章 超， 陳 棟

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

0 引 言

稀土永磁電機(jī)是利用稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力制造的新型永磁電機(jī)[1]，其工作效率高、損耗小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。永磁材料產(chǎn)生的恒定磁場使永磁電機(jī)存在電壓難以調(diào)節(jié)和調(diào)速范圍窄等缺點(diǎn)，限制了其在恒壓發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。因此，通過電勵磁來調(diào)節(jié)永磁電機(jī)內(nèi)氣隙磁場的混合勵磁電機(jī)倍受關(guān)注[2,3]。

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、石油開采、數(shù)控機(jī)床及電動汽車等產(chǎn)業(yè)的興起，很多場合需要高效率、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī)。盤式結(jié)構(gòu)電機(jī)優(yōu)勢日益凸顯，軸向磁場電機(jī)的氣隙是平面的，氣隙磁通方向?yàn)檩S向。該類電機(jī)具有轉(zhuǎn)子鐵心利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸短、重量輕、體積小和散熱性好等優(yōu)點(diǎn)，可滿足在多對極條件下的低速運(yùn)行需要。

磁通切換型混合勵磁電機(jī)的研究尚處于起步階段。法國學(xué)者E.Hoang提出了一種磁通切換型混合勵磁永磁電機(jī)，英國Sheffield大學(xué)ZHU Z Q教授等專家學(xué)者對該類電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得顯著成果[4-6]。國內(nèi)東南大學(xué)程明教授等也提出了新型磁通切換型混合勵磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并試制了樣機(jī)[7-9]?，F(xiàn)在國內(nèi)外對該類電機(jī)的結(jié)構(gòu)對比分析，特別是其混合勵磁的結(jié)構(gòu)方式?jīng)]有特定的研究，對該類電機(jī)設(shè)計(jì)研究缺少理論依據(jù)。

本文根據(jù)定、轉(zhuǎn)子之間的組合方式及勵磁繞組的布置方式提出兩種軸向磁通切換型混合勵磁(Axial Flux-Switching Hybrid Excitation, AFSHE)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對這兩種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了比較分析。結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作機(jī)理，基于有限元法研究得出兩種電機(jī)的空載電樞繞組磁鏈、感應(yīng)電動勢和繞組電感等電磁特性。另外，對比兩種電機(jī)在相同勵磁電流下的調(diào)磁效果，分析出兩種電機(jī)的優(yōu)越性。選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)在恒壓發(fā)電和恒功率寬調(diào)速驅(qū)動等領(lǐng)域可得到更好拓展，對該類電機(jī)的研究、推廣都有理論和實(shí)踐意義[10-12]。

1 AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)

為了克服單邊磁拉力，AFSHE電機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。兩個轉(zhuǎn)子對稱分布于電機(jī)定子兩側(cè)，通過軸承固定于電機(jī)端蓋上。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子齒和轉(zhuǎn)子磁軛兩部分組成，其中轉(zhuǎn)子齒周向均勻分布在轉(zhuǎn)子磁軛的表面。在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子齒還起到風(fēng)扇的作用，有利于電機(jī)散熱、降低熱損、提高電機(jī)效率。電機(jī)定子由12個“H”型單元定子鐵心拼裝成圓形，其結(jié)構(gòu)簡單。電樞繞組采用集中繞組，電樞繞組周向分布在由永磁體和勵磁繞組隔開的相鄰單元定子槽中，永磁體交替切向充磁。串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示，串勵式AFSHE電機(jī)是將勵磁繞組直接纏繞在永磁體上，其永磁磁勢和電勵磁磁勢呈串聯(lián)狀態(tài)。在單元定子鐵心中間，永磁體切向充磁，勵磁繞組軸向纏繞在永磁體表面，在勵磁繞組中通入直流電產(chǎn)生軸向磁場，即可調(diào)節(jié)氣隙磁場。

并勵式AFSHE電機(jī)則是將永磁磁路和電勵磁磁路設(shè)計(jì)為完全并列磁路。圖1(b)給出了兩部分完全并列的軸向磁通切換型混合勵磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，永磁體和勵磁繞組安置在單元定子鐵心中間，永磁體在勵磁繞組的下面，勵磁繞組則纏繞在勵磁鐵心柱上。電機(jī)定子鐵心由隔磁塊將其分為互不導(dǎo)磁的兩部分，形成并聯(lián)磁鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。由于永磁體產(chǎn)生的主磁通不經(jīng)過勵磁繞組，理論上該結(jié)構(gòu)可避免永磁體的退磁風(fēng)險。

綜上，串勵式AFSHE電機(jī)均采取永磁體上纏繞勵磁繞組，當(dāng)在電機(jī)工作時，由勵磁電流產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致永磁體的溫度升高，從而使永磁體存在退磁的風(fēng)險。此外，電勵磁磁路中包括永磁磁阻，為產(chǎn)生一定的電勵磁磁通，需要更多的勵磁匝數(shù)，導(dǎo)致勵磁損耗增加、發(fā)熱加劇、電機(jī)運(yùn)行效率進(jìn)一步降低。

