謝穎　華邦杰　黑亮聲　張曉明

摘 要：為了研究混合勵磁在磁齒輪復合電機上的應用，依據磁通調制原理和混合勵磁結構，提出了一種磁通可調的磁路串聯(lián)混合勵磁復合電機，建立了雙定子、中間轉子的電機結構模型。該電機通過在外定子側引入直流勵磁，將磁通調制原理與混合勵磁2個概念相結合，實現(xiàn)電機低速大轉矩輸出以及磁通可調的雙重目的。以獲得較為平穩(wěn)的輸出轉矩為目標，對電機的相關結構參數(shù)進行優(yōu)化，得到電機參數(shù)對相關特征量的影響，確定電機的結構參數(shù)。通過二維有限元方法計算了處于不同直流勵磁電流時電機的磁場分布、氣隙磁密、空載反電勢以及輸出轉矩等電機參數(shù)，驗證了電機的工作原理，并得到直流勵磁對電機內部磁場有明顯的調節(jié)作用，從而說明了該電機結構的可行性和合理性。

關鍵詞：混合勵磁;磁通調制;串聯(lián)結構;復合電機;有限元;參數(shù)優(yōu)化

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.006

中圖分類號：TM 341

文獻標志碼：A

文章編號：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，隨著高性能稀土永磁材料的出現(xiàn)和不斷完善，以高效、高功率密度為顯著特征的永磁電機得到快速發(fā)展[1-2]，在工農業(yè)生產、航空航天、國防和日常生活中得以廣泛應用，顯著地加快了我國實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化進程，并有效地踐行了節(jié)能減排的基本國策。由于永磁材料的固有特性，永磁體產生的氣隙磁場基本保持不變，導致氣隙磁場的調節(jié)與控制難以實現(xiàn)。因此，如何實現(xiàn)電機氣隙磁場調節(jié)引起了國內外廣大學者的關注。

目前，通過結構設計來實現(xiàn)永磁電機的氣隙磁場調節(jié)有以下2種方案：記憶電機和混合勵磁結構，其中，記憶電機最早是在第36屆IEEE工業(yè)應用會議上由德國學者提出[3]，采用的永磁材料是高剩磁、低矯頑力的鋁鎳鈷永磁體。該電機通過改變永磁體的磁化強度，實現(xiàn)氣隙磁場的調節(jié)，幾乎不產生額外的電勵磁損耗。然而，記憶電機是一個非常復雜的多變量、強耦合系統(tǒng)，技術尚不成熟，仍需進一步研究。

相比之下，混合勵磁技術更為簡單且應用廣泛，其在永磁電機的基礎上，引入電勵磁部分，通過調節(jié)電勵磁電流來實現(xiàn)氣隙磁通的調節(jié)，并且調磁方便，得到了越來越多學者的重視，成為了電機領域研究熱點之一[4-7]?；旌蟿畲烹姍C最早可追溯到上世紀80年代末，由美國學者提出，電機內部同時存在永磁和電勵磁磁勢源，二者共同作用實現(xiàn)電磁能量轉換，是對單一勵磁方式的拓展[8]，具有較高研究價值。

依據直流勵磁和永磁體磁勢在等效磁路中的相對關系，混合勵磁電機可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型[9-10]。并聯(lián)型混合勵磁電機結構靈活多樣[11-13]，但其結構較為復雜，加工困難，現(xiàn)有結構有：轉子混合勵磁電機、變磁極混合勵磁電機、磁通調制型混合勵磁電機、環(huán)形定子橫向磁通電機[14-17]等結構。相比之下，傳統(tǒng)的串聯(lián)磁路結構混合勵磁電機，是將直流勵磁繞組直接放在永磁體下方，結構簡單且易于實現(xiàn)。然而，電勵磁產生的磁勢經過永磁體，永磁體磁阻較大，一定程度上影響了電機的調磁性能[18-19]。

