磁通切换电动机综述

李欣哲，窦莹，吴曦

(1. 无锡供电公司，江苏 无锡 214000； 2. 南京供电公司，江苏 南京 210000)

0 引言

磁通切换型电动机(flux-switchingmachine,FSM)是一种新型无刷结构的双凸极直流电动机。它具有双凸极电动机的基本特征，但磁通切换电动机的运行原理和控制策略与双凸极电动机却存在很大的差异。磁通切换型电动机既可以作为发电机，也可以作为电动机。目前国际上对FSM电动机的研究尚停留在初步理论和样机实验阶段；就国内而言，我国对FSM的研究起步相对较晚，目前仍处于研究的初期阶段，且研究成果主要集中在多相永磁磁通切换型电动机的参数计算和建模分析，实际成型的电动机产品应用于实际的并不多。本文主要阐述了该电动机的研究现状及其发展趋势，以期能够更好地推动我国国内在磁通切换电动机领域的研究与发展。

1 磁通切换型电动机分类

磁通切换型电动机FSM主要有两种典型的结构形式：径向磁场磁通切换电动机和轴向磁场磁通切换电动机。电动机磁通切换的运行原理本质上完全相同，两种结构的主要区别在于电动机磁通的路径不同。按照励磁方式划分，FSM电动机可分为永磁式、电励磁式和混合励磁式三类，本文主要就这三种电动机来介绍磁通切换型电动机的发展。

1.1 永磁磁通切换电动机(FSPM)

永磁电动机具有结构简单，运行可靠等优点，其永磁体安置在定子“U”型铁芯之间，避免了永磁体置于转子时所导致的诸如永磁体固定复杂、散热困难、温升过高等导致的永磁体不可逆退磁等诸多问题。

在1997年的EPE(europeanconferencepowerelectronicsandapplications)会议上，法国学者E．Hoang提出了磁通切换永磁电动机(fluxswitchingpermanentmagnetmachine，FSPM)的概念，发表了FSPM电动机的学术论文，引起了广泛的关注[1]。该文章介绍了一种三相FSPM电动机的结构，其定子有12个齿，转子有10极，且定子上嵌有12块铁氧体材料的永磁体，并阐述了该电动机的磁通切换原理，采用二维有限元法分析了电动机的静态特性。2003年，作为欧洲航空局“poweroptimisedaircraft”计划的一部分，针对航天器中加油装置，研究了其中电动机的设计方法，重点从永磁材料的选择上比较了不同材料对该电动机性能的影响[2]。法国BrittanyBranchCampusofENSdeCachan通过比较了不同永磁材料对FSPM性能的影响，将该电动机应用于油枕，减小非推进损耗，改善系统性能和提高效率[3]。2005年，罗切斯特大学Y.Cheng将永磁体代替两相电励磁磁通切换电动机中的直流励磁绕组，提出了单相8/4极FSPM[4]，按照获取平顶波感应电动势的要求进行电动机设计，且通过改变转子外形获取启动转矩。英国Sheffield大学的Z.Q.Zhu教授对磁通切换电动机进行了多种拓扑研究，包括交错极绕线、E型铁心、C型铁心和多齿等拓扑结构[5]。东南大学花为等设计出一种两相、四相U型铁心永磁磁通切换型电动机，在两相运行时可以减少功率电子元件数，节省成本，且具有容错能力[6]。2013年，高亚军等提出了一种新型五相磁通切换永磁电动机，并研究了该电动机的容错控制策略[7]。东南大学的林明耀教授提出了一种双定子单转子的双凸极结构轴向磁场磁通切换永磁电动机，并对电动机设计、静态特性和齿槽转矩抑制进行了深入系统的研究[8]，该电动机结构简单、体积小、控制灵活、功率/转矩密度高。

1.2 电励磁磁通切换电动机(FSEM)

1999年，Leicester大学C.Pollock教授提出了磁通切换型两相电励磁电动机(fluxswitchingelectro-magnetmachine，FSEM)[9]，凸极转子上没有永磁体和绕组，4个定子槽中2个放置电流极性不变的励磁绕组“F”，另外2个放电枢绕组“A”，励磁绕组和电枢绕组均跨越2个定子齿。2011年，王宇、邓智泉等提出两种新的FSEM电动机，如图1、图2所示，其定子磁链为双极性，定子磁链与反电势波均体现出较高的正弦度，适合在无刷交流场合运行[10]。

