磁路串联混合励磁复合电机的设计研究

谢颖　华邦杰　黑亮声　张晓明

摘 要：为了研究混合励磁在磁齿轮复合电机上的应用，依据磁通调制原理和混合励磁结构，提出了一种磁通可调的磁路串联混合励磁复合电机，建立了双定子、中间转子的电机结构模型。该电机通过在外定子侧引入直流励磁，将磁通调制原理与混合励磁2个概念相结合，实现电机低速大转矩输出以及磁通可调的双重目的。以获得较为平稳的输出转矩为目标，对电机的相关结构参数进行优化，得到电机参数对相关特征量的影响，确定电机的结构参数。通过二维有限元方法计算了处于不同直流励磁电流时电机的磁场分布、气隙磁密、空载反电势以及输出转矩等电机参数，验证了电机的工作原理，并得到直流励磁对电机内部磁场有明显的调节作用，从而说明了该电机结构的可行性和合理性。

关键词：混合励磁;磁通调制;串联结构;复合电机;有限元;参数优化

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.006

中图分类号：TM 341

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2020）09-0048-08

Design and research of series magnetic circuit hybrid excitation compound motor

XIE Ying， HUA Bang-jie， HEI Liang-sheng， ZHANG Xiao-ming

（College of Electrical & Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：

In order to study application of hybrid excitation in the magnetic gear composite motor， a series hybrid excitation composite motor with adjustable flux was proposed. Its based on the principle of flux modulation and hybrid excitation structure. The model of double stator and middle rotor was established. By introducing hybrid excitation on the outer stator， in this structure the principle of flux modulation was combined with the concept of hybrid excitation， which realizes the purposes of low speed， high torque and flux-adjustment. In order to obtain a more stable output torque， the relevant structural parameters of the motor were optimized. The influence of the motor parameters on the relevant characteristics was obtained， and the structural parameters of the motor were determined. The field distribution， air gap flux density， no-load back EMF and output torque of the motor with different DC excitation current were calculated by the two-dimensional finite element method， which verifies the working principle of the motor. The obvious adjustment function of DC excitation to the internal magnetic field of the motor was obtained， which shows the feasibility and rationality of the motor structure.

Keywords：hybrid excitation; flux-modulation; series; modulated ring; finite-element method; parameters optimization

0 引 言

近年來，随着高性能稀土永磁材料的出现和不断完善，以高效、高功率密度为显著特征的永磁电机得到快速发展[1-2]，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得以广泛应用，显著地加快了我国实现工业现代化进程，并有效地践行了节能减排的基本国策。由于永磁材料的固有特性，永磁体产生的气隙磁场基本保持不变，导致气隙磁场的调节与控制难以实现。因此，如何实现电机气隙磁场调节引起了国内外广大学者的关注。

目前，通过结构设计来实现永磁电机的气隙磁场调节有以下2种方案：记忆电机和混合励磁结构，其中，记忆电机最早是在第36届IEEE工业应用会议上由德国学者提出[3]，采用的永磁材料是高剩磁、低矫顽力的铝镍钴永磁体。该电机通过改变永磁体的磁化强度，实现气隙磁场的调节，几乎不产生额外的电励磁损耗。然而，记忆电机是一个非常复杂的多变量、强耦合系统，技术尚不成熟，仍需进一步研究。

相比之下，混合励磁技术更为简单且应用广泛，其在永磁电机的基础上，引入电励磁部分，通过调节电励磁电流来实现气隙磁通的调节，并且调磁方便，得到了越来越多学者的重视，成为了电机领域研究热点之一[4-7]。混合励磁电机最早可追溯到上世纪80年代末，由美国学者提出，电机内部同时存在永磁和电励磁磁势源，二者共同作用实现电磁能量转换，是对单一励磁方式的拓展[8]，具有较高研究价值。

依据直流励磁和永磁体磁势在等效磁路中的相对关系，混合励磁电机可分为并联型和串联型[9-10]。并联型混合励磁电机结构灵活多样[11-13]，但其结构较为复杂，加工困难，现有结构有：转子混合励磁电机、变磁极混合励磁电机、磁通调制型混合励磁电机、环形定子横向磁通电机[14-17]等结构。相比之下，传统的串联磁路结构混合励磁电机，是将直流励磁绕组直接放在永磁体下方，结构简单且易于实现。然而，电励磁产生的磁势经过永磁体，永磁体磁阻较大，一定程度上影响了电机的调磁性能[18-19]。

