李欣哲，竇瑩，吳曦

(1. 無錫供電公司，江蘇 無錫 214000； 2. 南京供電公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

磁通切換型電動(dòng)機(jī)(flux-switchingmachine,FSM)是一種新型無刷結(jié)構(gòu)的雙凸極直流電動(dòng)機(jī)。它具有雙凸極電動(dòng)機(jī)的基本特征，但磁通切換電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和控制策略與雙凸極電動(dòng)機(jī)卻存在很大的差異。磁通切換型電動(dòng)機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)，也可以作為電動(dòng)機(jī)。目前國際上對FSM電動(dòng)機(jī)的研究尚停留在初步理論和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段；就國內(nèi)而言，我國對FSM的研究起步相對較晚，目前仍處于研究的初期階段，且研究成果主要集中在多相永磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算和建模分析，實(shí)際成型的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際的并不多。本文主要闡述了該電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，以期能夠更好地推動(dòng)我國國內(nèi)在磁通切換電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究與發(fā)展。

1 磁通切換型電動(dòng)機(jī)分類

磁通切換型電動(dòng)機(jī)FSM主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式：徑向磁場磁通切換電動(dòng)機(jī)和軸向磁場磁通切換電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)磁通切換的運(yùn)行原理本質(zhì)上完全相同，兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于電動(dòng)機(jī)磁通的路徑不同。按照勵(lì)磁方式劃分，F(xiàn)SM電動(dòng)機(jī)可分為永磁式、電勵(lì)磁式和混合勵(lì)磁式三類，本文主要就這三種電動(dòng)機(jī)來介紹磁通切換型電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

1.1 永磁磁通切換電動(dòng)機(jī)(FSPM)

永磁電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，其永磁體安置在定子“U”型鐵芯之間，避免了永磁體置于轉(zhuǎn)子時(shí)所導(dǎo)致的諸如永磁體固定復(fù)雜、散熱困難、溫升過高等導(dǎo)致的永磁體不可逆退磁等諸多問題。

在1997年的EPE(europeanconferencepowerelectronicsandapplications)會(huì)議上，法國學(xué)者E．Hoang提出了磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)(fluxswitchingpermanentmagnetmachine，F(xiàn)SPM)的概念，發(fā)表了FSPM電動(dòng)機(jī)的學(xué)術(shù)論文，引起了廣泛的關(guān)注[1]。該文章介紹了一種三相FSPM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，其定子有12個(gè)齒，轉(zhuǎn)子有10極，且定子上嵌有12塊鐵氧體材料的永磁體，并闡述了該電動(dòng)機(jī)的磁通切換原理，采用二維有限元法分析了電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性。2003年，作為歐洲航空局“poweroptimisedaircraft”計(jì)劃的一部分，針對航天器中加油裝置，研究了其中電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)從永磁材料的選擇上比較了不同材料對該電動(dòng)機(jī)性能的影響[2]。法國BrittanyBranchCampusofENSdeCachan通過比較了不同永磁材料對FSPM性能的影響，將該電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于油枕，減小非推進(jìn)損耗，改善系統(tǒng)性能和提高效率[3]。2005年，羅切斯特大學(xué)Y.Cheng將永磁體代替兩相電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)中的直流勵(lì)磁繞組，提出了單相8/4極FSPM[4]，按照獲取平頂波感應(yīng)電動(dòng)勢的要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，且通過改變轉(zhuǎn)子外形獲取啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。英國Sheffield大學(xué)的Z.Q.Zhu教授對磁通切換電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多種拓?fù)溲芯?，包括交錯(cuò)極繞線、E型鐵心、C型鐵心和多齒等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。東南大學(xué)花為等設(shè)計(jì)出一種兩相、四相U型鐵心永磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)，在兩相運(yùn)行時(shí)可以減少功率電子元件數(shù)，節(jié)省成本，且具有容錯(cuò)能力[6]。2013年，高亞軍等提出了一種新型五相磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)，并研究了該電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)控制策略[7]。東南大學(xué)的林明耀教授提出了一種雙定子單轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)軸向磁場磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)，并對電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、靜態(tài)特性和齒槽轉(zhuǎn)矩抑制進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究[8]，該電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制靈活、功率/轉(zhuǎn)矩密度高。