电励磁磁通切换电动机中，励磁绕组通过的是直流电，电枢绕组中交变的电流方向决定了电动机中的磁通方向，励磁绕组可以采用与电枢绕组串联的方式(在电流较大，电压较低情况下)，也可以采取并联的方式(在绕组匝数较多情况下)分别如图3(a)、图3(b)所示。串联方式中，励磁绕组也担负着滤波器的作用。

图1 电励磁磁通切换电动机结构1

图2 电励磁磁通切换电动机结构2

图3 两相电励磁磁通切换电动机励磁绕组连接方式

1.3 混合励磁磁通切换电动机

混合励磁型磁通切换电动机(fluxswitchinghybridexcitationmachine，FSHM)是在永磁磁通切换电动机基础之上发展起来的一种新型无刷电动机，其永磁体、电枢绕组和励磁绕组都置于定子内，转子结构简单、可靠，适合高速运行。

FSHM电动机中两个磁势源同时存在，一是永磁体，它在气隙中产生一个基本不变的磁通；另一个是励磁绕组，在电动机工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使得气隙中的磁通发生变化。它集成了FSEM调磁方便和FSPM效率高、转矩质量比大等优点，同时又克服了FSPM磁场调节难的缺陷，可以有效利用永磁材料，减小电动机体积，具有较大的推广应用价值。

2007年，法国学者E.Hoang继1997年发表三相FSPM学术论文后，又推出了12/10极三相双励磁磁通切换型电动机[11]。此后，东南大学和南京航空航天大学提出了新型三相双励磁磁通切换型电动机[12-14]。浙江大学又于2009年提出了2倍于FSPM永磁体数的双励磁磁通切换型电动机[15]。2008年，由许泽刚等提出的并列式混合励磁磁通切换型电动机[16]，由电励磁磁通切换电动机和永磁磁通切换电动机并列组合而成(图4)，现在已成为磁通切换电动机的热点。2个电动机共用壳体和转轴，电枢绕组相串联，但电枢和转子互相独立，中间用隔磁环(气隙)隔开，真正实现了两部分气隙磁场的叠加，永磁段与电励磁段部分铁心长度的比例可以根据应用场合进行调整。东南大学林明耀教授提出了混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电动机，兼具轴向磁场和混合励磁电动机的优点，适合电动汽车等宽调速领域的应用，并对该电动机的静态性能分析、优化设计和控制技术进行了研究[17-18]。为避免永磁体、电枢绕组和励磁绕组均位于定子上的拥挤情况，Z.Q.Zhu教授提出了定子分割式混合励磁磁通切换电动机[19-22]，该电动机由内外定子和中间铁块转子组成，大大改善电动机的空间利用率。

1—壳体；2—永磁段定子；3—永磁段电枢绕组；4—励磁绕组；5—永磁体；6—电励磁段转子；7—转轴；8—电励磁段电枢绕组；9—电励磁段定子；10—永磁段转子图4 8/4极并列式混合励磁磁通切换型电动机结构图

2 磁通切换电动机的分析方法

磁通切换电动机的研究方法主要包括有限元法和等效磁路法等方法。下面主要通过对永磁型磁通切换电动机的的研究方法发展，来了解磁通切换电动机的分析方法。

2.1 有限元分析法

有限元法是分析、研究电动机特性的一种主要方法，主要通过有限元软件(如ANSYS，ANSOFT等)来实现，对电动机进行建模、加载、计算和分析，目前已成为一种比较成熟的方法。Z.Azar和Y.Pang等分析了漏磁与涡流对FSPM电动机特性的影响，通过对一台多齿FSPM电动机(定子6-4齿/转子19极)进行研究，计算出端部效应和磁路的交叉耦合对FSPM电动机电磁特性的影响，并通过有限元分析计算以及实验测试结果进行了计算分析[23]。AymanM.EL-REfaie和A.S.Thomas等研究了多相FSPM电动机的优化方法，在航天领域中如何应用FSPM电动机，并采用有限元法对FSPM电动机的电磁特性进行了计算分析[24]。A.S.Thomas和Y.Wang等采用有限元的方法计算了FSPM电动机在不同转子位置处的齿槽转矩以及谐波分量，给出了抑制电动机齿槽转矩的具体措施[25]。Y.Pang和J.T.Chen[26]等对比分析不同类型的永磁电动机，采用有限元法计算了FSPM电动机在不同参数情况下的静态电磁特性，对比分析结果，得到FSPM电动机的最优尺寸参数，实际的样机测试也验证了有限元分析得出的结论。在文献[27]中，Z.Q.Zhu教授建立了电动机的磁网络模型，解析计算了该电动机的静态特性，并与有限元法的计算结果比较，表明了磁网络模型也具有较高的准确性，并实验测试了样机的反电动势和电感等静态参数。