近几年，磁齿轮复合电机得到快速发展，为高转矩密度直驱式电机提供了新的思路。该思想最早由英国学者D. Howe提出的磁场调制型同心式磁性齿轮[20]，不同于传统的磁性齿轮，结构上在内转子和外转子之间加了一个调磁环，实现内外转子上所有永磁体都参与到转矩传递，较传统磁性齿轮，显著地提高了永磁体利用率及输出转矩。国内学者将外转子高速无刷直流电机和磁齿轮结构相结合，实现电机的低速大转矩输出，省去了传统的机械传动机构，获得更高的系统效率，但其有3层气隙，结构相对复杂[21]。浙大学者提出的磁齿轮复合电机依据同心式磁性齿轮，将其与同步电机相结合，即将磁场调制型同心式齿轮的高速内转子用传统的同步电机定子结构代替，只具有两层气隙，实现了真正意义上的电机直接驱动[22]。文献[23]提出的电动汽车用直驱式轮毂电机，该电机通过定子齿实现磁场的磁通调制，简化了电机结构，与永磁同步电机相比，降低了电机的体积和制造成本，提升了电机的调速范围。

本文基于磁齿轮复合电机双定子结构提出了磁路串联混合励磁复合电机，介绍了电机的基本结构，分析了电机的工作原理，建立了二維有限元计算模型，研究了对电机性能影响较大的结构参数， 通过优化设计得到了合理的参数值，最后结合了电励磁部分对优化后的电机进行电磁计算，验证了该方案的可行性。

1 电机结构及原理

1.1 电机结构

本文所提出的电机基本结构如图1、图2所示，主要由外定子、调磁环、内定子、电枢绕组、永磁体、直流励磁绕组等构成。其中，直流励磁绕组缠绕在与外定子永磁体相邻的定子齿上，采用的是集中式绕组;永磁体结构采用的是内埋式，产生电机的主磁场，与直流励磁绕组形成混合励磁;电枢绕组放在内定子的定子槽中;调磁环置于内定子和外定子之间，通过气隙隔开。

该电机的特点主要体现在外定子结构上，未采用传统串联磁路结构，而是将直流励磁绕组缠附在永磁体相邻的定子齿上，一方面减少了永磁体用量，另一方面简化了电机的结构，使其便于加工制作。电机的主要结构参数如表1所示。

1.2 工作原理

本文提出的新型磁路串联混合励磁电机将磁通调制原理和混合励磁概念相结合。该电机与磁性齿轮在结构上类似，都是采用双层气隙结构，区别在于高速旋转磁场的产生方式不同，前者是通过电枢绕组产生，后者是通过带有永磁体的高速转子产生。本文选取调磁环做转子，电机电枢绕组中产生的高速旋转磁场经过调磁环调制后在外气隙中得到的谐波极对数pm，k可表示为

pm，k=|mp+kns|。（1）

式中：m=1，3，5，…，SymboleB@;k=0，±1，±2，±3，…，±∞;p为电枢绕组产生的磁极对数;ns为调磁块数。

经调磁环调制后在电机的外气隙磁场中产生的空间谐波旋转角速度为

Ωm，k=mpmp+knsΩr+knsmp+knsΩs。（2）

式中：Ωr为内定子电枢绕组施加交流电源后形成的旋转磁场角速度;Ωs为调磁环角速度。

当m=1，k=-1时经调磁块的磁通调制作用后的气隙谐波磁场最强，由式（1）可以得到外定子极对数为

pw=ns-p。（3）

选取调磁环做转子，外定子不转，即Ωm，k为0，由式（2）可得电枢磁场角速度Ωr与转子角速度Ωs之间的转速比为

Gr=-pns。（4）

在本文所提出的电机中，内定子电枢绕组产生的p对极旋转磁场，经过调磁环调制后，在电机外气隙中产生与外定子极对数相同的旋转磁场。其中，p=3，pw=16，ns=19，转速比Gr=-3/19，负号表示二者转向相反。

该电机在磁齿轮复合电机的基础上，外定子侧引入了直流励磁。直流励磁磁势和永磁磁势在磁路上的相对关系为串联型，如图3所示。其中，Fpm为永磁磁势，Fmf为电励磁磁势，Rpm为永磁体磁阻，Riron为铁心磁阻，外部指气隙、转子和内定子部分。

从图3中可以看出，新型磁路串联混合励磁复合电机模型通过改变电励磁磁势，即改变通入的直流励磁电流大小，来改变气隙磁场。其中，永磁体磁势Fpm提供主磁通，电励磁磁势Fmf用以调节。

2 结构参数优化设计

本文所提出的磁路串联混合励磁复合电机，在不施加直流励磁电流的情况下，实质上为磁齿轮复合电机结构。为了保证电机具有良好的输出特性，需针对电机的相关结构参数进行优化。由于磁齿轮复合电机结构比较特殊，较传统的永磁同步电机多了一个具有磁通调制作用的调磁环，在电机优化过程中除了要考虑永磁同步电机的结构参数，还需考虑调磁环尺寸对电机性能的影响。本文借助有限元方法以转矩的平稳输出为优化目标，结合电机的相关性能参数对电机进行了优化设计。

