王世永，劉 旭，董丹陽，王建飛

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室 河北工業(yè)大學，天津 300130； 2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室 河北工業(yè)大學，天津 300130; 3.中國船舶重工集團公司第七0七研究所，天津 300130)

0 引 言

由于永磁電機具有較高轉矩密度和效率，它在電動汽車、航空航天、機械加工以及可再生能源等領域的應用越來越廣泛。將永磁體和電樞繞組放置在電機定子上，開關磁鏈電機中永磁體產生的損耗容易耗散，具有較高的可靠性[1-11]。然而，傳統(tǒng)開關磁鏈電機直軸電感較小，調速范圍較窄，限制了該類電機在電動汽車和混合電動汽車等領域的應用[11]。

為了提高開關磁鏈電機的弱磁性能和調速區(qū)間，混合勵磁開關磁鏈電機(以下簡稱HESFPM電機)被提了出來[13]。通過在定子槽中放置直流勵磁繞組，實現(xiàn)對氣隙磁場的調節(jié)。文獻[12-14]介紹了新型混合勵磁雙凸極永磁電機的設計、磁場調節(jié)特性分析及其實驗研究。在文獻[15-21]中，不同結構的HESFPM電機表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的開關磁鏈電機更好的弱磁能力。文獻[20-21]比較研究了直流勵磁繞組放置在不同位置時的HESFPM電機調磁性能。因為直流勵磁繞組和電樞繞組都是位于定子上，所以直流勵磁繞組槽面積的增加必然會導致永磁體用量或電樞繞組槽面積的減少。第一種HESFPM電機(以下簡稱HESFPM-1)如圖1(a)所示，直流勵磁繞組僅占用部分永磁體體積，電樞繞組槽面積不受影響。而在第二種HESFPM電機(以下簡稱HESFPM-2)中，如圖1(b)所示，直流勵磁繞組的使用不僅減小了永磁體體積，而且也減小了電樞繞組的槽面積。因此，本文通過對兩種不同結構HESFPM電機的優(yōu)化，分析比較了兩種不同直流勵磁繞組位置對HESFPM 電機弱磁性能及調磁能力的影響。

(a) HESFPM-1拓撲結構

本文以12/10 HESFPM電機為例，首先介紹了兩種不同類型的HESFPM電機的拓撲結構、工作原理和優(yōu)化設計。其次，分析比較了兩種電機在不同電樞繞組槽面積比下的轉矩和調磁性能以及兩種HESFPM電機分別在相同調磁系數(shù)和相同輸出轉矩兩種條件下的轉矩、磁鏈和反電動勢等電磁性能以及調磁性能。此外，分析比較了永磁體長度和寬度以及定子齒寬對兩種電機調磁能力的影響。

1 電機拓撲結構和工作原理

1.1 電機拓撲結構

兩種不同結構的12/10 HESFPM電機結構如圖1所示。HESFPM-1中的直流勵磁繞組取代了傳統(tǒng)開關磁鏈電機的部分永磁體，而HESFPM-2的直流勵磁繞組放置在傳統(tǒng)的開關磁鏈電機的軛部上，并且有導磁橋結構。與直流勵磁繞組槽面積有限的HESFPM-1相比，采用不同勵磁繞組放置位置的HESFPM-2的直流勵磁繞組槽面積更大，在直流勵磁繞組的設計上具有較高的靈活性。通過優(yōu)化設計，HESFPM-1，HESFPM-2的主要設計參數(shù)如表1所示。為了更好地比較不同結構的HESFPM電機性能，兩種電機在主要設計尺寸方面采取相同的尺寸：定子外徑和沖片寬度分別為90mm和25mm，導磁橋厚度1 mm，轉子結構相同。兩種電機的定子軛寬不同，電機定子沖片直徑90mm，因此電機體積相同。

表1 HESFPM電機主要設計參數(shù)

1.2 調磁工作原理

HESFPM-1, HESFPM-2調磁的工作原理如圖2所示。HESFPM-1, HESFPM-2在永磁體勵磁下的磁路如圖2(a)、圖2(c)所示。由于導磁橋的作用，使得部分永磁體磁通短路。HESFPM-1 和HESFPM-2 電機在永磁勵磁和正向直流勵磁(增磁)下的磁通分布如圖2(b)、圖2(d)所示，即增強電機氣隙磁通密度。而施加反向直流勵磁電流，電機的氣隙磁通密度削弱。