2.2 等效磁路法

等效磁路法是计算、分析电动机电磁特性的另一种重要方法。相比有限元分析法，它具有计算时间短，方便、快捷，且占有CPU容量小的特点。Y.Pang和G.Zhang等分别对FSPM电动机建立了非线性模块化参数磁路模型，所建模型均属于平面结构的二维模块化参数磁路模型，所不同的是G.Zhang等建立的是考虑导磁桥的FSPM电动机非线性参数化磁路模型[28]。Yu.Chen等对单相FSPM电动机建立了三维模块化参数磁路模型，并利用等效磁路模型计算出FSPM电动机的静态特性，等效磁路的计算结果与有限元方法以及样机的实际测试结果吻合度很高[29]。J.T.Chen等建立了FSPM电动机的双模块参数化磁路模型，该模型能分析电动机的磁路饱和与交错耦合效应，计算结果更精确[30]。太平洋科学宇航电动力学部的Bangura博士给出了两相电励磁磁通切换电动机的输出转矩关系式和输出功率尺寸方程还介绍了基于行为级建模和时步有限元的绕组电感和匝数计算方法[31]。英国的Z.Q.Zhu教授又从FSPM电动机拓扑结构的角度，阐述了各类FSPM电动机的结构特点，包括永磁式、电励磁式、混合励磁式等诸多类型，为研究这三种电动机提供了参考[32]。

国内电动机界的研究者们对磁通切换电动机的研究工作也已逐步展开，诸多高校以及研究机构现有了较为深入的研究并取得了较大的成果，东南大学、浙江大学、沈阳工业大学、南京航天航空大学这几所学校的研究者已经走在了对磁通切换电动机研究者的前列。

3 磁通切换电动机发展趋势

磁通切换电动机具有以下优点：结构简单、坚固耐用，适合宽转速范围运行，具有较高的功率密度和效率，且反电动势常数和输出转矩高于磁链为单极性的普通双凸极电动机。但是磁通切换电动机仍有些问题需要解决，如：铁损对电动机的转矩和控制方面的影响，特定的应用场合的电动机技术也亟待解决。就目前而言，磁通切换电动机的研究尚处在初级阶段，尚无成熟产品。我国在磁通切换电动机方面的研究起步较晚，同时参与研究的机构也较少。对于磁通切换电动机，可以借鉴研究永磁同步电动机、感应电动机、开关磁阻电动机和双凸极电动机的一般方法、原理以及成果，力求在电动汽车和风力发电等绿色、环保能源领域寻求突破。相关切入点有[33-34]：

1) 开展磁通切换发电动机的研究。对三种电动机开展综合全面的研究，并通过实际测试及计算，研究其特性，发挥其实际作用。

2) 混合励磁磁通切换电动机的合理结构的研究。在深入分析永磁双凸极、磁通反向电动机等定子永磁型电动机的基础上，参考混合励磁电动机的设计思路，并结合永磁材料技术和铁心软磁材料等技术的最新发展，探索合理的混合励磁磁通切换电动机结构。

3) 探索电动机与变换器的最佳匹配。充分考虑电动机本体与控制器之间的相互影响和相互作用，从系统的高度综合电动机本体与控制器的要求，进行电动机优化设计，选择变换器拓扑，确定功率器件参数和控制策略，以其达到综合性能最优和成本最低。

4) 研究方法的改进。借助于有限元分析软件改进非线性建模方法，将现代控制理论方法与瞬态联合仿真技术相结合，建立磁通切换电动机动、静态特性分析的一般方法。

5) 可靠性技术研究。研究多余度结构的磁通切换电动机，提出切实可行的余度结构方案；研发模块化、集成化的控制器，优化软、硬件结构，提高系统抗干扰能力和可靠性。

6) 磁通切换型电动机与其他电动机的比较研究。通过对功率密度、负载特性、电磁特性、控制策略、可靠性、温升、振动、电动机及控制器成本等诸多因素的比较，揭示各自的使用特点。