混合励磁磁通切换电机定子单元结构比较

许泽刚，　谢少军

(1. 常州工学院 电气工程系，江苏 常州　213002；

2. 南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京　210016)



混合励磁磁通切换电机定子单元结构比较

许泽刚1，谢少军2

(1. 常州工学院 电气工程系，江苏 常州213002；

2. 南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京210016)

摘要：混合励磁磁通切换电机(FSHM)是一种新型可调磁的交流无刷电机，在航空航天、风力发电、电动汽车等领域具有潜在的应用前景。在综合已公开FSHM电机定子单元结构特征的基础上寻求可能存在的永磁体、电励磁绕组和导磁磁桥的组合关系，按照永磁磁动势、电励磁磁动势单独与共同作用的激励方式，基于有限元法对8种FSHM电机定子单元就初始磁密、磁链正弦度、调磁机理、调磁能力和发生不可逆退磁可能性等指标进行了比较，为科研与实际场合选用该类电机提供了参考。

关键词：混合励磁； 磁通切换； 定子单元结构； 有限元分析

0引言

永磁磁通切换[1-2](Flux-Switching Permanent Magnet, FSPM)电机的永磁体切向安置于定子侧，易于散热和冷却；转子上既无永磁体，也无绕组，结构简单坚固，且具有磁链及反电动势接近正弦分布，以及独特的聚磁效应等优点，在高可靠性和高功率密度场合具有潜在的应用前景。

针对永磁电机气隙磁场难以调节的问题，法国学者Hoang提出了在FSPM电机定子外侧增设励磁绕组和导磁磁桥的混合励磁磁通切换型(Flux Switching Hybrid Excitation Machine, FSHM)电机[3]，东南大学和韩国群山大学在维持经典FSPM电机定转子结构基本不变的基础上，分别采用永磁体单侧[4]及两侧[5]置入电励磁线圈的方法，提出了无铁心磁桥的FSHM电机；相较于Hoang提出的磁桥上置型方案，马来西亚Tun Hussein Onn大学则将导磁磁桥设置于FSHM电机的励磁绕组中部[6]；文献[7-9]分别对12/11、12/13、12/14、6/5、6/7、6/8、18/21极结构FSHM电机进行了研究，丰富了FSHM电机的不同定转子配合。为满足混合动力车辆用驱动电机对高功率密度和宽转速范围运行的要求，文献[10]提出了一种外转子式12/10极FSHM轮箍电机。相对于结构较为特殊的并列式FSHM电机[11](永磁磁场与电励磁磁场相互独立)，径向结构[3-10]、轴向结构[12]、直线结构[13]的定子单元结构相同，差别仅在于气隙特征，而有无导磁磁桥、永磁体和导磁磁桥相对位置差异对初始气隙磁密、调磁系数以及永磁体发生不可逆退磁影响的研究尚待深入。

本文综合文献已公开的永磁、电励磁与磁桥基本组合关系，并在此基础上寻求可能存在的相对位置调整，按照永磁磁动势、电励磁磁动势分别单独作用，以及永磁和电励磁共同作用的激励方式，采用有限元方法从空载磁场分布、径向磁密、磁链波形、谐波含量和电枢反应等角度分析3种无桥式和5种桥式FSHM电机的电磁特性，评估永磁、电励磁利用率以及发生不可逆退磁的可能性，提取定子单元磁路的基本特征，对该类电机的研究、推广都有理论和实践意义。

1FSHM 电机结构

无磁桥FSHM电机中，定子由分瓣“C”型导磁铁心拼装而成，永磁体依旧沿切向交替充磁，仅将永磁体径向长度缩减，并在空出的位置安放直流励磁绕组。由于直流励磁绕组安置在定子侧，因此无需滑环、电刷等换向装置，系统的可靠性不受影响。以永磁体与励磁绕组的相对位置来区分，图1分别给出了“永磁体下置型”、“永磁体上置型”和“永磁体中置型”无磁桥FSHM电机。

区别于无磁桥FSHM电机，图2中通过引入导磁磁桥将分瓣定子铁心连接为一整体，便于电机的加工和安装定位。依据励磁绕组与导磁磁桥相对位置的不同，本文分别定义为“磁桥下置型”、“磁桥上置型”和“磁桥中置型”磁桥式FSHM电机。

为便于比较无导磁磁桥、永磁体和导磁磁桥相对位置差异对电磁特性的影响，八种FSHM电机均基于主要结构参数如文献[14]所示的FSPM电机，其中永磁体径向宽度同调整为0.3wpm(wpm为定子内外径差)，另外从定子铁心连接强度出发，导磁磁桥厚度取为0.1wpm。

