混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性

徐 妲 林明耀 付兴贺 郝 立 张 蔚 赵纪龙

（1.东南大学电气工程学院 南京 210096 2.江苏省智能电网技术与装备重点实验室 镇江 212009）

1 引言

永磁电机由永磁体产生磁场，无励磁损耗，效率高且工作稳定可靠，但磁场调节困难。混合励磁电机是一种磁通可控型永磁电机，兼具永磁电机效率高和电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，特别适合于恒功率调速驱动和恒压发电等领域的应用，在工业应用领域具有广阔的应用前景[1,2]。

近年来，国内外学者提出并研究了多种混合励磁电机结构，包括磁极分割式[3,4]、爪极式[5,6]、组合转子式[7]、并列结构式[8,9]、转子磁分路式[10]、永磁-感应子式[11]等。这几类混合励磁电机的永磁体均位于转子上，属于转子永磁型混合励磁电机。该类永磁型电机转子结构复杂，转子散热困难，较高的温升可能引起永磁体不可逆退磁、电机出力减小等问题。

磁通切换型永磁电机是一种定子永磁型电机，由法国学者E.Hoang 于1997 年提出[12]。该种电机定、转子都采用双凸极结构，永磁体和绕组均置于定子上，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单，易于散热冷却，机械强度高。目前的研究结果表明，这种电机具有体积小、工作可靠、功率密度高和效率高等优点[13,14]。磁通切换永磁电机采用永磁体励磁方式，无法直接改变磁场强度，作发电机运行时存在电压调整率大和故障灭磁困难的问题，作电动机运行时存在难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄等缺点。

混合励磁磁通切换电机兼具磁通切换电机和混合励磁电机的优点，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁通密度[15-18]。研究表明，文献[15]中永磁体磁路容易通过励磁绕组端部铁心形成回路，电枢绕组匝链磁通较少，永磁体利用率不高。文献[16]中电机电枢绕组和励磁绕组存在重合，电机转矩密度较小。现有关于混合励磁磁通切换电机的研究以径向磁场电机为主。文献[18]介绍了一种轴向磁通切换混合励磁电机，该种电机采用双转子、“H”形定子结构，永磁体与励磁绕组产生的磁动势为串联方式。

本文提出的HAFFSPM 电机是一种新型盘式混合励磁电机，兼具了轴向磁场电机和混合励磁磁通切换电机的优点，轴向长度短、控制灵活，具有独特的聚磁效应，可以用相对较少的永磁材料获得较高的气隙磁通密度。该电机气隙磁场可以平滑调节，弱磁扩速能力较强，作电动机运行时可作节能驱动使用，其宽调速特性可应用于电动汽车。

与前述混合励磁电机相比，国内对HAFFSPM电机的相关研究文献还未有报道。本文以一台三相12/11 极HAFFSPM 电机为例，分析其结构特点、运行原理，并基于有限元法研究该电机的静态电磁特性，包括磁场分布、空载永磁磁链、反电动势、定位力矩、绕组电感和调磁特性等。

2 电机结构

图1为三相12/11 极HAFFSPM 电机结构图。电机结构参数见表。该电机由两个结构相同的外定子和一个内转子组成，定转子均为双凸极结构。每个定子有6个“E”形导磁铁心和6 块沿切向充磁的永磁体交替放置。两侧定子上正对的永磁体充磁方向相反。电枢绕组和励磁绕组均采用集中绕组，励磁绕组绕于定子“E”形铁心中间齿上。转子与开关磁阻电机的转子结构相似。转子共有11个齿，均匀设置在非导磁圆环的外圆周上。转子上既无永磁体也无绕组，结构简单，易于冷却。

图1 12/11 HAFFSPM 电机结构示意图Fig.1 Structure of 12/11 HAFFSPM machine

表 HAFFSPM 电机结构参数Tab. Structure parameters of the HAFFSPM machine

该电机的磁场呈对称分布，由永磁体和直流励磁绕组共同产生的磁动势沿定子铁心、气隙、转子齿、气隙、定子铁心呈对称降落。

3 运行原理

HAFFSPM 电机的磁通切换原理如图2 所示。在图2a 所示的转子位置，永磁体产生的磁通沿着图示箭头的路径穿入A1 绕组所在定子齿。当转子运动到图2b 位置时，通过A1 绕组的永磁磁通在数量上保持不变，但穿行方向相反，为穿出A1 所在定子齿。在两种不同转子位置，A1 绕组两端感应出的电动势，数值相同但极性相反。转子连续运动时，电枢绕组匝链的磁通不断在正负最大值之间周期变化，对应产生幅值和相位交变的感应电动势。

在永磁体提供磁动势的基础上，增设直流励磁绕组可以有效调节磁场大小和分布。HAFFSPM 电机的磁场调节原理如图3 所示。图3a 中，励磁电流产生的磁通（虚线所示）与永磁体产生的磁通（实线所示）方向相同，共同穿入电枢绕组所在的定子齿，相对于永磁体的单独作用，此时的电励磁绕组起到了增磁作用；在相同转子位置，改变励磁电流方向，电励磁磁通与永磁磁通方向相反，电励磁起去磁作用，如图3b 所示。同理，可得其他转子位置下的混合励磁原理。通过调节直流励磁电流的方向和大小，可改变励磁磁场，实现电枢绕组磁链大小的调节，使得电机在宽广的恒功率调速范围运行。