1.2 電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)(FSEM)

1999年，Leicester大學(xué)C.Pollock教授提出了磁通切換型兩相電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)(fluxswitchingelectro-magnetmachine，F(xiàn)SEM)[9]，凸極轉(zhuǎn)子上沒有永磁體和繞組，4個(gè)定子槽中2個(gè)放置電流極性不變的勵(lì)磁繞組“F”，另外2個(gè)放電樞繞組“A”，勵(lì)磁繞組和電樞繞組均跨越2個(gè)定子齒。2011年，王宇、鄧智泉等提出兩種新的FSEM電動(dòng)機(jī)，如圖1、圖2所示，其定子磁鏈為雙極性，定子磁鏈與反電勢波均體現(xiàn)出較高的正弦度，適合在無刷交流場合運(yùn)行[10]。

電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁繞組通過的是直流電，電樞繞組中交變的電流方向決定了電動(dòng)機(jī)中的磁通方向，勵(lì)磁繞組可以采用與電樞繞組串聯(lián)的方式(在電流較大，電壓較低情況下)，也可以采取并聯(lián)的方式(在繞組匝數(shù)較多情況下)分別如圖3(a)、圖3(b)所示。串聯(lián)方式中，勵(lì)磁繞組也擔(dān)負(fù)著濾波器的作用。

圖1 電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)1

圖2 電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2

圖3 兩相電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組連接方式

1.3 混合勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)

混合勵(lì)磁型磁通切換電動(dòng)機(jī)(fluxswitchinghybridexcitationmachine，F(xiàn)SHM)是在永磁磁通切換電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種新型無刷電動(dòng)機(jī)，其永磁體、電樞繞組和勵(lì)磁繞組都置于定子內(nèi)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、可靠，適合高速運(yùn)行。

FSHM電動(dòng)機(jī)中兩個(gè)磁勢源同時(shí)存在，一是永磁體，它在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)基本不變的磁通；另一個(gè)是勵(lì)磁繞組，在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組上的電流大小和方向，使得氣隙中的磁通發(fā)生變化。它集成了FSEM調(diào)磁方便和FSPM效率高、轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了FSPM磁場調(diào)節(jié)難的缺陷，可以有效利用永磁材料，減小電動(dòng)機(jī)體積，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2007年，法國學(xué)者E.Hoang繼1997年發(fā)表三相FSPM學(xué)術(shù)論文后，又推出了12/10極三相雙勵(lì)磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)[11]。此后，東南大學(xué)和南京航空航天大學(xué)提出了新型三相雙勵(lì)磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)[12-14]。浙江大學(xué)又于2009年提出了2倍于FSPM永磁體數(shù)的雙勵(lì)磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)[15]。2008年，由許澤剛等提出的并列式混合勵(lì)磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)[16]，由電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)和永磁磁通切換電動(dòng)機(jī)并列組合而成(圖4)，現(xiàn)在已成為磁通切換電動(dòng)機(jī)的熱點(diǎn)。2個(gè)電動(dòng)機(jī)共用殼體和轉(zhuǎn)軸，電樞繞組相串聯(lián)，但電樞和轉(zhuǎn)子互相獨(dú)立，中間用隔磁環(huán)(氣隙)隔開，真正實(shí)現(xiàn)了兩部分氣隙磁場的疊加，永磁段與電勵(lì)磁段部分鐵心長度的比例可以根據(jù)應(yīng)用場合進(jìn)行調(diào)整。東南大學(xué)林明耀教授提出了混合勵(lì)磁軸向磁場磁通切換永磁電動(dòng)機(jī)，兼具軸向磁場和混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，適合電動(dòng)汽車等寬調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用，并對該電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制技術(shù)進(jìn)行了研究[17-18]。為避免永磁體、電樞繞組和勵(lì)磁繞組均位于定子上的擁擠情況，Z.Q.Zhu教授提出了定子分割式混合勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)[19-22]，該電動(dòng)機(jī)由內(nèi)外定子和中間鐵塊轉(zhuǎn)子組成，大大改善電動(dòng)機(jī)的空間利用率。