图1　无磁桥FSHM 电机定子单元

图2　磁桥式FSHM 电机定子单元

2永磁体利用率

2.1无磁桥FSHM电机

图3为3种无磁桥FSHM电机在定转子齿重合面积最大位置，采用二维有限元静态场计算得到的空载永磁磁力线分布图。为比较方便，各磁场分布图均选用相同的量程和分度。

图3表明，虽然永磁体径向宽度相同，但因其安放位置的差异，导致永磁磁力线闭合路径发生改变。以点划线所示磁力线为例，相较于“下置型”与“中置型”磁通均由两块串联的永磁体提供磁动势，“上置型”磁力线不经过永磁体远端电枢线圈，且仅由单块永磁体提供磁动势。对比结果显示“上置型”永磁体自闭合分量最多(5条磁力线)，表明该方式永磁体利用率最低，“中置型”和“下置型”接近(2条磁力线)。相应图4所示3种无磁桥FSHM电机初始气隙磁密由大到小的排列为： “下置型”≈“中置型”>“上置型”，与磁力线分布图反映的趋势吻合。

图3　无磁桥FSHM电机永磁磁力线分布图

图4　无磁桥FSHM电机永磁径向磁密

2.2磁桥式FSHM电机

图5给出了磁桥式FSHM电机的永磁磁场分布。由图5可见，导磁磁桥位置的不同带来定子铁心饱和程度的差异，相应磁路也有所不同，其中“磁桥中置型”及“磁桥下置型”的永磁磁通路径与“永磁体中置型”及“永磁体下置型”(无磁桥FSHM)相同，而“磁桥上置型”永磁磁通改经PM3顶部导磁磁桥闭合；另一方面，磁桥式FSHM永磁主磁通均由两块串联的永磁体提供磁动势，且依旧具有“聚磁”效应[2]，有助于提高电机功率密度，或者永磁体材料可采用不含稀土元素及贵金属的铁氧体。

图5　磁桥式FSHM电机永磁磁力线分布图

由于引入的铁心磁桥磁阻远低于空气磁阻，部分永磁磁通经过导磁磁桥直接构成闭合回路，因此流经应气隙初始磁通、气隙初始磁密和永磁体利用率都低于相同永磁磁动势的无桥FSHM电机。5种磁桥式FSHM电机中，“磁桥下置型”[见图5(a)]、“磁桥上置型2”[见图5(c)]、“磁桥中置型2”[见图5(e)]的导磁磁桥与永磁体紧邻，与“磁桥上置型1”[见图5(b)]和“磁桥中置型1”[见图5(d)]相比，永磁体自闭和路径更短，因此磁桥段铁心饱和程度更高，意味着对自闭和磁通的阻塞效果尤为显著，相应地，经由磁桥分流的永磁磁通也较少。

图6给出的磁桥式FSHM电机初始气隙磁密计算结果显示： 引入铁心磁桥后，永磁初始气隙磁密降为无桥FSHM电机的一半，归因于磁桥的磁通分流作用；其次，“磁桥下置型”、“磁桥上置型2”、“磁桥中置型2”的磁密值相近，且明显高于“磁桥上置型1”和“磁桥中置型1”，归因于相对较高的磁桥磁阻对永磁磁通分流的抑制作用。

图6　磁桥式FSHM电机永磁径向磁密

3调磁机理及空载调磁特性

3.1电励磁调磁机理

改变磁动势或磁阻均能实现对气隙磁通的控制，因此电励磁调磁机理可以是电励磁磁势源直接对永磁磁势源的弱磁或增磁作用，也可以利用铁心材料的非线性特性，借由调整变主磁通回路的磁导率间接实现对电机主磁场的控制。须综合运用以上两种方法并结合调磁效果，提取定子单元磁路的基本特征，从而确定更具研究与应用价值的电机结构。

图7、图8分别给出了电励磁磁势源单独作用下，无导磁磁桥及磁桥式FSHM电机的电励磁磁场分布图。考虑到永磁体相对磁导率与空气非常接近，将永磁体材料属性直接设为空气，同时为便于描述磁力线走向，仍以永磁体序号定位。