HAFFSPM 电机的励磁绕组磁通与永磁磁通在磁路上为并联，永磁体工作点受电枢反应磁场和励磁磁场的扰动很小，可以有效避免不可逆退磁，保证了电机运行的稳定性。

HAFFSPM 电机的结构特点使得每相永磁磁链和感应电动势波形接近正弦分布，也即HAFFSPM电机可以等效为定子永磁式的永磁同步电机，采用正弦波电流供电实现电机的交流无刷运行。根据对应的转子位置，给电枢绕组施加同相位的正弦电枢电流，得到同方向的电磁转矩，叠加三相转矩得到合成的恒定转矩。

图2 磁通切换原理Fig.2 Principle of flux-switching

图3 混合励磁原理Fig.3 Principle of hybrid exciting

4 静态特性

4.1 磁场分布

图4 给出了电枢绕组开路时，在两个典型转子位置仅由永磁体励磁时的磁场分布。图4a 中转子齿与定子齿面重合，该定子齿对应的电枢线圈中匝链的磁通最大。图4b 中转子齿与永磁体对齐，转子齿与定子齿面稍有重叠，但与永磁体相邻的两个定子齿与转子对称，线圈中匝链的磁通为零。

图4 永磁磁场分布Fig.4 Magnetic field distributions excited by magnets

图5是永磁体产生的空载气隙磁通密度分布。因定转子是双凸极结构，磁通密度波形不规则，谐波分量较大，聚磁效应使永磁气隙磁通密度峰值达1.5T。

图5 气隙磁通密度分布Fig.5 Air-gap flux density

4.2 空载永磁磁通和感应电动势

HAFFSPM 电机电枢绕组每相共有4个线圈，每个定子上各两个，同一定子径向排布的A1 和A2对称。在转子转过一个电周期的过程中，A1 和A2匝链的磁通近似正弦分布，如图6a 所示。A1 和A2同属于A相，满足式（1），同样地定子2 上的A1'和A2'匝链的磁通满足式（2），每相绕组合成磁通与线圈磁通的关系满足式（3）。由图6 可知，叠加后的每相合成磁通和感应电动势正弦度较高，谐波含量较小。

图6 永磁磁通和感应电动势Fig.6 PM flux and EMF

电机采用12/11 结构，一个电周期对应的机械角度为360°/11=32.7°。

4.3 定位力矩

定位力矩是引起永磁电机转矩脉动的一个主要因素。与转子永磁型电机相比，双凸极结构的HAFFSPM 电机的一个缺点是定位力矩偏大。图7是根据磁共能差分法进行有限元计算得到的定位力矩结果。初始时转子齿宽与定子齿宽相等且转子齿为平行齿形，定位力矩较大，将转子齿宽优化为初始齿宽1.2 倍且齿形为扇形，扇形角度为10°，有效地减小了定位力矩峰值。

图7 定位力矩Fig.7 Cogging torque

4.4 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。

4.4.1 电枢绕组电感

励磁绕组不施加电流，当一相电枢绕组通入直流电流时，绕组匝链的总磁链由永磁磁链和电枢反应磁链组成。与电枢电流i 对应的该相电枢绕组自感L 可表示为

式中 Na——电枢绕组匝数；

ψ——合成磁链；

ψm——永磁体产生的永磁磁链。

由于永磁体的作用，式（5）计算得的电感为饱和电感。一相电枢绕组通入电流，计算其他相绕组所匝链磁链的变化可以得到相绕组之间的互感。

图8 电枢绕组单匝电感Fig.8 Inductance of armature winding

图8 所示为电枢绕组的饱和自感和互感。由图可见，电枢绕组电感与转子位置有关。比较每相绕组的自感和互感可知，互感值约为自感值的1/4。不考虑漏磁时，进入某一个线圈的磁通主要从相邻的中间齿穿出，少部分从相邻定子齿穿出。电枢绕组自感最大值出现在转子齿与定子齿半重合的位置。

4.4.2 励磁绕组电感

与电枢绕组相似，当励磁绕组通入直流电流时，励磁绕组合成磁链由永磁磁链和励磁磁链组成。励磁绕组的饱和自感及励磁绕组和电枢绕组之间的互感如图9 所示。由图可见，由于励磁绕组所在的中间齿作为主磁路一部分，励磁绕组自感值较大。

图9 励磁绕组电感Fig.9 Inductance of field winding

4.5 调磁特性

励磁绕组通入不同电流，电枢绕组匝链的磁通波形如图10 所示。施加励磁电流，绕组磁通变化明显，调磁效果较好。通入增磁电流时，磁路饱和度增加，随着励磁电流的增加，磁通变化渐小，增磁效果有所减弱。

图10 调磁特性Fig.10 Field control performance

5 结论

本文提出了一种HAFFSPM 电机，研究了其基本结构、运行原理，并基于三维有限元法，对HAFFSPM 电机的静态特性进行了分析研究，主要包括磁通、感应电动势、定位力矩、绕组电感和调磁特性等。计算和分析表明，HAFFSPM 电机具有结构简单、冷却容易和调磁方便等特点，易于实现高速恒功率和宽调速运行。HAFFSPM 电机具有正弦度较高的磁通和感应电动势波形，定位力矩小，适于交流无刷控制运行。改变直流励磁电流的方向和大小，可以有效地改变励磁磁通的方向和大小，从而调节磁场分布，实现磁通的双向调节。本文的研究结果为HAFFSPM 电机的分析、设计和控制策略的研究等奠定了基础。

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