近幾年，磁齒輪復合電機得到快速發(fā)展，為高轉矩密度直驅式電機提供了新的思路。該思想最早由英國學者D. Howe提出的磁場調制型同心式磁性齒輪[20]，不同于傳統(tǒng)的磁性齒輪，結構上在內轉子和外轉子之間加了一個調磁環(huán)，實現(xiàn)內外轉子上所有永磁體都參與到轉矩傳遞，較傳統(tǒng)磁性齒輪，顯著地提高了永磁體利用率及輸出轉矩。國內學者將外轉子高速無刷直流電機和磁齒輪結構相結合，實現(xiàn)電機的低速大轉矩輸出，省去了傳統(tǒng)的機械傳動機構，獲得更高的系統(tǒng)效率，但其有3層氣隙，結構相對復雜[21]。浙大學者提出的磁齒輪復合電機依據同心式磁性齒輪，將其與同步電機相結合，即將磁場調制型同心式齒輪的高速內轉子用傳統(tǒng)的同步電機定子結構代替，只具有兩層氣隙，實現(xiàn)了真正意義上的電機直接驅動[22]。文獻[23]提出的電動汽車用直驅式輪轂電機，該電機通過定子齒實現(xiàn)磁場的磁通調制，簡化了電機結構，與永磁同步電機相比，降低了電機的體積和制造成本，提升了電機的調速范圍。

本文基于磁齒輪復合電機雙定子結構提出了磁路串聯(lián)混合勵磁復合電機，介紹了電機的基本結構，分析了電機的工作原理，建立了二維有限元計算模型，研究了對電機性能影響較大的結構參數(shù)， 通過優(yōu)化設計得到了合理的參數(shù)值，最后結合了電勵磁部分對優(yōu)化后的電機進行電磁計算，驗證了該方案的可行性。

1 電機結構及原理

1.1 電機結構

本文所提出的電機基本結構如圖1、圖2所示，主要由外定子、調磁環(huán)、內定子、電樞繞組、永磁體、直流勵磁繞組等構成。其中，直流勵磁繞組纏繞在與外定子永磁體相鄰的定子齒上，采用的是集中式繞組;永磁體結構采用的是內埋式，產生電機的主磁場，與直流勵磁繞組形成混合勵磁;電樞繞組放在內定子的定子槽中;調磁環(huán)置于內定子和外定子之間，通過氣隙隔開。

該電機的特點主要體現(xiàn)在外定子結構上，未采用傳統(tǒng)串聯(lián)磁路結構，而是將直流勵磁繞組纏附在永磁體相鄰的定子齒上，一方面減少了永磁體用量，另一方面簡化了電機的結構，使其便于加工制作。電機的主要結構參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

本文提出的新型磁路串聯(lián)混合勵磁電機將磁通調制原理和混合勵磁概念相結合。該電機與磁性齒輪在結構上類似，都是采用雙層氣隙結構，區(qū)別在于高速旋轉磁場的產生方式不同，前者是通過電樞繞組產生，后者是通過帶有永磁體的高速轉子產生。本文選取調磁環(huán)做轉子，電機電樞繞組中產生的高速旋轉磁場經過調磁環(huán)調制后在外氣隙中得到的諧波極對數(shù)pm，k可表示為

pm，k=|mp+kns|。（1）

式中：m=1，3，5，…，SymboleB@;k=0，±1，±2，±3，…，±∞;p為電樞繞組產生的磁極對數(shù);ns為調磁塊數(shù)。

經調磁環(huán)調制后在電機的外氣隙磁場中產生的空間諧波旋轉角速度為

Ωm，k=mpmp+knsΩr+knsmp+knsΩs。（2）

式中：Ωr為內定子電樞繞組施加交流電源后形成的旋轉磁場角速度;Ωs為調磁環(huán)角速度。

當m=1，k=-1時經調磁塊的磁通調制作用后的氣隙諧波磁場最強，由式（1）可以得到外定子極對數(shù)為

pw=ns-p。（3）

選取調磁環(huán)做轉子，外定子不轉，即Ωm，k為0，由式（2）可得電樞磁場角速度Ωr與轉子角速度Ωs之間的轉速比為

Gr=-pns。（4）

在本文所提出的電機中，內定子電樞繞組產生的p對極旋轉磁場，經過調磁環(huán)調制后，在電機外氣隙中產生與外定子極對數(shù)相同的旋轉磁場。其中，p=3，pw=16，ns=19，轉速比Gr=-3/19，負號表示二者轉向相反。