图7　无磁桥FSHM电机电励磁磁力线分布图

以点划线所示磁力线为例，虽然“永磁体下置型”[见图7(a)]和“永磁体上置型”[见图7(b)]的磁力线路径相同，但“永磁体下置型”较“永磁体上置型”中的电励磁线圈更靠近电机外侧，由此电励磁磁通分量更多地经由PM2顶部空气磁通管闭合，而空气磁通管长度大于电励磁线圈槽开口宽度，意味着等效磁阻相对更高，因此流经凸极定转子下总气隙磁通较小。反映在图9所示的电励磁磁动势单独作用下的气隙磁密中，“永磁体下置型”<“永磁体上置型”。电励磁磁通闭合路径还显示： 相较于“永磁体下置型”和“永磁体上置型”磁通路径仅包含单个电励磁磁势源，“永磁体中置型”[见图7(c)]磁通回路包含两个电励磁磁势源，但多穿越了一次电励磁线圈槽开口宽度；此外，PM2两端电励磁线圈通入的电流方向相反，在PM2中的合成磁力线平行，依据上下线圈方向的不同，可对永磁磁动势分别起增磁或去磁作用，但凸极定转子间气隙磁通存在相互抵消的现象，决定了“永磁体中置型”在3种无磁桥FSHM电机中的电励磁磁密最低。

图8　磁桥式FSHM电机电励磁磁力线分布图

图9　无磁桥FSHM电机电励磁径向磁密

无磁桥“永磁体下置型”FSHM电机可视作“磁桥下置型”中磁桥厚度为零的特例。随着磁桥厚度的增加，电励磁磁力线逐渐由穿越气隙改道导磁磁桥。当采用上述磁桥厚度，“磁桥下置型”[见图8(a)]磁力线完全经由励磁线圈内侧的导磁磁桥闭合，而不穿越凸极定转子间气隙，即仅能通过改变定子铁心磁阻实现对气隙磁场的控制，故本文定义其为“间接调磁方式”。鉴于电励磁磁力线需经由永磁体及其顶端空气磁通管闭合，因此其调磁范围较小。此外，图8还显示，电励磁磁力线经由气隙闭合的“磁桥上置型”和“磁桥中置型”FSHM电机同样具有“聚磁”特性。

“磁桥上置型”[见图8(b)、(c)]中，由于导磁磁桥的相对磁导率远低于永磁体及其顶部的空气磁通管，单个励磁源激励的主磁通完全经由导磁磁桥闭合。“磁桥中置型”[见图8(d)、(e)]的电励磁磁通路径则相对复杂，主磁通路径按提供磁势源数量可分为两条，其中一条与“磁桥上置型”相同，仅包含单个电励磁磁势源；另外一条路径包含两个电励磁磁势源，但回路中多了空气段磁阻，因此单就主磁通路径包含励磁源数量无法评判“磁桥上置型”与“磁桥中置型”结构的优劣。进一步分析可知，“磁桥中置型”中定子内侧励磁线圈单独作用的机理接近于“磁桥上置型”，产生的磁通穿越定转子气隙，直接作用于气隙磁通的控制，本文定义其为“直接调磁方式”；而外侧励磁线圈单独作用的机理接近于“磁桥下置型”，同属于“间接调磁方式”，仅能通过改变通路磁阻间接作用于气隙磁通的控制。因此，外侧励磁线圈对调节气隙磁场的贡献不太显著，更多是为定子内侧励磁线圈提供电流闭合通路。

从数值上来看，“磁桥中置型”FSHM电机的电励磁气隙磁密约为“磁桥上置型”的一半(见图10)，相当于仅有单侧的励磁线圈参与气隙磁场调节，验证了上述定子外侧励磁线圈更多起电流闭合作用的推断。

图10　磁桥式FSHM电机电励磁径向磁密

图9和图10对比结果显示，在保证电励磁电密不变的前提下，虽然引入导磁磁桥使得电励磁安匝数略有降低，但磁桥式结构所能达到的电励磁气隙磁密约为无桥结构的两倍(同取最大磁密比较)，表明引入导磁磁桥并选取适当的安放位置，可大幅拓宽电励磁磁动势对气隙磁场的调节范围。

3.2空载调磁特性分析

通过改变FSHM电机励磁电流的大小和方向，即可实现气隙磁场的有效调节与控制。图11分别给出了永磁磁动势单独作用，以及Jexe=±11A/cm2的励磁电流和永磁磁动势共同作用下的无桥FSHM电机磁链波形。由于电励磁磁力线经由永磁体及其顶部空气磁通管闭合，气隙磁场的最大调节范围仅为1.4倍(永磁体下置型)。其中“永磁体上置型”增磁与永磁磁链两条曲线基本重叠，该现象可由图7(b)得到合理的解释，其主要原因在于大量的永磁体自闭合磁力线导致PM2右侧定子齿饱和程度较高(有限元静态场仿真结果显示磁密接近1.8T)，即便图9的对比数据表明电励磁磁势源单独作用下的“永磁体上置型”气隙磁密值最高，但调磁效果并不占优。

