一种外绕组结构的磁通切换永磁电机设计

潘秋萍，刘成成，张 萍

(1.郑州铁路职业技术学院，郑州450052;2.河北工业大学，天津300401)

0 引 言

磁通切换永磁电机［1］(以下简称FSPM 电机)是一种基于磁通切换原理的特殊的定子永磁同步电机。在如图1 所示的一台三相12/10 极FSPM 电机的拓扑结构图中可以观察到，FSPM 电机的转子部分是凸极结构，转子上没有绕组，并且也没有永磁体，它的结构简单。我们把一块“U”形的导磁铁心和一片永磁体所组成的部分称之为一个“单元”，那么其定子部分就是由12 个单元依次组装构成。在每一个“U”型导磁铁心的槽中，并排放置着2 个集中绕组线圈，共12 个线圈，这12 个线圈又分为3 相，每四个线圈为一相，图1 中，A1 ～A4 四个线圈为A 相。每一个线圈都横跨在两个定子齿上，线圈的中间有一块永磁体，这种设计使转子齿在同一个绕组线圈下，与两个相邻的不同定子齿分别对齐时，绕组线圈的磁链极性会对应不同。图2 是电机定子展开图。

图1 一台三相12/10 极FSPM 电机结构

图2 电机定子展开图

磁通切换永磁电机基于磁通切换原理，上文提到，FSPM 电机独特的设计使转子齿在同一个线圈绕组下，与两个相邻的不同定子齿分别对齐时，绕组线圈的磁链极性会对应不同。不仅如此，绕组的磁链数值大小也会发生改变。即FSPM 电机的绕组磁通依据转子的不同位置改变正负极性和幅值。在一个FSPM 电机的电周期内，绕组磁通大小从最大降到最小，方向从进入绕组到穿出绕组(或者相反，绕组磁通从绕组穿出再进入)。绕组磁通始终是沿着磁阻最小的路径闭合，这可以由磁阻最小原理得到。图3 分别展示了磁通穿出和进入绕组的两种不同路径。若转子位置如图3(a)所示，由永磁体所产生的磁通会从定子齿穿出，再进入到相对齐的转子极中，形成闭合路径。当定子绕组开路时，两端就能感应得到一定数值大小的反电动势;若转子位置如图3(b)所示时，永磁体所产生的磁通数值大小不变，但是形成的闭合路径对绕组而言是相反的，磁通穿出转子极，进入到与之相对齐的定子齿中。这两种情况下，感应电动势的幅度相同，极性相反。因此，当转子在图3(a)、图3(b)中的两个位置间运动时，绕组的磁通就会在正负最大值之间周期性地变化。由法拉第定律可知，绕组两端的反电动势也会呈周期性变化，上述过程就是常见的“磁通切换”原理。

有限元分析结果表明FSPM 电机的每相磁链接近正弦分布，图4 中，假设每相理想空载永磁磁链成正弦分布。相应地，绕组内的感应反电动势也将呈正弦分布。若在每相绕组上施加与反电动势同相位的正弦电流i，该电流为电枢电流，产生的电磁转矩也是同方向的，将A、B、C 三相的转矩叠加得到合成的转矩，而且该合成转矩是恒定的，为一个常数，与转子的位置无关。

图4 每相永磁磁链、反电动势和电枢电流的理想波形

由于FSPM 电机的结构特殊，气隙磁密可以达到很高，定转子齿部磁密饱和。磁通密度饱和使得定子转子铁心的磁心损耗变得严重;另一方面，由于定转子的极端部处于饱和状态，过多的高性能永磁体安装在定子上，并未有效起到增加气隙磁通密度的作用，还增加了电机的成本。因此，如何合理设计磁通切换永磁电机，采用适当的永磁材料，提高电机的性价比是一个挑战。目前很多研究FSPM 电机的学者主要研究其不同的结构来优化其性能，如研究多齿结构、多相结构、混合激磁结构等［2－5］。在电机本体基本不变的情况下很多文献研究了电机的定转子齿部宽度变化，不同的定转子齿型，不同的永磁体的宽度、分段永磁体结构下对电机性能的影响［6－13］。

本文提出一种新的设计思路。常规的FSPM 电机中，定子绕组只能安装在电机的定子槽内，外绕组结构的FSPM 电机将定子绕组绕制在电机定子磁轭部分。这种绕组的安放方法从理论上带来三个好处:一是将有超过一倍的面积来安装定子绕组;二是在定子轭部的外侧安装定子绕组将使得电机的散热问题更易于解决;三是由于电机定子轭部的长度可以设计得比定子的齿部宽度短;会使得定子端部绕组的电阻值小。但是另一方面，由于定子绕组是绕跨在定子轭部，将使得穿越定子绕组的有效磁链会有所减小，从而带来一些不利因素。本文便设计了一台外绕组型FSPM 电机，并对其进行分析研究。