該電機在磁齒輪復合電機的基礎上，外定子側引入了直流勵磁。直流勵磁磁勢和永磁磁勢在磁路上的相對關系為串聯(lián)型，如圖3所示。其中，F(xiàn)pm為永磁磁勢，F(xiàn)mf為電勵磁磁勢，Rpm為永磁體磁阻，Riron為鐵心磁阻，外部指氣隙、轉子和內定子部分。

從圖3中可以看出，新型磁路串聯(lián)混合勵磁復合電機模型通過改變電勵磁磁勢，即改變通入的直流勵磁電流大小，來改變氣隙磁場。其中，永磁體磁勢Fpm提供主磁通，電勵磁磁勢Fmf用以調節(jié)。

2 結構參數(shù)優(yōu)化設計

本文所提出的磁路串聯(lián)混合勵磁復合電機，在不施加直流勵磁電流的情況下，實質上為磁齒輪復合電機結構。為了保證電機具有良好的輸出特性，需針對電機的相關結構參數(shù)進行優(yōu)化。由于磁齒輪復合電機結構比較特殊，較傳統(tǒng)的永磁同步電機多了一個具有磁通調制作用的調磁環(huán)，在電機優(yōu)化過程中除了要考慮永磁同步電機的結構參數(shù)，還需考慮調磁環(huán)尺寸對電機性能的影響。本文借助有限元方法以轉矩的平穩(wěn)輸出為優(yōu)化目標，結合電機的相關性能參數(shù)對電機進行了優(yōu)化設計。

2.1 調磁環(huán)徑向高度優(yōu)化

調磁環(huán)的結構參數(shù)包括2個：調磁塊的徑向高度和周向寬度，并且這2個結構參數(shù)對電機的輸出轉矩性能有著較為明顯的影響。本文以調磁環(huán)徑向高度h為控制變量，在保證內定子外徑、氣隙長度以及外定子厚度不變的情況下，研究其對輸出轉矩性能的影響。圖4為T隨h變化的關系曲線，其中h表示調磁環(huán)的徑向高度，T表示輸出轉矩。

從圖4中可知，在調磁環(huán)徑向高度h小于13 mm時，輸出轉矩線性遞增，大于13 mm時，輸出轉矩呈上下波動，故本文選取13 mm為調磁環(huán)徑向高度。

2.2 調磁塊周向寬度優(yōu)化

調磁環(huán)主要由調磁塊和非導磁材料組成，如圖5所示，調磁塊和非導磁材料對應的圓心角分別為θ1與θ2。調磁塊周向所占比例為

K=θ1θ1+θ2×100%。（5）

本文以調磁塊圓周方向所占的比例K為控制變量，保持其余結構參數(shù)不變，研究參數(shù)K對電機輸出轉矩T的影響。

由圖6可以看出，當調磁塊所占的周向比例為0.45時，電機輸出轉矩的峰峰值取得最小值，并且電機的輸出轉矩接近最大值，故調磁塊寬度比例K選取0.45。

2.3 永磁體徑向高度優(yōu)化

不同于傳統(tǒng)的永磁同步電機，在磁齒輪復合電機中，隨著永磁體厚度的增加，即永磁材料磁化方向長度的增加，電機的輸出轉矩并不是單調增加，由于永磁體厚度的增加，氣隙磁密增大，使得電機的輸出轉矩變大，與此同時在等效磁路中永磁體的磁阻也會隨之增大，使得電機的輸出轉矩減小，只有當兩者達到平衡時，輸出轉矩才能達到最大值。圖7為電機輸出轉矩T隨永磁體高度hm的變化曲線。

