一种12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机分析

丁 文 李 可 付海刚

一种12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机分析

丁 文 李 可 付海刚

（西安交通大学电气工程学院 西安 710049）

为了提高传统开关磁阻电机（CSRM）的输出转矩、功率密度，降低电机的转矩脉动，该文提出一种新型的三相12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机（MHSRM）。该电机定子由6个U型定子模块组成，每个U型定子块两极之间的槽口处嵌入永磁体，每个定子块构成独立的磁路，提高了电机的容错性，同时由于永磁体的加入，拥有更大输出转矩和功率密度。该文介绍MHSRM的拓扑结构、工作原理。为了验证该电机的良好性能，运用有限元方法对相同结构尺寸的MHSRM、CSRM和无永磁体的分块定子开关磁阻电机（SRM）的静态电磁场和电磁特性进行对比，并分析了永磁体对MHSRM电磁转矩的影响。最后，制作相同尺寸的MHSRM和CSRM样机各一台，对两种电机的静态电磁特性、稳态和动态性能进行实验测试，并与6/5极结构的MHSRM进行部分性能对比，实验结果验证了有限元计算分析的正确性，证明MHSRM具有相对更好的电磁性能。

混合励磁开关磁阻电机 模块化定子 永磁体 电磁特性

0 引言

开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine, SRM）具有结构坚固、成本低、可靠性高、调速范围广以及容错性较高等优点，近年来在国内外工业界受到越来越广泛的关注，并逐步在家用电器、伺服系统、牵引电机、高速电机、风力发电、航空航天及电动汽车等领域显示出强大的市场竞争力[1-7]。但同时，传统SRM（Conventional SRM, CSRM）也有转矩脉动大、噪声大和功率密度低等缺点。

为了解决这些问题，提高CSRM的性能，人们将永磁材料（Permanent Magnet, PM）嵌入CSRM的定子中[8-24]，形成新的混合励磁SRM（Hybrid- excitation SRM, HSRM）。这种新型电机既保留了CSRM的优点，又将高性能稀土永磁材料应用于电机之中，使得电机的磁场由线圈和永磁体混合励磁产生，该电机的电磁转矩一部分来自原来的磁阻转矩；另一部分来自新加入的永磁体的永磁转矩，因此，相比于CSRM，HSRM的输出转矩明显增大，提高了电机的功率密度，减小了电机的转矩脉动，从而在一定程度上克服了CSRM的缺点，这种新型电机在航空航天、电动汽车等领域具有显著的研究和应用价值。国内外高校、科研院所及企业对HSRM开展了大量的研究。

国外针对HSRM的研究主要集中于两类：一是在定子轭部安装永磁体并加入辅助绕组；二是在定子槽口或定子极中安装永磁体。文献[8-16]的研究结果表明，相比普通SRM，这两类电机由于定子轭部或槽口加入了永磁体以及辅助绕组的作用，输出转矩明显增大，能量密度和转矩密度明显提高，同时效率也得到提高。国内针对HSRM的研究主要集中于两方面：其一是在定子槽口处安装永磁体；其二是在定子齿上安装永磁体。文献[17-24]对这两类HSRM的工作原理、电机结构优化设计、磁路计算及电磁有限元分析、永磁体对电机性能的影响、电机转矩脉动抑制等进行了研究。这些结构的HSRM也显著增大了电机的转矩输出、功率密度等性能。

以上研究的HSRM都是在CSRM的基础上加入永磁体实现的，电机的结构仍然和CSRM类似，定、转子铁心采用整片硅钢片叠压而成。文献[25-26]提出了一种新的6/5极结构的模块化HSRM（Modular HSRM, MHSRM），定子由3个U型模块铁心构成，在每个分块定子铁心两齿之间的槽口嵌入永磁体，转子有5个极，而不是常见的6/4极，相比于CSRM的电励磁方式，该电机由电励磁和永磁体励磁共同作用。研究结果表明，新提出的MHSRM比同尺寸的CSRM拥有更强的容错性能、更大的功率输出和更高的效率，但是该电机由于定、转子极数比较少，导致电机的转矩脉动非常大，转矩密度也较低。

为了提高MHSRM运行时的转矩密度并降低电机的转矩脉动，本文在文献[25-26]的基础上提出一种三相12/10极MHSRM，电机定子由6个U型分块铁心组成，在每个定子块的槽口处嵌入永磁体。相比于CSRM，由于采用了分块定子结构，该电机所用硅钢片材料更少、质量更轻；该电机同样由电励磁和永磁体励磁共同作用，拥有更大的转矩输出和功率密度以及更小的转矩脉动。本文对该电机的结构与原理进行介绍，采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法对该电机磁链和转矩等参数进行计算，并与无永磁的分块SRM（Segmented SRM, SSRM）和CSRM进行对比分析。在此基础上，研制小功率MHSRM与CSRM样机各一台，并开展实验研究，与6/5结构的MHSRM进行部分性能对比，验证其运行原理、电磁分析及仿真结果。