然而，由于并勵式AFSHE電機(jī)采取并聯(lián)磁鏈?zhǔn)絼畲欧绞剑磩畲盆F心柱與定子鐵心構(gòu)成一個整體，當(dāng)勵磁繞組通入直流電時，永磁磁勢和電勵磁磁勢相并聯(lián)。此種電機(jī)可避免永磁體退磁的風(fēng)險；另外，由于采用鐵心分層的結(jié)構(gòu)，可防止永磁磁鏈通過勵磁鐵心柱形成短路，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。

2 電機(jī)磁路對比分析

串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)都具有磁通切換型電機(jī)的工作特點(diǎn)。磁通切換是指繞組里匝鏈的磁通根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置切換方向和數(shù)量，即改變正負(fù)極性和數(shù)值大小?；谠撛?，串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)的磁通路徑分別如圖2和圖3所示。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，繞組里匝鏈的永磁磁通在正負(fù)最大值之間呈周期性變化。根據(jù)法拉第定律，繞組兩端產(chǎn)生幅值和相位交變的反電動勢。

圖2 串勵式AFSHE電機(jī)的磁通路徑

圖3 并勵式AFSHE電機(jī)的磁通路徑

AFSHE電機(jī)中存在永磁磁勢及電勵磁磁勢兩個磁勢源。當(dāng)勵磁電流>0時，電機(jī)合成氣隙磁場增強(qiáng)，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈增多，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)增大。此時，勵磁電流對永磁體起增磁作用。同理，當(dāng)勵磁電流<0時，電機(jī)合成氣隙磁場被削弱，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈減少，繞組感應(yīng)電動勢也相應(yīng)減小。此時，勵磁電流對永磁體起弱磁作用。

結(jié)合串勵式AFSHE電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁通路徑，永磁磁通由永磁體N極出發(fā)，經(jīng)“H”型單元定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子磁軛、相鄰的轉(zhuǎn)子齒、氣隙、相鄰的“H”型單元定子鐵心，再回到永磁體S極。永磁磁通參與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，作為電機(jī)的主磁通。但由于串勵式電機(jī)的磁路為串聯(lián)磁路，當(dāng)電機(jī)通以直流勵磁電流時，其工作磁路與永磁體單獨(dú)工作時的磁路完全相同。作為混合勵磁電機(jī)，由永磁體和電勵磁共同提供磁勢源，串勵式電機(jī)的磁勢源由永磁磁勢和電勵磁磁勢串聯(lián)形成。串勵式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型如圖4所示。

圖4 串勵式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型

并勵式電機(jī)的主磁路與串勵式相同，但并勵式電機(jī)的磁路為并聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)電機(jī)通以直流勵磁電流時，其電勵磁磁路與永磁磁路完全獨(dú)立。并勵式結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁勢源由永磁磁勢和電勵磁磁勢并聯(lián)產(chǎn)生。氣隙中的總磁通為永磁體產(chǎn)生的磁通Φpm與電勵磁產(chǎn)生的磁通Φe之和。并勵式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型如圖5所示。

圖5 并勵式AFSHE電機(jī)的等效磁路模型

3 電磁特性及調(diào)磁特性

為比較串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)在相同情況下的電磁特性與調(diào)磁特性的差異，給兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)選取了相同的主要參數(shù)，如表1所示?；谟邢拊ǚ謩e計(jì)算兩種電機(jī)的空載磁通、反電勢和繞組電感等，并得出結(jié)論。

表1 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 空載磁通對比

通過有限元分析軟件Ansys12.0，得到了串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)在空載時電樞繞組磁通在一個電周期內(nèi)的變化規(guī)律。串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)空載磁通對比如圖6所示。從圖形中可看出兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通大體相同，在電樞中產(chǎn)生的反電勢也近乎相同。但串勵式采取了永磁體與電勵磁串聯(lián)的方式，使用永磁體材料比并勵式更多。出于對稀土材料價格、制造工藝和對溫度產(chǎn)生不可逆退磁方面的考慮，并勵式AFSHE電機(jī)的優(yōu)越性更加突顯。

圖6 串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)空載磁通對比

3.2 電感特性比較

繞組電感是衡量電機(jī)電磁特性的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過磁鏈法分別計(jì)算串勵式和并勵式AFSHE電機(jī)的電樞繞組電感和勵磁繞組電感。

(1) 不加勵磁電流的情況下，加電樞電流，求電樞繞組的自感。以A相為例計(jì)算磁通切換型混合勵磁電機(jī)電樞繞組的電感。向A相電樞繞組注入電樞直流電流IA時，A相電樞繞組產(chǎn)生由永磁磁鏈ψmA和電樞反應(yīng)磁鏈ψA共同作用下的合成磁鏈。由此，A相電樞繞組產(chǎn)生的自感LAA可表示為

