轴向磁通切换混合励磁电机比较*

章 超， 陈 栋

(江西理工大学，江西 赣州 341000)

0 引 言

稀土永磁电机是利用稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力制造的新型永磁电机[1]，其工作效率高、损耗小、结构简单、运行可靠。永磁材料产生的恒定磁场使永磁电机存在电压难以调节和调速范围窄等缺点，限制了其在恒压发电等领域的发展应用。因此，通过电励磁来调节永磁电机内气隙磁场的混合励磁电机倍受关注[2,3]。

近年来，随着风力发电、石油开采、数控机床及电动汽车等产业的兴起，很多场合需要高效率、低转速运行的电机。盘式结构电机优势日益凸显，轴向磁场电机的气隙是平面的，气隙磁通方向为轴向。该类电机具有转子铁心利用率高、结构紧凑、轴向尺寸短、重量轻、体积小和散热性好等优点，可满足在多对极条件下的低速运行需要。

磁通切换型混合励磁电机的研究尚处于起步阶段。法国学者E.Hoang提出了一种磁通切换型混合励磁永磁电机，英国Sheffield大学ZHU Z Q教授等专家学者对该类电机进行了结构优化设计，取得显著成果[4-6]。国内东南大学程明教授等也提出了新型磁通切换型混合励磁电机的结构，并试制了样机[7-9]。现在国内外对该类电机的结构对比分析，特别是其混合励磁的结构方式没有特定的研究，对该类电机设计研究缺少理论依据。

本文根据定、转子之间的组合方式及励磁绕组的布置方式提出两种轴向磁通切换型混合励磁(Axial Flux-Switching Hybrid Excitation, AFSHE)电机的拓扑结构，对这两种不同结构的电机进行了比较分析。结合电机结构特点和工作机理，基于有限元法研究得出两种电机的空载电枢绕组磁链、感应电动势和绕组电感等电磁特性。另外，对比两种电机在相同励磁电流下的调磁效果，分析出两种电机的优越性。选择最优设计在恒压发电和恒功率宽调速驱动等领域可得到更好拓展，对该类电机的研究、推广都有理论和实践意义[10-12]。

1 AFSHE电机结构

为了克服单边磁拉力，AFSHE电机采用双转子结构。两个转子对称分布于电机定子两侧，通过轴承固定于电机端盖上。转子由转子齿和转子磁轭两部分组成，其中转子齿周向均匀分布在转子磁轭的表面。在电机运行过程中，转子齿还起到风扇的作用，有利于电机散热、降低热损、提高电机效率。电机定子由12个“H”型单元定子铁心拼装成圆形，其结构简单。电枢绕组采用集中绕组，电枢绕组周向分布在由永磁体和励磁绕组隔开的相邻单元定子槽中，永磁体交替切向充磁。串励式和并励式AFSHE电机结构如图1所示。

图1 串励式和并励式AFSHE电机结构

如图1(a)所示，串励式AFSHE电机是将励磁绕组直接缠绕在永磁体上，其永磁磁势和电励磁磁势呈串联状态。在单元定子铁心中间，永磁体切向充磁，励磁绕组轴向缠绕在永磁体表面，在励磁绕组中通入直流电产生轴向磁场，即可调节气隙磁场。

并励式AFSHE电机则是将永磁磁路和电励磁磁路设计为完全并列磁路。图1(b)给出了两部分完全并列的轴向磁通切换型混合励磁电机结构，永磁体和励磁绕组安置在单元定子铁心中间，永磁体在励磁绕组的下面，励磁绕组则缠绕在励磁铁心柱上。电机定子铁心由隔磁块将其分为互不导磁的两部分，形成并联磁链式结构。由于永磁体产生的主磁通不经过励磁绕组，理论上该结构可避免永磁体的退磁风险。

综上，串励式AFSHE电机均采取永磁体上缠绕励磁绕组，当在电机工作时，由励磁电流产生的热量将导致永磁体的温度升高，从而使永磁体存在退磁的风险。此外，电励磁磁路中包括永磁磁阻，为产生一定的电励磁磁通，需要更多的励磁匝数，导致励磁损耗增加、发热加剧、电机运行效率进一步降低。