1 MHSRM的结构和数学模型

1.1 电机结构与运行原理

本文以三相12/10极MHSRM为例，对该类电机的性能展开分析研究，图1所示即为MHSRM的定、转子拓扑结构示意图，定子由6个U型完全相同的分块铁心构成，在每个定子模块的两个定子极间的槽口处装有永磁体，定子极上绕有集中绕组，转子上没有绕组也没有永磁体，两个相对的定子块上的4个绕组串联构成一相。永磁体N、S极和绕组电流的方向也如图1中所示，其中，绕组“×”代表电流垂直流进纸面。

与CSRM的工作原理一样，MHSRM的工作原理也遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。MHSRM工作原理及磁通路径如图2所示。MHSRM具体工作原理如下。

图2 MHSRM工作原理及磁通路径

如图2a所示，当绕组中无电流时，永磁体所产生的磁通经过定子块的两个定子极、定子轭和永磁体闭合，此时气隙和转子齿上没有磁通，定、转子极之间没有磁拉力。当绕组中通过较小的电流时，如图2b所示，永磁体所产生的磁通分为两部分：一部分经过定子模块铁心（定子极上部和轭部），这部分磁通和绕组电流所产生的磁通会抵消一小部分；另一部分通过气隙、转子齿和永磁体闭合，此时气隙和转子齿上有绕组电流所产生的磁通和永磁体励磁所产生的磁通，定、转子极之间会产生有磁拉力。其中，内圈虚线代表永磁体产生的磁通路径，外圈虚线代表绕组电流产生的磁通路径。

当绕组中通过较大的电流时，如图2c所示，永磁体所产生的试图通过定子铁心闭合的那一部分磁通被绕组电流所产生的磁通抵消，定子模块铁心中（定子极上部和轭部）的总磁通将会减小；永磁体所产生的另一部分磁通仍然通过气隙、转子齿和永磁体闭合，绕组电流所产生的磁通和永磁体所产生的磁通在气隙和转子齿上的方向一致，磁通增强，从而可以增大定、转子极之间的磁拉力。

当绕组所通电流流向和永磁体N、S极安装方向中的一个与图2a所示的不一致时，绕组电流所产生的磁通和永磁体所产生的磁通在定子模块铁心中形成闭合回路，定、转子极之间没有磁通，也就没有磁拉力。

因此，当按照图1和图2中绕组电流方向通电和永磁体N、S极方向安装时，MHSRM转子极上所产生的磁动势方向与永磁体的磁动势方向一致。这意味着，与CSRM绕组的通电方向可以随意改变的特点不同，MHSRM的永磁体N、S极的安装方向和绕组的通电方向有着严格的规定，当电机的永磁体安装方向确定后，电机绕组的通电方向就被确定，不能随意调整。此外，由图2可以看出，MHSRM每个定子块的磁路互相独立，和其他相没有耦合，因此，大大提高了电机的容错性和可靠性。

1.2 电机数学模型

根据基尔霍夫电压定律，MHSRM的第相电压平衡方程为

由于相间互感极小，可以忽略不计，则MHSRM的第相磁链为

MHSRM的磁共能为

式中，W为第相磁共能；W,k、PM,k分别为第相电励磁磁共能和永磁体磁共能。

根据虚位移法，通过磁共能对转子位置角求偏导可得MHSRM的电磁转矩为

式中，T为第相电磁转矩；T,k为第相电励磁转矩，即磁阻转矩；PM,k为第相永磁体转矩，即永磁转矩。

通过电磁转矩公式可以看出，MHSRM的电磁转矩分为两部分：①由通电绕组产生的磁阻转矩；②由永磁体产生的永磁转矩。在普通SRM中，由于没有永磁体，其电磁转矩只是由通电绕组产生的磁阻转矩一部分组成。而MHSRM的电磁转矩不仅包含了由通电绕组产生的磁阻转矩，还包含了由永磁体产生的永磁转矩。因此与普通SRM相比，MHSRM能够产生更大的电磁转矩。

2 与传统SRM和分块SRM的性能比较

为了验证本文提出的 MHSRM的性能并进行对比，设计了不含永磁体的分块定子SRM（Segmented SRM, SSRM）和相同结构尺寸的CSRM各一台，其结构如图3所示，对三种电机的电磁特性和参数进行了对比分析，三台电机的电磁参数和结构尺寸见表1。本文研究的电机虽然是一种模块化的混合励磁开关磁阻电机，但本质上还是属于SRM范畴。因此，本文电机的总体设计思路是先根据传统SRM的电磁设计方法[27]，获得电机的主要尺寸参数，然后采用有限元的方法对关键参数，如定、转子极弧，永磁体厚度等进行有限元参数化分析，进行性能比较后得到最终合适和相对优化的MHSRM电磁结构方案。从表1可以看出，MHSRM虽然添加了永磁体，但是电机总质量仍然比CSRM低约10%。

图3 其他两台SRM拓扑结构

表1 三种电机主要参数

Tab.1 The main parameters of three motors