式中：N——電樞繞組匝數(shù)；

φA——電樞電流與永磁體共同作用時通過A相繞組的磁通；

φmA——永磁體單獨(dú)作用時產(chǎn)生的磁通。

根據(jù)式(1)可得串勵式和并勵式AFHES電機(jī)電樞繞組A相自感曲線如圖7所示。

由圖7可知，串勵式和并勵式AFHES電機(jī)電樞繞組上的自感的呈現(xiàn)規(guī)律保持一致；在幅值上，并勵式AFHES電機(jī)略高于串勵式AFHES電機(jī)。

(2) 在不加電樞電流的情況下，加勵磁電流，求勵磁繞組的自感?？赏ㄟ^向勵磁繞組中注入直流電，得勵磁繞組自感為

(2)

式中：N——電樞繞組匝數(shù)；

φf——勵磁繞組與永磁體共同作用時通過勵磁繞組的磁通；

φmf——永磁體單獨(dú)作用時產(chǎn)生的磁通。

根據(jù)式(2)可得串勵式和并勵式AFHES電機(jī)勵磁繞組自感曲線，如圖8所示。

圖8 串勵式和并勵式AFHES電機(jī)勵磁繞組自感曲線

對比串勵式和并勵式AFHES電機(jī)的勵磁繞組自感，兩者在一個電周期內(nèi)幾乎保持不變。但是在賦值上，并勵式AFHES電機(jī)明顯高于串勵式AFHES電機(jī)，這驗(yàn)證了兩種電機(jī)在調(diào)磁特性上存在差異。根據(jù)ψ=Li可知，當(dāng)勵磁電流一定時，勵磁磁通與勵磁繞組自感成正比。綜上，并勵式電機(jī)的合成磁通大于串勵式，即調(diào)磁特性優(yōu)于串勵式AFSHE電機(jī)。

3.3 空載調(diào)磁特性

AFHES電機(jī)的空載調(diào)磁特性可定義： 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，電樞繞組匝鏈磁鏈隨勵磁電流變化的規(guī)律，可作為衡量混合勵磁電機(jī)調(diào)磁效果的依據(jù)。對空載調(diào)磁特性有限元計(jì)算，得串勵式和并勵式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能，如圖9所示。由圖可知，兩種電機(jī)調(diào)磁效果都較明顯。并勵式電機(jī)的電感相對轉(zhuǎn)子位置的斜率明顯大于串勵式電機(jī)，并勵式電機(jī)的調(diào)磁效果優(yōu)于串勵式電機(jī)；但從調(diào)磁范圍來看，并勵式AFHES電機(jī)在勵磁電流為6A時出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到飽和趨勢，而串勵式電機(jī)在-4～10A都呈現(xiàn)直線形式，處于不飽和狀態(tài)下。所以串勵式AFHES電機(jī)調(diào)磁范圍較并勵式電機(jī)來說相對更寬。

圖9 串勵式和并勵式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能

通過在串勵式和并勵式AFHES電機(jī)的勵磁繞組中施加直流電流，計(jì)算電機(jī)的空載磁場分布規(guī)律，經(jīng)處理可得勵磁電流分別為-3、0、3A三種情況時的電樞繞組磁通和反電動勢波形，分別如圖10和圖11所示。由圖可知，當(dāng)勵磁電流在-3～3A變化時，串勵式和并勵式AFHES電機(jī)的電樞線圈磁通皆會產(chǎn)生弱磁或者增磁的現(xiàn)象，無論是電樞磁通還是反電勢，并勵式AFHES電機(jī)的調(diào)磁性能更突出，電樞磁通變化更明顯，電機(jī)調(diào)磁效果更好。

圖10 串勵式和并勵式AFHES電機(jī)在不同勵磁電流下電樞繞組的磁通

圖11 串勵式和并勵式AFHES電機(jī)在不同勵磁電流下反電勢

4 結(jié) 語

本文對比分析了串勵式和并勵式軸向磁通切換型混合勵磁電機(jī)的特性，采用有限元方法分析了電機(jī)內(nèi)部空載三維磁場分布，比較分析了串勵式和并勵式電機(jī)的三相電樞繞組磁鏈在一個電周期內(nèi)變化規(guī)律。根據(jù)磁鏈法得到了電機(jī)的電樞繞組及勵磁繞組自感等參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置角變化的規(guī)律，并分析了電機(jī)的空載調(diào)磁特性。結(jié)果驗(yàn)證了并勵式電機(jī)的調(diào)磁效果優(yōu)于串勵式電機(jī)。通過對比分析表明，并勵式AFSHE電機(jī)的總體性能優(yōu)于串勵式AFSHE電機(jī)，且并勵式電機(jī)的實(shí)用性更高，對并勵式軸向切換型混合勵磁電機(jī)的研究具有科研價值。

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