(a) HESFPM-1永磁體勵磁

(b) HESFPM-1永磁體+電勵磁

(c) HESFPM-2永磁體勵磁

(d) HESFPM-2永磁體+電勵磁

為了評估電機的調磁能力，調磁系數(shù)定義如下：

(1)

式中：Ψpm,Ψmax,Ψmin分別代表了永磁磁鏈幅值和最大直流勵磁電流下的增磁磁鏈與弱磁磁鏈。

直流勵磁繞組和電樞繞組槽面積比γs定義：

式中：Sdc指的是直流勵磁繞組槽面積；Sac指的是電樞繞組槽面積。

如圖1(a)所示，HESFPM-1的直流勵磁槽面積的增加會減小永磁體體積。對HESFPM-1和HESFPM-2，電機定子槽面積可以通過改變永磁體寬度、長度以及在不改變永磁磁鏈的情況下通過改變定子齒寬、定子軛寬、導磁橋寬度以及直流勵磁槽寬度，以實現(xiàn)電機電樞繞組槽面積和直流勵磁繞組槽面積的變化，進而改變電機性能。但是由于HESFPM-1和HESFPM-2結構的不同，尺寸的改變對電機槽面積的影響程度不同，因此針對不同電機結構參數(shù)，分析了兩種電機的槽面積比變化范圍以及電機轉矩和調磁性能。

2 永磁體對電機轉矩和調磁的影響

2.1 永磁體長度對電機的影響

圖3比較了永磁體長度對兩種電機槽面積的影響。由分析結果可知，HESFPM-1永磁體長度主要影響勵磁繞組槽面積，而電機電樞繞組槽面積保持不變。隨著永磁體長度在4～14 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在0～0.5范圍內遞減。HESFPM-2永磁體的改變使得電機的定子結構發(fā)生變化，電機的電樞繞組槽面積和勵磁繞組槽面積都隨著永磁體改變而產生明顯變化。隨著永磁體長度在4～14 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在0～20范圍內遞減。

(a) HESFPM-1槽面積變化

(b) HESFPM-2槽面積變化

不同永磁體長度對HESFPM-1和HESFPM-2轉矩和調磁系數(shù)的影響如圖4所示。隨著永磁體長度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2轉矩增大，但是相同永磁體下的HESFPM-1的轉矩值大于HESFPM-2。隨著永磁體長度的增加，兩種電機的調磁系數(shù)都隨之減少，但在相同永磁體長度時，HESFPM-2具有更高的調磁系數(shù)。在電機設計中，HESFPM-1對槽面積比變化更加敏感，而HESFPM-2轉矩和調磁性能受槽面積比影響變化比較緩慢。

(a) 轉矩

(b) 調磁系數(shù)

當HESFPM電機的直流勵磁繞組和電樞繞組通入相同的電流密度(5 A/mm2)，電機電磁轉矩和調磁系數(shù)隨直流勵磁繞組與電樞繞組槽面積比的變化如圖5所示。從圖5中可以看到，HESFPM-1的最大槽面積比γs僅只能達到0.58，然而 HESFPM-2的最大槽面積比γs可以達到6以上。圖5(b)為電機轉矩隨直流勵磁繞組與電樞繞組槽面積比變化的曲線。在相同直流勵磁繞組與電樞繞組槽面積比下，HESFPM-2的轉矩比HESFPM-1大。

(a) 調磁性能

(b) 轉矩

2.1.1 相同調磁系數(shù)

如圖6所示，隨著調磁系數(shù)增大，HESFPM-1與

圖6 不同調磁系數(shù)下HESFPM-1和HESFPM-2轉矩曲線

HESFPM-2之間的轉矩差值越來越大。當HESFPM-1和HESFPM-2在相同的調磁系數(shù)下，HESFPM-1的轉矩值更大。

2.1.2 相同輸出轉矩

圖7為HESFPM-1和HESFPM-2在不同的輸出轉矩下的調磁系數(shù)。從圖7可知，HESFPM-1的調磁系數(shù)更大，但是隨著轉矩值增大，HESFPM-1與HESFPM-2的調磁系數(shù)越來接近。

圖7 不同轉矩下HESFPM-1和HESFPM-2的 調磁系數(shù)曲線

2.2 永磁體寬度對電機的影響

圖8比較了永磁體寬度對HESFPM-1和HESFPM-2槽面積的影響。由分析結果可知，永磁體寬度對HESFPM-1電樞繞組槽面積影響比較大。隨著永磁體寬度在1～5 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在0.1～0.5范圍內遞增。HESFPM-2永磁體寬度的改變使得電機的定子結構發(fā)生變化，電機的電樞繞組槽面積發(fā)生明顯改變，但勵磁繞組槽面積保持不變。隨著永磁體寬度在1～5 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在2.5～5.5范圍內遞減。