由圖7中可以看出，在永磁體高度小于8 mm時，轉矩受永磁體高度的影響比較明顯，而大于8 mm后，轉矩增加緩慢，并有下降趨勢，材料利用率降低，所以選定永磁體高度為8 mm。

2.4 永磁體極弧系數(shù)優(yōu)化

圖8為外定子的1/4模型，磁鋼表貼于外定子的內側，定義纏繞直流勵磁繞組的定子齒為一個磁極，與永磁體共同作用在外氣隙磁場中構成一對磁極。其中，θ1為直流勵磁繞組定子齒的周向寬度，θ2為直流勵磁繞組槽的周向寬度，θ3為永磁體的周向寬度。

在保證外定子齒周向寬度不變的情況下，本文選取的θ1為4.5°，研究永磁體的周向寬度θ3對輸出轉矩的影響。圖9中，左側縱坐標軸所表示的物理量為輸出轉矩，右側縱坐標軸為輸出轉矩的波動率，其定義及計算方法將在3.3節(jié)中介紹。從圖中可知，輸出轉矩與永磁體的周向寬度近似成線性關系，并且轉矩的脈動在永磁體的周向寬度為4.5°時取得極小值。

圖10為齒槽轉矩Tcog隨永磁體周向寬度θ3的變化曲線。從圖10中可以看出，在永磁體寬度θ3為4°時，齒槽轉矩達到最小值。綜上，當永磁體的周向寬度為4.5°時，電機的轉矩波動率最小，輸出轉矩相對較大，齒槽轉矩接近最小值，即電機轉矩輸出較為平穩(wěn)，故選此寬度為永磁體的周向寬度，計算得極弧系數(shù)為0.4。

3 電磁性能分析

在對本文提出電機的相關結構參數(shù)進行優(yōu)化后，通過二維有限元方法分析了電勵磁部分的調磁性能，并對電機進行了相關電磁計算。

3.1 磁場分析

圖11（a）、（b）、（c）為在加不同直流勵磁電流情況下，空載時電機某一時刻的磁力線分布圖、磁密云圖。其中-10 A表示直流勵磁繞組加10 A去磁電流，0表示直流勵磁繞組不加電流，10 A表示直流勵磁繞組加10 A增磁電流。從圖11中可以看出，空載時外定子磁力線經調磁環(huán)調制后進入到內定子軛中，再由調磁環(huán)返回到外定子，形成一個閉合回路。同時，直流勵磁部分對電機磁場有明顯的增強和削弱作用。

圖12為電機在施加不同直流勵磁時，電機的徑向氣隙磁密波形以及諧波分析。從圖12（a）、（c）中可知，當施加的直流勵磁電流不同時，內外側徑向氣隙磁密的幅值也會發(fā)生相應的變化，表明直流勵磁部分對電機的內、外側徑向氣隙磁密有明顯的增強和削弱作用，實現(xiàn)了對電機氣隙磁場的調節(jié)。

圖12（b）、（d）通過對徑向氣隙磁密傅里葉分解，易得外側徑向氣隙磁密中16對極諧波含量最大，與外定子磁極數(shù)相對應;內側徑向氣隙磁密中3對極諧波含量最大，與內定子上電樞繞組產生的3對極旋轉磁場相吻合，從而實現(xiàn)電機的正常運轉，即外氣隙中的16對極磁場經調磁環(huán)調制后在內氣隙中產生3對極磁場，符合磁通調制原理。