1—?dú)んw；2—永磁段定子；3—永磁段電樞繞組；4—?jiǎng)?lì)磁繞組；5—永磁體；6—電勵(lì)磁段轉(zhuǎn)子；7—轉(zhuǎn)軸；8—電勵(lì)磁段電樞繞組；9—電勵(lì)磁段定子；10—永磁段轉(zhuǎn)子圖4 8/4極并列式混合勵(lì)磁磁通切換型電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 磁通切換電動(dòng)機(jī)的分析方法

磁通切換電動(dòng)機(jī)的研究方法主要包括有限元法和等效磁路法等方法。下面主要通過對永磁型磁通切換電動(dòng)機(jī)的的研究方法發(fā)展，來了解磁通切換電動(dòng)機(jī)的分析方法。

2.1 有限元分析法

有限元法是分析、研究電動(dòng)機(jī)特性的一種主要方法，主要通過有限元軟件(如ANSYS，ANSOFT等)來實(shí)現(xiàn)，對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模、加載、計(jì)算和分析，目前已成為一種比較成熟的方法。Z.Azar和Y.Pang等分析了漏磁與渦流對FSPM電動(dòng)機(jī)特性的影響，通過對一臺(tái)多齒FSPM電動(dòng)機(jī)(定子6-4齒/轉(zhuǎn)子19極)進(jìn)行研究，計(jì)算出端部效應(yīng)和磁路的交叉耦合對FSPM電動(dòng)機(jī)電磁特性的影響，并通過有限元分析計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算分析[23]。AymanM.EL-REfaie和A.S.Thomas等研究了多相FSPM電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化方法，在航天領(lǐng)域中如何應(yīng)用FSPM電動(dòng)機(jī)，并采用有限元法對FSPM電動(dòng)機(jī)的電磁特性進(jìn)行了計(jì)算分析[24]。A.S.Thomas和Y.Wang等采用有限元的方法計(jì)算了FSPM電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置處的齒槽轉(zhuǎn)矩以及諧波分量，給出了抑制電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的具體措施[25]。Y.Pang和J.T.Chen[26]等對比分析不同類型的永磁電動(dòng)機(jī)，采用有限元法計(jì)算了FSPM電動(dòng)機(jī)在不同參數(shù)情況下的靜態(tài)電磁特性，對比分析結(jié)果，得到FSPM電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)尺寸參數(shù)，實(shí)際的樣機(jī)測試也驗(yàn)證了有限元分析得出的結(jié)論。在文獻(xiàn)[27]中，Z.Q.Zhu教授建立了電動(dòng)機(jī)的磁網(wǎng)絡(luò)模型，解析計(jì)算了該電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性，并與有限元法的計(jì)算結(jié)果比較，表明了磁網(wǎng)絡(luò)模型也具有較高的準(zhǔn)確性，并實(shí)驗(yàn)測試了樣機(jī)的反電動(dòng)勢和電感等靜態(tài)參數(shù)。

2.2 等效磁路法

等效磁路法是計(jì)算、分析電動(dòng)機(jī)電磁特性的另一種重要方法。相比有限元分析法，它具有計(jì)算時(shí)間短，方便、快捷，且占有CPU容量小的特點(diǎn)。Y.Pang和G.Zhang等分別對FSPM電動(dòng)機(jī)建立了非線性模塊化參數(shù)磁路模型，所建模型均屬于平面結(jié)構(gòu)的二維模塊化參數(shù)磁路模型，所不同的是G.Zhang等建立的是考慮導(dǎo)磁橋的FSPM電動(dòng)機(jī)非線性參數(shù)化磁路模型[28]。Yu.Chen等對單相FSPM電動(dòng)機(jī)建立了三維模塊化參數(shù)磁路模型，并利用等效磁路模型計(jì)算出FSPM電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性，等效磁路的計(jì)算結(jié)果與有限元方法以及樣機(jī)的實(shí)際測試結(jié)果吻合度很高[29]。J.T.Chen等建立了FSPM電動(dòng)機(jī)的雙模塊參數(shù)化磁路模型，該模型能分析電動(dòng)機(jī)的磁路飽和與交錯(cuò)耦合效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更精確[30]。太平洋科學(xué)宇航電動(dòng)力學(xué)部的Bangura博士給出了兩相電勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系式和輸出功率尺寸方程還介紹了基于行為級建模和時(shí)步有限元的繞組電感和匝數(shù)計(jì)算方法[31]。英國的Z.Q.Zhu教授又從FSPM電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度，闡述了各類FSPM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括永磁式、電勵(lì)磁式、混合勵(lì)磁式等諸多類型，為研究這三種電動(dòng)機(jī)提供了參考[32]。