图11　无磁桥FSHM电机磁链波形

图12给出了磁桥式FSHM电机的磁链波形，由图12可知，无论工作在永磁磁势源单独励磁，还是混合励磁增磁或者去磁状态，磁桥式FSHM电机磁链波形均接近正弦分布。频谱分析结果显示，最大谐波分量(5次谐波)与基波幅值比都不到1%，与无桥FSHM电机接近，表明引入导磁磁桥对磁链正弦度基本没有影响。同时图12显示，“磁桥上置型”所能提供的峰值磁通及调磁范围最大，是磁桥式FSHM电机的首选方案。究其原因，主要在于“磁桥中置型”FSHM电机只有内侧励磁线圈参与磁场调节，而“磁桥下置型”中电励磁磁力线不穿越气隙磁场，即仅存在“间接调磁方式”。

若定义电机调磁系数：

α=ΦgA+/ΦgA-

(1)

式中：ΦgA+、ΦgA-——增磁与去磁峰值磁通。

表1进一步给出了8种FSHM电机峰值磁通与调磁系数。由表1可知，如期望永磁体具有较高的利用率，“永磁体下置型”无桥FSHM电机是合适的选择。磁桥式FSHM电机中，“磁桥上置型2”无论在初始磁密还是调磁范围均稍占优势，但考虑到“磁桥上置型1”适于励磁槽面积的扩展，因此该结构电机更具研究价值。

表1　FSHM电机峰值磁通与调磁系数对比

图12　磁桥式FSHM电机磁链波形

4电枢反应

由于永磁体的相对磁导率与空气接近，因此3种无磁桥FSHM的电枢反应磁场分布图和径向磁密基本相同。图13为A相绕组通入Ja=7A/mm2直流电流对应的电枢反应磁场分布图。

图13　无磁桥FSHM电机电枢反应磁场

由图13可见，电枢反应磁力线分别经由电枢绕组槽开口和永磁体闭合，空气与永磁体材料的特性使得电枢反应回路的磁阻较大，电枢反应峰值磁密约为0.45T，数值上不到初始径向磁密的一半，显示电枢反应被有效抑制。

同理，图14给出了相同电枢电流下磁桥式FSHM电机的电枢反应磁场分布图。由于磁桥的磁阻远小于永磁体材料，意味着电枢反应磁力线不再穿越永磁体，降低了对永磁体工作点的影响和由此产生不可逆退磁的风险。这也是引入磁桥的一个显著优点。相应地，引入磁桥减小了电枢反应回路磁阻，电枢反应峰值磁密高达1.25T，较无磁桥FSHM电机大幅上升。

图14　磁桥式FSHM电机电枢反应磁场

5结语

本文就有无导磁磁桥以及永磁体和导磁磁桥的安放位置，依据永磁磁势源单独作用、电励磁磁势源单独作用、永磁磁势源和电励磁磁势源共同作用3种状态，分别针对磁场分布、气隙磁密、相绕组磁链和电枢反应磁场进行了对比研究。分析结果显示：

(1) 有无导磁磁桥、导磁磁桥设置位置的差异基本不影响FSHM电机的聚磁效应及磁链的正弦性。

(2) 引入导磁磁桥后，虽然降低了永磁体利用率，但有助于大幅拓宽气隙磁场调节范围；另外，电枢反应加剧，但电枢反应磁力线不再穿越永磁体，降低了对永磁体工作点的影响和由此产生不可逆退磁的风险。

(3) 如期望永磁体具有较高的利用率，“永磁体下置型”无磁桥FSHM电机具有优势。

(4) 如期望较大的调磁范围，具有直接调磁特征的“磁桥上置型1”FSHM电机在初始磁密及调磁范围性能方面位居前列，且励磁槽面积可依据调磁范围要求做适度调整，具有较强的竞争力。

【参 考 文 献】

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Comparative Study on Stator Cell Construction of Flux-Switching

Hybrid Excitation Machine

XUZegang1,XIEShaojun2

(1. School of Electric Engineering, Changzhou Institute of technology,

Changzhou, 213002, China; 2. College of Automation, Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Flux-switching hybrid excitation machine(FSHM) is an interesting brushless machine with the superiority of field adjustable, which exhibits the potential in the applications of aerospace engineering, wind power systems and hybrid electric vehicles. In consideration of key difference lying in with or without magnetic bridge, the relative position of permanent magnet, fielding windings, bypass magnetic bridge, eight kinds of stator configurations were considered. According to single or combined effect of permanent magnet and electro-magnetic magnetomotive force, the properties of the initial flux density, sinusoidal distortion, regulating coefficient and armature reaction versus were investigated based on the finite element method. It provided reference for the structure selection and development of the class hybrid excitation machine.

Key words：hybrid excitation; flux-switching; stator cell structure; finite element analysis

收稿日期：2015-10-22

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12- 0023- 08

通讯作者：许泽刚