双转子混合励磁电机优化设计和特性分析

井立兵 高起兴 王冲 罗正豪 解立辉 胡康

摘要：提出一种新型双转子混合励磁电机（dual rotor hybrid excitation motor，DRHEM）拓扑结构，通过单定子—双转子的结构实现了电励磁双凸极电机（doubly salient electromagnetic motor，DSEM）和永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）的高效结合。给出了所研究电机的基本结构和工作原理，讨论了DSEM部分和PMSM部分的极槽匹配原则。通过建立电机有限元求解模型，计算和分析了电机内的电磁场，得出最优结构及参数。研究结果表明：新结构混合励磁具有简单、紧凑、无刷励磁、电磁损耗小等特点。通过励磁电流的调节，优化后的混合励磁电机具备良好的调磁性能和宽广的调磁范围，在航空电源启动系统中有重要应用价值。

关键词：混合励磁;永磁同步电机;电励磁双凸极电机;极槽匹配;双转子结构

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.006

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）09-0043-08

Optimization design and characteristic analysis of  dual rotor hybrid excitation motor

JING Li bing1，2，GAO Qi xing1，WANG Chong3，LUO Zheng hao4， XIE Li hui1，2，HU Kang5

（1.College of Electrical Engineering & New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

2.Hubei Micro grid Engineering Technology Research Centre， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

3. Smart Distribution Network Center of State Grid Jibei Electric Power Limited Company，Qingdao 066100;

4.State Grid Ji′an Power Supply Company，Ji′an 343000，China; 5.State Grid Xiaogan Electric Power Supply Company，Xiaogan 432000，China））

Abstract：

A novel topology of the dual rotor hybrid excitation motor （DRHEM） was presented， which combines doubly salient electromagnetic motor （DSEM） with permanent magnet synchronous motor （PMSM） bya single stator， dual rotor structure.The basic structure and operating principle of the proposed motor were given; the combination criterion of the DRHEM was discussed.By establishing the finite element model of DRHEM， the electromagnetic field in the motor was calculated and analyzed， and the optimal structure and parameters were given.The research results show that the DRHEM has the advantages of simple， compact， brushless excitation， small electromagnetic loss and so on.Through adjustment of the excitation current， the optimized DRHEM has a better field regulating capability and wider field regulating range，which has important application value in the aviation power start system.

Keywords：hybrid excitation; PMSM;DSEM;combination criterion;dual rotor structure

0引言

永磁電机的特点是体积小、结构简单及运行高效，目前在很多工业领域得到应用。但是，永磁电机对气隙磁场强度调节能力有限，作为电动机时，在航空电源系统等需宽调速区间的驱动应用中将会受到限制;作为发电机时，较大的电压调整率将会影响通电质量。因此，调整永磁电机结构，合理引进励磁线圈，通过混合励磁实现对电机气隙磁场的有效调节成为国内外电机界学者研究的一个重要方向。

混合励磁电机具有高功率密度，宽范围调磁的优点，在航空电源系统和电动汽车领域具有较高应用价值。在此类电机中：串联混合励磁电机虽然结构简单，有较强的气隙磁场调节能力;但较大的励磁电流可以使永磁体永久退磁，因此，国内外学者对此研究较少。而并联混合励磁电机不存在永磁体退磁问题。文献分析了不同拓扑结构的并联混合电机的结构原理以及控制技术。文献比较了不同拓扑结构并联混合励磁电机各自的优势与劣势。目前为止仍没有一种混合励磁电机可以克服自身缺点，又能具备其他结构电机的优点。所以，混合励磁电机仍需朝着高功率密度，简化结构，较强的调磁性能方向发展。

本文提出一种新型双转子混合励磁电机（DRHEM），通过单定子-双转子拓扑结构实现电励磁双凸极电机（DSEM）和永磁同步电机（PMSM）的有效结合。利用DSEM磁场可调特性拓宽电机的磁通调节范围，同时达到励磁无刷效果。该结构可減小电机体积，使两类电机紧凑结合，电枢绕组端部可大大缩短，从而降低绕组铜耗。本文给出了该电机结构和两类电机的结合原则，提出一种有效优化方案，并利用有限元软件建立该模型，分析该电机电磁特性以及它的调磁性能。

1DRHEM结构原理

图1是双转子混合励磁电机（dual rotor hybrid excitation motor，DRHEM）基本结构，内、外转子分别同中间定子组成内电机单元和外电机单元。定子两侧同时开槽，电枢绕组通过定子连接两部分电机单元。所以，电机的感应电动势是内、外电机单元电动势之和;并且内、外两个转子转速和转向均相同。