然而，由于并励式AFSHE电机采取并联磁链式励磁方式，即励磁铁心柱与定子铁心构成一个整体，当励磁绕组通入直流电时，永磁磁势和电励磁磁势相并联。此种电机可避免永磁体退磁的风险；另外，由于采用铁心分层的结构，可防止永磁磁链通过励磁铁心柱形成短路，具有结构简单、可靠性高、功率密度大等优点。

2 电机磁路对比分析

串励式和并励式AFSHE电机都具有磁通切换型电机的工作特点。磁通切换是指绕组里匝链的磁通根据转子的不同位置切换方向和数量，即改变正负极性和数值大小。基于该原理，串励式和并励式AFSHE电机的磁通路径分别如图2和图3所示。随着转子的转动，绕组里匝链的永磁磁通在正负最大值之间呈周期性变化。根据法拉第定律，绕组两端产生幅值和相位交变的反电动势。

图2 串励式AFSHE电机的磁通路径

图3 并励式AFSHE电机的磁通路径

AFSHE电机中存在永磁磁势及电励磁磁势两个磁势源。当励磁电流>0时，电机合成气隙磁场增强，电枢绕组匝链的有效磁链增多，感应电动势也相应增大。此时，励磁电流对永磁体起增磁作用。同理，当励磁电流<0时，电机合成气隙磁场被削弱，电枢绕组匝链的有效磁链减少，绕组感应电动势也相应减小。此时，励磁电流对永磁体起弱磁作用。

结合串励式AFSHE电机的结构特点和磁通路径，永磁磁通由永磁体N极出发，经“H”型单元定子铁心、气隙、转子齿、转子磁轭、相邻的转子齿、气隙、相邻的“H”型单元定子铁心，再回到永磁体S极。永磁磁通参与电机的能量转换，作为电机的主磁通。但由于串励式电机的磁路为串联磁路，当电机通以直流励磁电流时，其工作磁路与永磁体单独工作时的磁路完全相同。作为混合励磁电机，由永磁体和电励磁共同提供磁势源，串励式电机的磁势源由永磁磁势和电励磁磁势串联形成。串励式AFSHE电机的等效磁路模型如图4所示。

图4 串励式AFSHE电机的等效磁路模型

并励式电机的主磁路与串励式相同，但并励式电机的磁路为并联设计，当电机通以直流励磁电流时，其电励磁磁路与永磁磁路完全独立。并励式结构电机的磁势源由永磁磁势和电励磁磁势并联产生。气隙中的总磁通为永磁体产生的磁通Φpm与电励磁产生的磁通Φe之和。并励式AFSHE电机的等效磁路模型如图5所示。

图5 并励式AFSHE电机的等效磁路模型

3 电磁特性及调磁特性

为比较串励式和并励式AFSHE电机在相同情况下的电磁特性与调磁特性的差异，给两种不同拓扑结构的电机选取了相同的主要参数，如表1所示。基于有限元法分别计算两种电机的空载磁通、反电势和绕组电感等，并得出结论。

表1 电机主要设计参数

3.1 空载磁通对比

通过有限元分析软件Ansys12.0，得到了串励式和并励式AFSHE电机在空载时电枢绕组磁通在一个电周期内的变化规律。串励式和并励式AFSHE电机空载磁通对比如图6所示。从图形中可看出两种结构产生的磁通大体相同，在电枢中产生的反电势也近乎相同。但串励式采取了永磁体与电励磁串联的方式，使用永磁体材料比并励式更多。出于对稀土材料价格、制造工艺和对温度产生不可逆退磁方面的考虑，并励式AFSHE电机的优越性更加突显。

