6／7极磁通切换双凸极电动机的研究

赵朝会， 袁龙生， 李 键， 曹书豪

（1.上海电机学院 电气学院，上海200240；2.上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海200240；3.上海电气风电设备有限公司，上海200240）

在定子齿部嵌入永磁体的磁通切换双凸极电动机（Permanent Magnet Flux Switching Motor，FSPM）最早是于1955年由Rauch和Johnson提出的[1]，之后很长一段时间内对这种电动机的研究很少。随着永磁材料的发展，Hoang等[2-4]在1997年重新将研究目光投向FSPM，随后电励磁FSPM[5-6]、混 合 励 磁 FSPM 也 被 相 继 提 出[7-9]。国内的浙江大学和东南大学较早就开展了对FSPM电动机的研究[10-15]。图1所示为浙江大学研制的24V、450W、1 500r／min的三相6／5极结构FSPM的截面图；图2所示为东南大学研制的三相12／10极结构FSPM。其中，浙江大学主要以6／4极、6／5极FSPM为载体，研究了FSPM的弱磁扩速运行的结构与性能等；东南大学以12／10、12／8极FSPM为载体，研究了其端部效应对新型定子永磁型双凸极电动机反电势的影响等。

黄志 文等[12-14]认 为：6／5 极 FSPM 比 6／4、12／10、12／8极FSPM具有更好的性能，更宽的弱磁范围。本文探讨了一种6／7极FSPM，对其静态场和瞬态场进行了有限元计算，并与6／5极FSPM的性能进行了对比，进一步验证6／7极FSPM性能的优越性。

1 6／7极FSPM的结构及参数

图3为一台三相6／7极FSPM结构图。该电动机转子与开关磁阻电动机的转子相似，定子采用对称的三相集中式绕组，空间相对的两绕组反向串联成一相，永磁体采用切向充磁，相邻的两个永磁体充磁方向相反，定子铁心为U型的导磁铁芯。

图3 6／7极FSPM结构图Fig.3 Structure of 6／7pole FSPM

用于磁场分析计算的FSPM的结构参数如表1所示，其中用于有限元计算的6／3、6／5、6／7极FSPM定子结构参数均相同。

表1 电动机结构参数Tab.1 Structure parameters of FSPM

2 6／7极FSPM的电磁场分析与计算

为了便于有限元分析，假设如下[15]：① 磁场沿电动机轴向不变，把问题作为二维磁场来处理；② 定、转子基波磁势均以同步速旋转，定子磁场不会在转子中产生涡流，认为是恒定磁场；③ 定、转子铁心外缘的散磁忽略不计。

2.1 6／7极FSPM静态场研究

利用有限元方法对提出的新型6／7极FSPM进行了建模，同时对其空载时的静态场进行仿真研究（空载时，静态场仿真中由于没有涉及定子绕组，故图中没有示出）。图4为磁力线分布图。由图可见，电动机的磁力线走向较合理。图5为FSPM的磁密云图，根据云图中的饱和程度可以对电动机的定子齿、转子轭等部位进行必要的加厚或减薄设计，使电动机在满足出力大的同时，能提高材料的利用率。

2.2 6／7极FSPM瞬态电磁场研究

本文提出的新型6／7极FSPM，定子为6个齿槽，转子为7个齿，即7极。仿真计算时，取转子齿宽7.79mm。图6所示为6／7极FSPM有限元计算求解区域；瞬态场有限元计算，定子绕组采用反向串联，相对的两定子齿上的绕组串联成一相绕组，为三相对称集中绕组，定子绕组通入三相对称的正弦波电流，即此时FSPM采用同步电动机的控制方式。

图6 6／7极FSPM有限元计算求解域Fig.6 Finite element solution domain of 6／7pole FSPM

由图7中的6／7极FSPM齿槽转矩波形可见，其齿槽转矩较小，说明其起动性能较好、电动机运行后转矩波动较小。图8和图9所示6／7极FSPM磁链波形正弦性较好。

图9 6／7极FSPM反电势波形Fig.9 Back EMF waveform of 6／7pole FSPM

3 6／3、6／5、6／7极FSPM 的性能比较

本文研究并比较了6／3、6／5、6／7极 FSPM（即转子分别为3、5、7个齿，对应即为3、5、7个极的FSPM），对上述3种电动机进行了瞬态场仿真研究，以验证电动机能否正常运行及运行性能。仿真时，电动机采用定子绕组通入正弦波电流的控制方式，具体仿真计算结果如表2所示。

表2 6／3、6／5、6／7极FSPM 的性能比较Tab.2 Comparison of properties 6／3、6／5and 6／7pole FSPM

研究表明：①6／3极FSPM的齿槽转矩较大，电动机启动困难，其磁链和反电势波形均比较乱，故可得出6／3极FSPM运行性能较差甚至不能正常运行的结论；②6／5极FSPM的齿槽转矩波形与6／3极相比，其齿槽转矩较小，磁链和空载反电势波形正弦性均较好；③6／7极FSPM的齿槽转矩比6／5极还小，电动机的起动性能较好，运行时转矩波动较小，磁链（见图7）和反电势波形（见图8）也好于6／5极FSPM，故可说明电动机能正常工作且性能较好。

4 样机加工

根据有限元优化结果，为进一步研究6／7极FSPM的性能，分别试制了6／5极FSPM和6／7极FSPM原理样机。图10所示为6／5极FSPM转子，图11所示为6／7极FSPM原理样机。由于篇幅所限，样机的实验研究将在后期工作中展开。

5 结 论

（1）与6／5极FSPM 相比，6／7极 FSPM 具有更小的齿槽转矩，且磁链和反电势波形具有更好的正弦性等，适合于交流无刷电动机的控制方式。

（2）6／3极FSPM在定子通入正弦波电流时不能正常运行，6／5极FSPM运行性能良好，且本文有限元计算结果与现有计算结果较吻合，验证了本文有限元计算的正确性。

（3）6／7极以及6K／7K极（K为正整数）FSPM的弱磁升速、交直轴电抗的求解以及样机的试验将是后续需要研究的问题。

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