國內(nèi)電動(dòng)機(jī)界的研究者們對磁通切換電動(dòng)機(jī)的研究工作也已逐步展開，諸多高校以及研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)有了較為深入的研究并取得了較大的成果，東南大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、南京航天航空大學(xué)這幾所學(xué)校的研究者已經(jīng)走在了對磁通切換電動(dòng)機(jī)研究者的前列。

3 磁通切換電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢

磁通切換電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用，適合寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，具有較高的功率密度和效率，且反電動(dòng)勢常數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩高于磁鏈為單極性的普通雙凸極電動(dòng)機(jī)。但是磁通切換電動(dòng)機(jī)仍有些問題需要解決，如：鐵損對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和控制方面的影響，特定的應(yīng)用場合的電動(dòng)機(jī)技術(shù)也亟待解決。就目前而言，磁通切換電動(dòng)機(jī)的研究尚處在初級階段，尚無成熟產(chǎn)品。我國在磁通切換電動(dòng)機(jī)方面的研究起步較晚，同時(shí)參與研究的機(jī)構(gòu)也較少。對于磁通切換電動(dòng)機(jī)，可以借鑒研究永磁同步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和雙凸極電動(dòng)機(jī)的一般方法、原理以及成果，力求在電動(dòng)汽車和風(fēng)力發(fā)電等綠色、環(huán)保能源領(lǐng)域?qū)で笸黄?。相關(guān)切入點(diǎn)有[33-34]：

1) 開展磁通切換發(fā)電動(dòng)機(jī)的研究。對三種電動(dòng)機(jī)開展綜合全面的研究，并通過實(shí)際測試及計(jì)算，研究其特性，發(fā)揮其實(shí)際作用。

2) 混合勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)的合理結(jié)構(gòu)的研究。在深入分析永磁雙凸極、磁通反向電動(dòng)機(jī)等定子永磁型電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，參考混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合永磁材料技術(shù)和鐵心軟磁材料等技術(shù)的最新發(fā)展，探索合理的混合勵(lì)磁磁通切換電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

3) 探索電動(dòng)機(jī)與變換器的最佳匹配。充分考慮電動(dòng)機(jī)本體與控制器之間的相互影響和相互作用，從系統(tǒng)的高度綜合電動(dòng)機(jī)本體與控制器的要求，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇變換器拓?fù)?，確定功率器件參數(shù)和控制策略，以其達(dá)到綜合性能最優(yōu)和成本最低。

4) 研究方法的改進(jìn)。借助于有限元分析軟件改進(jìn)非線性建模方法，將現(xiàn)代控制理論方法與瞬態(tài)聯(lián)合仿真技術(shù)相結(jié)合，建立磁通切換電動(dòng)機(jī)動(dòng)、靜態(tài)特性分析的一般方法。

5) 可靠性技術(shù)研究。研究多余度結(jié)構(gòu)的磁通切換電動(dòng)機(jī)，提出切實(shí)可行的余度結(jié)構(gòu)方案；研發(fā)模塊化、集成化的控制器，優(yōu)化軟、硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。

6) 磁通切換型電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)的比較研究。通過對功率密度、負(fù)載特性、電磁特性、控制策略、可靠性、溫升、振動(dòng)、電動(dòng)機(jī)及控制器成本等諸多因素的比較，揭示各自的使用特點(diǎn)。