图6 串励式和并励式AFSHE电机空载磁通对比

3.2 电感特性比较

绕组电感是衡量电机电磁特性的关键参数之一。通过磁链法分别计算串励式和并励式AFSHE电机的电枢绕组电感和励磁绕组电感。

(1) 不加励磁电流的情况下，加电枢电流，求电枢绕组的自感。以A相为例计算磁通切换型混合励磁电机电枢绕组的电感。向A相电枢绕组注入电枢直流电流IA时，A相电枢绕组产生由永磁磁链ψmA和电枢反应磁链ψA共同作用下的合成磁链。由此，A相电枢绕组产生的自感LAA可表示为

式中：N——电枢绕组匝数；

φA——电枢电流与永磁体共同作用时通过A相绕组的磁通；

φmA——永磁体单独作用时产生的磁通。

根据式(1)可得串励式和并励式AFHES电机电枢绕组A相自感曲线如图7所示。

由图7可知，串励式和并励式AFHES电机电枢绕组上的自感的呈现规律保持一致；在幅值上，并励式AFHES电机略高于串励式AFHES电机。

(2) 在不加电枢电流的情况下，加励磁电流，求励磁绕组的自感。可通过向励磁绕组中注入直流电，得励磁绕组自感为

(2)

式中：N——电枢绕组匝数；

φf——励磁绕组与永磁体共同作用时通过励磁绕组的磁通；

φmf——永磁体单独作用时产生的磁通。

根据式(2)可得串励式和并励式AFHES电机励磁绕组自感曲线，如图8所示。

图8 串励式和并励式AFHES电机励磁绕组自感曲线

对比串励式和并励式AFHES电机的励磁绕组自感，两者在一个电周期内几乎保持不变。但是在赋值上，并励式AFHES电机明显高于串励式AFHES电机，这验证了两种电机在调磁特性上存在差异。根据ψ=Li可知，当励磁电流一定时，励磁磁通与励磁绕组自感成正比。综上，并励式电机的合成磁通大于串励式，即调磁特性优于串励式AFSHE电机。

3.3 空载调磁特性

AFHES电机的空载调磁特性可定义： 当电机转速一定时，电枢绕组匝链磁链随励磁电流变化的规律，可作为衡量混合励磁电机调磁效果的依据。对空载调磁特性有限元计算，得串励式和并励式AFHES电机的调磁性能，如图9所示。由图可知，两种电机调磁效果都较明显。并励式电机的电感相对转子位置的斜率明显大于串励式电机，并励式电机的调磁效果优于串励式电机；但从调磁范围来看，并励式AFHES电机在励磁电流为6A时出现拐点，达到饱和趋势，而串励式电机在-4～10A都呈现直线形式，处于不饱和状态下。所以串励式AFHES电机调磁范围较并励式电机来说相对更宽。

图9 串励式和并励式AFHES电机的调磁性能

通过在串励式和并励式AFHES电机的励磁绕组中施加直流电流，计算电机的空载磁场分布规律，经处理可得励磁电流分别为-3、0、3A三种情况时的电枢绕组磁通和反电动势波形，分别如图10和图11所示。由图可知，当励磁电流在-3～3A变化时，串励式和并励式AFHES电机的电枢线圈磁通皆会产生弱磁或者增磁的现象，无论是电枢磁通还是反电势，并励式AFHES电机的调磁性能更突出，电枢磁通变化更明显，电机调磁效果更好。

图10 串励式和并励式AFHES电机在不同励磁电流下电枢绕组的磁通

图11 串励式和并励式AFHES电机在不同励磁电流下反电势

4 结 语

本文对比分析了串励式和并励式轴向磁通切换型混合励磁电机的特性，采用有限元方法分析了电机内部空载三维磁场分布，比较分析了串励式和并励式电机的三相电枢绕组磁链在一个电周期内变化规律。根据磁链法得到了电机的电枢绕组及励磁绕组自感等参数随转子位置角变化的规律，并分析了电机的空载调磁特性。结果验证了并励式电机的调磁效果优于串励式电机。通过对比分析表明，并励式AFSHE电机的总体性能优于串励式AFSHE电机，且并励式电机的实用性更高，对并励式轴向切换型混合励磁电机的研究具有科研价值。

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