1 电机结构

1.1 输出功率

电机的输出功率P2可以表示:

其中:

将式(2)～式(4)代入式(1)可得:

式中:η 为电机效率;P1为输入功率;m 是电机相数;T 为周期;e(t)为一相绕组反电动势的第i 次谐波分量;i(t)为电感元件流过的电流;Im为电枢电流幅值;Em为定子侧绕组反电动势的峰值;Nph为每相绕组匝数;ωr为电机机械角频率;pr为转子极数;Φm为永磁磁通;kd为电机漏磁系数;Bgmax为空载气隙永磁磁密峰值;la为电机轴长;Dsi为电机定子内径;ps为定子齿数(槽数);cs为定子齿宽的极弧系数;Aslot为定子上安放一个线圈的槽面积;Jmax为电流密度;Kc为定子槽利用系数。

显然，功率方程主要由电流密度、气隙永磁磁密峰值、定子内径、电机轴长、定子槽面积等决定。其中功率与定子槽面积成正比，与传统FSPM 电机相比，外绕组FSPM 电机中放置定子绕组的槽面积增加了很多，同时增加了绕组匝数，从而有效提高电机的输出功率。

1.2 主要参数

本文设计研究的外绕组FSPM 电机主要参数如表1 所示。

表1 12/10 外绕组FSPM 电机的主要参数

续 表

2 2D 有限元分析

本文对设计的外绕组FSPM 电机做了仿真实验，采用Ansoft LLC 分别进行了静态磁场分析及瞬态磁场分析，实验结果如下。

2.1 静态磁场分析

如图5 所示，通过对磁力线的分布图分析可以明显看出，外绕组FSPM 电机的有效磁链绝大部分是通过电机的定子轭部，而绕组的有效磁链是通过定子齿部的磁链减去从相邻定子齿部的穿出和穿入的磁力线。故从理论上分析在该电机中将绕组安装在定子轭部是在电磁性能分析上是可行的。

图5 外绕组FSPM 电机磁力线分布图

图6 为外绕组FSPM 电机的静磁场磁密分布图。通过分析可以看出，该电机的磁通密度的最大值集中在定子和转子齿部的端角处，并且电机的磁密均在正常范围内，故属于合理设计。

图6 外绕组FSPM 电机磁场磁密分布

图7 是外绕组FSPM 电机的空载气隙磁密。在外绕组FSPM 电机的定子内外径之比较小的情况下，使用N35 永磁体可以使电机的气隙最高饱和磁密达到2.0 T 左右，发挥了FSPM 电机的聚磁特点。

图7 外绕组FSPM 电机空载气隙磁密

2.2 瞬态磁场分析以及传统与外绕组FSPM 电机的比较

外绕组FSPM 电机中放置定子绕组的槽面积增加了很多，增加了绕组匝数。传统FSPM 电机的绕组匝数是45，外绕组FSPM 电机的毎相绕组匝数是90。对两种电机的磁链和感应电动势进行比较，比较结果如下。

图8 是两种FSPM 电机的磁链波形。与传统FSPM 电机的磁链波形一样，外绕组FSPM 电机的磁链同样保持高度正弦。

图8 两种电机的磁链波形

如图9 所示，外绕组FSPM 电机的感应电动势波形中含有多次谐波，在仿真中发现，可以对定转子齿宽进行优化，使感应电动势保持正弦，这也是今后工作的重点。

图10 是两种FSPM 电机的齿槽转矩，可以看出它们是相同的。

图11 是外绕组FSPM 电机的扭矩和铁耗。由图11 可以得到，外绕组FSPM 电机的扭矩平均值约22.4 N·m，外绕组FSPM 电机的铁损pcore约50 W。在图8(a)中可得到该外绕组FSPM 的磁链周期为5 ms，则磁链频率为200 Hz，转子速度等于磁链的速度比转子的极数，为1 200 r/min。根据式(6)，可得该电机的输出功率是2 800 W。

电机的效率η 如下:

式中:机械损耗pmech一般取为输出功率的1% 或1.5%，本文取1.5%。铜损pcopper的计算公式如下:

3 结 语

实验中两种FSPM 电机的主要尺寸是相同的，从两种电机的磁链和感应电动势可以看出，外绕组FSPM 电机的磁链比传统FSPM 电机高1.15 倍，外绕组FSPM 电机的感应电动势是传统FSPM 电机的1.28 倍。

虽然外绕组FSPM 电机的磁链和感应电动势的优越性不是很大，但是它的散热性比传统FSPM 电机好，因此，外绕组FSPM 电机的电流密度可以设计得比传统的FSPM 大，外绕组FSPM 电机可以比传统FSPM 电机表现得更好。

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