DRHEM可以有两类拓扑：外侧是PMSM、内侧是DSEM;另一类外侧是DSEM、内侧是PMSM。前者的优势是有利于提高电机运行效率，但内侧电励磁电机若实现有效磁场调节，对电流要求较高，较大的电流会造成中间定子磁路饱和。而后者拓扑虽然降低了电机运行效率，但有利于外侧电励磁电机实现对电机磁路的调控。本文选取DSEM作为外电机单元，PMSM作为内电机单元的组合。

在DRHEM结构上，DSEM单元和PMSM单元径向同心分布，二者在磁路上相互独立;而在电路上两单元电机共用一套电枢绕组，两单元电机又相互耦合。磁路的独立不会影响两单元电机电枢绕组相电势的叠加，从而实现了混合励磁电机的对磁场性能的调节。

图2是DRHEM的磁通调节原理示意图。在空载时，永磁磁通φpm不变，通过调节励磁电流来改变电励磁磁通φem的大小和方向。因此电枢绕组的总磁通φ为：

φ=φpm+φem（1）

由于永磁磁通φpm保持不变，可以保证永磁体的工作点不变，而通过改变电励磁磁通的大小和方向，对整个电机磁通可以实现双向调节。

每匝线圈的磁链可表示为：

ψ=N=Npm+Nem=ψpm+ψem。（2）

式中N为线圈匝数;ψpm和ψem分别是永磁体和电流励磁产生的磁链。

感应电动势可表示为：

Ecoil=dψdt=d（ψpm+ψem）dt。（3）

设计DRHEM的重要一点在于是否可以调节DSEM励磁电流从而抵消PMSM磁场，在电机发生短路时能够实现高效灭磁。

2设计原则及优化

2.1电机组合原则

DSEM和PMSM的电气频率分别是：

fe=npe/60，（4）

fs=nps/60。（5）

其中：pe是DSEM转子极数;ps是PMSM极对数。

两单元电机结合的基本原则是实现两部分电枢绕组的直接串联。要保证两个单元电机电气频率相等必须让PMSM极对数与DSEM转子极数相等。12/8极双凸极电机是一种常见的且运行性能较佳的双凸极电机极数搭配。由式（4）、式（5）可知，与转子极数为8的DSEM匹配的PMSM永磁体极数为16。另外，永磁电机槽数和绕组形式对DRHEM的性能也至关重要。因此与定子极数为12的双层绕组DSEM所匹配的PMSM为12槽双层绕组或者24槽单层绕组。本文通过绕组系数和磁动势的计算来验证永磁电机16极12槽双层绕组和16极24槽单层绕组两套极槽搭配可行性并通过比较二者性能来选择合适的极槽搭配。

双层分数槽集中绕组的v次谐波的绕组系数可表示为

kwv=kpvkdv。（6）

若电机槽数为Qs，相数为m，极对数为p，文献给出了双层分数槽集中绕组短距系数和分布系数的计算公式，如式（7）、式（8），但也指出该公式对于一些个别极槽搭配组合并不适用。

分数槽双层绕组v次谐波的短距系数为

kpv=sinvpαsy12。（7）

式中：v为谐波次数;αs=2π/Qs为槽距角，Qs为电机槽数;y1为节距。

双层分数槽集中绕组的分布系数kdv可表示为

kdv=sin（π2m）qph2sin（αphv2），当qph为偶数， v=（2n-1）tp，n=1，2，3…;

sin（π2m）qphsin（αphv4），当qph为奇数， v=ntp，n=1，2，3…。（8）

式中：t为电机单元数;qph=Qsmt为一个单元电机的每相槽数;αphv=2πQs/t（1+phvp-pt）为槽电动势相邻相量间的电角度;ph=kQs/t+1p/t，k为使ph为整数的最小整数。

对于绕组系数的计算，文献给出了不同极槽配合下单层分数槽集中绕组不同计算方法。文献详细整理了常见极槽搭配单层分数槽集中绕组的绕组系数，对于本文16极24槽单层分数槽集中绕组的绕组系数可直接通过查表获得。对其具体计算方法本文不再赘述。

由上述计算方法可知，16极12槽双层绕组和16极24槽单层绕组的绕组系数皆为0.866。从绕组系数的角度考虑，该值较为理想，两套极槽搭配均可以采用。

同时绕组形式和极槽搭配是否合理也影响电机磁动势谐波。尽管一些极槽搭配有较高的基波绕组系数，但这个磁动势可能会含有较大的谐波，从而导致低阶力波振动过大。图3是16极12槽双层绕组和16极24槽单层绕组的磁动势波形和磁动势谐波图。由图可知双层绕组将产生4次谐波磁动势，其幅值大约是基波幅值的2倍，这将造成4次谐波的力波振动。而单层绕组也会产生4次谐波磁动势，但幅值与基波幅值大致相等，引起的力波振动要比双层绕组引起的力波振动小很多。同时由于该PMSM力波阶数比较大，力波振动对电机影响较小。因此本文研究的DRHEM选取12/8极DSEM为外侧电励磁单元，16极24槽单层绕组PMSM为内侧永磁电机单元。图4是本文两单元电机结构剖面图。