2.1 调磁环径向高度优化

调磁环的结构参数包括2个：调磁块的径向高度和周向宽度，并且这2个结构参数对电机的输出转矩性能有着较为明显的影响。本文以调磁环径向高度h为控制变量，在保证内定子外径、气隙长度以及外定子厚度不变的情况下，研究其对输出转矩性能的影响。图4为T随h变化的关系曲线，其中h表示调磁环的径向高度，T表示输出转矩。

从图4中可知，在调磁环径向高度h小于13 mm时，输出转矩线性递增，大于13 mm时，输出转矩呈上下波动，故本文选取13 mm为调磁环径向高度。

2.2 调磁块周向宽度优化

调磁环主要由调磁块和非导磁材料组成，如图5所示，调磁块和非导磁材料对应的圆心角分别为θ1与θ2。调磁块周向所占比例为

K=θ1θ1+θ2×100%。（5）

本文以调磁块圆周方向所占的比例K为控制变量，保持其余结构参数不变，研究参数K对电机输出转矩T的影响。

由图6可以看出，当调磁块所占的周向比例为0.45时，电机输出转矩的峰峰值取得最小值，并且电机的输出转矩接近最大值，故调磁块宽度比例K选取0.45。

2.3 永磁体径向高度优化

不同于传统的永磁同步电机，在磁齿轮复合电机中，随着永磁体厚度的增加，即永磁材料磁化方向长度的增加，电机的输出转矩并不是单调增加，由于永磁体厚度的增加，气隙磁密增大，使得电机的输出转矩变大，与此同时在等效磁路中永磁体的磁阻也会随之增大，使得电机的输出转矩减小，只有当两者达到平衡时，输出转矩才能达到最大值。图7为电机输出转矩T随永磁体高度hm的变化曲线。

由图7中可以看出，在永磁体高度小于8 mm时，转矩受永磁体高度的影响比较明显，而大于8 mm后，转矩增加缓慢，并有下降趋势，材料利用率降低，所以选定永磁体高度为8 mm。

2.4 永磁体极弧系数优化

图8为外定子的1/4模型，磁钢表贴于外定子的内侧，定义缠绕直流励磁绕组的定子齿为一个磁极，与永磁体共同作用在外气隙磁场中构成一对磁极。其中，θ1为直流勵磁绕组定子齿的周向宽度，θ2为直流励磁绕组槽的周向宽度，θ3为永磁体的周向宽度。

在保证外定子齿周向宽度不变的情况下，本文选取的θ1为4.5°，研究永磁体的周向宽度θ3对输出转矩的影响。图9中，左侧纵坐标轴所表示的物理量为输出转矩，右侧纵坐标轴为输出转矩的波动率，其定义及计算方法将在3.3节中介绍。从图中可知，输出转矩与永磁体的周向宽度近似成线性关系，并且转矩的脉动在永磁体的周向宽度为4.5°时取得极小值。

图10为齿槽转矩Tcog随永磁体周向宽度θ3的变化曲线。从图10中可以看出，在永磁体宽度θ3为4°时，齿槽转矩达到最小值。综上，当永磁体的周向宽度为4.5°时，电机的转矩波动率最小，输出转矩相对较大，齿槽转矩接近最小值，即电机转矩输出较为平稳，故选此宽度为永磁体的周向宽度，计算得极弧系数为0.4。

3 电磁性能分析

在对本文提出电机的相关结构参数进行优化后，通过二维有限元方法分析了电励磁部分的调磁性能，并对电机进行了相关电磁计算。

3.1 磁场分析

图11（a）、（b）、（c）为在加不同直流励磁电流情况下，空载时电机某一时刻的磁力线分布图、磁密云图。其中-10 A表示直流励磁绕组加10 A去磁电流，0表示直流励磁绕组不加电流，10 A表示直流励磁绕组加10 A增磁电流。从图11中可以看出，空载时外定子磁力线经调磁环调制后进入到内定子轭中，再由调磁环返回到外定子，形成一个闭合回路。同时，直流励磁部分对电机磁场有明显的增强和削弱作用。

图12为电机在施加不同直流励磁时，电机的径向气隙磁密波形以及谐波分析。从图12（a）、（c）中可知，当施加的直流励磁电流不同时，内外侧径向气隙磁密的幅值也会发生相应的变化，表明直流励磁部分对电机的内、外侧径向气隙磁密有明显的增强和削弱作用，实现了对电机气隙磁场的调节。

