参数

依据以上理论分析，表2给出了一台12/10极概念样机的部分尺寸参数。

表2 电机部分尺寸参数Tab.2 Partial size parameters of prototype machine

5.2 样机实物和试验平台

图12所示为试制的12/10极轴向磁通切换样机组件照片，12a为电机定子及机壳、12b为电机的两个盘式转子、12c为整机。

图12 样机组件Fig.12 Assemblies of prototype machine

图13 所示为样机试验系统平台。系统主要由样机、原动机、伺服控制器、直流稳压电源和试验底座等组成。样机与原动机同轴相连，原动机为一台永磁同步电机；由伺服控制器控制永磁同步电机为样机提供所需的扭矩和转速；直流稳压电源型号为DS1731SB3AB，可为励磁绕组提供两路直流电压源。

图13 样机试验平台Fig.13 Test platform of prototype machine

5.3 测试结果

图14 a、14b所示分别为电机在400r/min时的空载三相感应电动势和调磁特性实测结果，分别与图8和图11所示有限元分析结果基本一致，验证了理论分析的正确性。

图14 样机测试结果（单侧）Fig.14 Test results of prototype

6 结论

设计了一种12/10极定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机，建立了电机三维有限元分析模型，在此基础上计算了不同励磁电流时电机内部空载磁场分布规律、三相绕组磁链、电动势和电感等电磁特性，分析了电机的调磁特性，制作了样机。有限元分析和实验结果均表明，此类电机具有较好的磁场调节能力。

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