为实现两单元电机结构上的高效结合。图5是一种两单元电机的公共新型定子结构。该定子外侧为DSEM定子极，内侧为PMSM定子槽。该混合励磁电机的电枢绕组和励磁绕组均在定子上，两个单元电机均具备无刷励磁效果。同时，为了消除永磁磁极和電励磁磁极的相互影响，在中间定子中加入隔磁环。通过对两单元电机槽数的匹配，外单元电机为12槽双层绕组，内单元电机为24槽单层绕组，内、外侧每相的绕组数量和绕组总数均相同，满足双转子电机电枢绕组直接串联条件。电枢绕组从PMSM的定子槽穿向DSEM的定子极，在中间定子中实现直接串联，其连接方式如图6所示。两单元电机共用一套电机绕组，电机绕组端部较短，约为同功率电机的一半，在增大电机电枢绕组利用效率的同时可以改善电枢绕组端部的漏感和铜耗。

2.2优化调整

DRHEM的感应电动势为内外两单元电机电枢绕组的感应电动势之和。当两单元电机相电动势波形相似时，才能提高两电动势的叠加效率。为了更有效叠加，DSEM的相电动势波形应该更接近PMSM的波形。DSEM转子极弧对于其相电动势波形有重要影响。图7是正常转子极弧和加宽后转子极弧的双凸极电机局部图。

图8为PMSM相电动势仿真波形和DSEM转子极弧取16°、18.5°、21°、23.5°时的相电动势波形。随着DSEM转子极弧的改变，相电动势的波形周期保持不变，但其峰值所对应的转子位置角度会发生一定偏移。当DSEM转子极弧为21°时，两电动势波形最接近。通过优化相电动势波形，使混合励磁电机的设计更加完善和合理。

3有限元仿真验证

为验证所提出的DRHEM电磁特性，表1和图9分别给出电机的主要参数和结构剖视图。

图10是在不同励磁电流下磁力线分布图。由于隔磁环的存在，双转子电机中内电机单元和外电机单元的磁力线是相互独立的。随着励磁电流的增加，DSEM部分的磁密会增大，而PMSM部分磁密保持不变。

图11是在不同励磁电流下的相绕组磁链合成波形。如If大于0，相比励磁电流为0时，绕组为增磁状态，磁链增大;如If小于0，相比励磁电流为0时，绕组为弱磁状态，磁链削弱。从图中可知，励磁电流对磁通可以进行有效的双向调节;同时该混合励磁电机不能将磁链调节到0，而是将其固定在一定值，这是由双凸极电机部分磁链单极性脉动导致。

图12是两单元电机相电动势叠加结果。从图中可知，叠加后的波形形状趋近正弦波;从图形幅值来看，当If大于0时，感应电动势则增大;当If小于0时，感应电动势将被削弱。通过调控励磁电流，可以实现合成相电动势幅值的增强或者削弱，并且当If=-10 A时，电机相电动势幅值趋近0。

图13为电机三相电枢绕组全桥整流器连接图，图14为电机转速在1 000 r/min时的输出整流电压。由图可知，输出的电压随励磁电流的增大而增加，这与磁通控制原理一致。

电机电磁损耗分为铜损和铁损，为减小铜损，在保持绕组电流不变的前提下，只能减少绕组电阻来降低铜损。该混合励磁电机中间定子结构能缩短电枢绕组端部，增大了电枢绕组的利用率，与同效率运行的电机相比，大大降低了铜损。

图15是混合励磁电机在不同励磁电流下空载运行时的铜损和铁损曲线。从图中可知，电机的铜损和铁损都随着励磁电流的增大而上升;同时电机的铁损还受电机转速的影响，转速越高，铁损越大。由于永磁磁场的存在，即使励磁电流为0时，仍有一部分铁损存在。

4结论

本文研究了一种双转子结构的混合励磁电机，该电机定子为DSEM和PMSM的共用定子，实现了DSEM和PMSM高效结合。讨论了PMSM转子极对数和DSEM转子极数的匹配原则以及电枢绕组的连接方案。优化了DSEM转子的极弧系数用以改善感应电动势波形。最后，通过实例模型计算验证了该混合励磁电机的可行性及其电磁特性。结果表明，该DRHEM结合了DSEM和PMSM的优势，具有无刷励磁效果，拥有良好的励磁调节性能。同时该混合励磁电机具备电枢绕组端部短的优势。

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