图12（b）、（d）通过对径向气隙磁密傅里叶分解，易得外侧径向气隙磁密中16对极谐波含量最大，与外定子磁极数相对应;内侧径向气隙磁密中3对极谐波含量最大，与内定子上电枢绕组产生的3对极旋转磁场相吻合，从而实现电机的正常运转，即外气隙中的16对极磁场经调磁环调制后在内气隙中产生3对极磁场，符合磁通调制原理。

3.2 空载反电势

空载反电势是反映电机调磁能力的重要物理量。在电机转速设置为789.4 r/min情况下，选取A相空载反电势为研究对象，分析电励磁对空载反电势的影响。图13为当直流励磁绕组通10 A电流时，电机的空载反电势波形。其中，永磁体表示永磁体部分单独作用;电励磁表示永磁体不充磁，直流励磁绕组通入10 A电流单独作用;二者共同励磁表示永磁体和直流励磁共同作用。

从图13中可知，3种情况下A相空载反电势波形相位相同，并由仿真计算得到电励磁单独作用、永磁体单独作用和二者共同作用时对应的空载反电势幅值分别近似为78、249和327 V。空载状态下电机内部磁场不是很强，电机的磁路饱和现象可以忽略，最终得到电机的空载反电势近似为永磁体和电励磁产生的反电势之和。综上可得，本文所设计的电机结构符合混合励磁电机的工作原理。

图14为直流励磁绕组侧通入-10、0、10 A电流的空载反电势波形。由图14可知，当直流励磁电流分别为-10、0和10 A时，并通过仿真计算得到空载反电势幅值分别为169、249和327 V，即通过施加直流励磁电流，空载反电势幅值可实现169 V到327 V可调，并且处于不同直流励磁状态下电机的空载反电势波形基本保持正弦，谐波含量少。

3.3 輸出转矩分析

图15为在电机转速为789.4 r/min，电枢电流有效值为7 A，施加不同直流励磁电流情况下对应的输出转矩曲线。

从图15中可知，当直流励磁绕组分别施加-10、0、10 A直流电流时，经仿真计算得到对应的平均输出转矩分别为32.7、47.64和61.36 N·m，对应的转矩峰-峰值分别为1.15、1.5和2.37 N·m，按照计算公式（6）可得对应的转矩脉动分别为1.65%、1.65%和1.95%，实现了电机转矩的平稳输出。

Tr=Tmax-TminTmax+Tmin×100%。（6）

式中：Tr为转矩脉动;Tmax为最大电磁转矩;Tmin为最小电磁转矩。

4 结 论

本文设计了一种串联磁路混合励磁复合电机，阐述了其结构及原理，通过有限元方法对电机性能有较大影响的结构参数进行了优化，结合电励磁部分对电机的调磁性能进行了分析，得到以下结论：

1）通过对电机相关结构参数研究，得出在调磁环高度为13 mm，调磁块周向宽度所占比例为45%，外定子永磁体极弧系数为0.4，高度为8 mm时，电机输出转矩性能最优。

2）利用有限元方法对电机气隙磁密进行计算，发现了引入的电励磁部分对电机的气隙磁场有明显的增强和削弱作用;通过对气隙磁密傅里叶分解，验证了电机结构符合磁通调制原理。

3）通过对电机空载反电势分析，得到电机的空载反电势为永磁体和电励磁在电枢绕组上产生的反电势之和，从而验证了混合励磁的工作原理。此外，电励磁电流在-10～10 A变化时，可实现空载反电势的平稳调节。

4）当电机输入电流有效值为7 A，电机的转速为789 r/min，直流励磁电流分别为-10、0和10 A时，输出转矩也会发生相应的改变，即当电机发生突加或突降负载，电枢绕组产生的电磁转矩不能满足负载转矩时，可通过直流励磁产生的电磁转矩配合永磁转矩共同驱动负载。

5）本文利用复合电机结构的特殊性，在外定子侧引入直流励磁，实现了混合励磁电机的无刷化并且调磁便捷。此外，输出转速为电枢磁场转速的3/19，达到了低速大转矩输出的效果，可直接用于电动汽车、传送机、船舶等直接驱动场合。

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（编辑：刘琳琳）

收稿日期： 2018-06-04

基金项目：国家自然科学基金（51977052）

作者简介：谢 颖（1974—），女，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机内电磁场、温度场、振动噪声计算及感应电机故障诊断及检测;

华邦杰（1994—），男，硕士研究生，研究方向为混合励磁复合电机设计;

黑亮声（1993—），男，硕士研究生，研究方向为磁场调制复合电机的设计;

张晓明（1992—），男，硕士研究生，研究方向为新型场调制电机的设计。

通信作者：谢 颖