(a) HESFPM-1

(b) HESFPM-2

不同永磁體寬度對HESFPM-1和HESFPM-2轉矩和調磁系數(shù)的影響如圖9所示。隨著永磁體寬度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2轉矩都會先增大后減少，但是相同永磁體寬度下的HESFPM-1的轉矩值大于HESFPM-2。HESFPM-1轉矩隨永磁體寬度變化明顯，轉矩最大值大約在永磁體寬度為3.6mm，而HESFPM-2永磁體寬度隨永磁體寬度變化平緩，轉矩最大值出現(xiàn)在永磁體寬度3 mm左右。隨著永磁體寬度的增加，兩種電機的調磁系數(shù)都隨之減小，但在相同永磁體寬度時，HESFPM-2具有更大的調磁系數(shù)。

(a) 轉矩

(b) 調磁系數(shù)

3 定子齒寬對電機轉矩和調磁性能的影響

圖10比較了定子齒寬對兩種電機槽面積的影響。由分析結果可知，HESFPM-1定子齒寬主要影響電樞繞組槽面積，電機勵磁繞組槽面積保持不變。隨著定子齒寬在1～4 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在0.15～0.35范圍內遞增。HESFPM-2定子齒寬的改變使得電機的電樞繞組槽面積產生明顯變化。隨著定子齒寬在1～4 mm范圍內遞增，電機的槽面積比在2～5范圍內遞增。

(a) HESFPM-1

不同定子齒寬對HESFPM-1和HESFPM-2轉矩和調磁系數(shù)的影響如圖11所示。隨著定子齒寬的增加，兩種電機的調磁系數(shù)都會先增大后減小，HESFPM-1最大調磁系數(shù)位于定子齒寬2.7 mm，HESFPM-2最大調磁系數(shù)位于定子齒寬1.4mm。由圖11(b)可見，在相同定子齒寬時，HESFPM-2具有更高的調磁系數(shù)。隨著定子齒寬的變化，HESFPM-2在相同定子齒寬下的轉矩比HESFPM-1略大。HESFPM-1最大轉矩位于定子齒寬3.6 mm處，HESFPM-2最大轉矩位于定子齒寬2.8 mm處。

(a) 轉矩

(b) 調磁系數(shù)

4 HESFPM電機實驗驗證

根據(jù)表2的電機設計尺寸，加工制造了一臺12/10 HESFPM-2樣機，電機定、轉子如圖12所示。圖13比較了HESFPM-2的實測空載反電動勢波形和2D有限元分析的空載反電動勢波形。表3比較了樣機的有限元和實驗所得到的調磁系數(shù)。通過對比發(fā)現(xiàn)，實驗與二維有限元分析結果較吻合，它們之間的誤差主要由于端部效應、永磁材料理論和實際的差異、電機裝配工藝等影響，因此使得仿真的空載反電動勢值與電機實測值之間存在一定的誤差(反電動勢誤差10%和調磁系數(shù)誤差6.9%)。其中，為了保證定子沖片加工的機械強度，增加了導磁橋寬度(10%)。分析結果表明，有限元仿真結果與實驗結果有較好的一致性，反電動勢誤差10%與調磁系數(shù)誤差6.9%，滿足要求。

表2 HESFPM-2電機樣機主要設計參數(shù)

(a) 電機定子

(b) 電機轉子

圖13 HESFPM-2反電動勢曲線表3 HESFPM電機實驗對比

直流勵磁電流Idc/A電壓幅值U/Vkf/%有限元法-156.519 07.393158.362 24.94實驗-155.786 06.6157.31823.22

5 結 語

本文設計并優(yōu)化了兩種類型的12/10 HESFPM電機，比較了不同結構HESFPM電機調磁能力。通過對兩種定子HESFPM電機調磁能力的優(yōu)化及比較可知：

1) 與直流勵磁繞組槽面積有限的HESFPM-1相比，HESFPM-2具有更大的直流勵磁繞組槽面積。

2) 在不同直流勵磁與電樞繞組槽面積比下， HESFPM-1轉矩和調磁性能受槽面積比影響較大。因此，在電機設計中，電機轉矩和調磁性能對電機尺寸的設計比較敏感。對HESFPM-2而言，電機尺寸的改變對槽面積的影響明顯。

3) 在相同永磁體長度下，HESFPM-2的電磁轉矩低于HESFPM-1，但HESFPM-2調磁能力更好。