3.2 空載反電勢

空載反電勢是反映電機調磁能力的重要物理量。在電機轉速設置為789.4 r/min情況下，選取A相空載反電勢為研究對象，分析電勵磁對空載反電勢的影響。圖13為當直流勵磁繞組通10 A電流時，電機的空載反電勢波形。其中，永磁體表示永磁體部分單獨作用;電勵磁表示永磁體不充磁，直流勵磁繞組通入10 A電流單獨作用;二者共同勵磁表示永磁體和直流勵磁共同作用。

從圖13中可知，3種情況下A相空載反電勢波形相位相同，并由仿真計算得到電勵磁單獨作用、永磁體單獨作用和二者共同作用時對應的空載反電勢幅值分別近似為78、249和327 V?？蛰d狀態(tài)下電機內部磁場不是很強，電機的磁路飽和現(xiàn)象可以忽略，最終得到電機的空載反電勢近似為永磁體和電勵磁產生的反電勢之和。綜上可得，本文所設計的電機結構符合混合勵磁電機的工作原理。

圖14為直流勵磁繞組側通入-10、0、10 A電流的空載反電勢波形。由圖14可知，當直流勵磁電流分別為-10、0和10 A時，并通過仿真計算得到空載反電勢幅值分別為169、249和327 V，即通過施加直流勵磁電流，空載反電勢幅值可實現(xiàn)169 V到327 V可調，并且處于不同直流勵磁狀態(tài)下電機的空載反電勢波形基本保持正弦，諧波含量少。

3.3 輸出轉矩分析

圖15為在電機轉速為789.4 r/min，電樞電流有效值為7 A，施加不同直流勵磁電流情況下對應的輸出轉矩曲線。

從圖15中可知，當直流勵磁繞組分別施加-10、0、10 A直流電流時，經仿真計算得到對應的平均輸出轉矩分別為32.7、47.64和61.36 N·m，對應的轉矩峰-峰值分別為1.15、1.5和2.37 N·m，按照計算公式（6）可得對應的轉矩脈動分別為1.65%、1.65%和1.95%，實現(xiàn)了電機轉矩的平穩(wěn)輸出。

Tr=Tmax-TminTmax+Tmin×100%。（6）

式中：Tr為轉矩脈動;Tmax為最大電磁轉矩;Tmin為最小電磁轉矩。

4 結 論

本文設計了一種串聯(lián)磁路混合勵磁復合電機，闡述了其結構及原理，通過有限元方法對電機性能有較大影響的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，結合電勵磁部分對電機的調磁性能進行了分析，得到以下結論：

1）通過對電機相關結構參數(shù)研究，得出在調磁環(huán)高度為13 mm，調磁塊周向寬度所占比例為45%，外定子永磁體極弧系數(shù)為0.4，高度為8 mm時，電機輸出轉矩性能最優(yōu)。

2）利用有限元方法對電機氣隙磁密進行計算，發(fā)現(xiàn)了引入的電勵磁部分對電機的氣隙磁場有明顯的增強和削弱作用;通過對氣隙磁密傅里葉分解，驗證了電機結構符合磁通調制原理。

3）通過對電機空載反電勢分析，得到電機的空載反電勢為永磁體和電勵磁在電樞繞組上產生的反電勢之和，從而驗證了混合勵磁的工作原理。此外，電勵磁電流在-10～10 A變化時，可實現(xiàn)空載反電勢的平穩(wěn)調節(jié)。

4）當電機輸入電流有效值為7 A，電機的轉速為789 r/min，直流勵磁電流分別為-10、0和10 A時，輸出轉矩也會發(fā)生相應的改變，即當電機發(fā)生突加或突降負載，電樞繞組產生的電磁轉矩不能滿足負載轉矩時，可通過直流勵磁產生的電磁轉矩配合永磁轉矩共同驅動負載。

5）本文利用復合電機結構的特殊性，在外定子側引入直流勵磁，實現(xiàn)了混合勵磁電機的無刷化并且調磁便捷。此外，輸出轉速為電樞磁場轉速的3/19，達到了低速大轉矩輸出的效果，可直接用于電動汽車、傳送機、船舶等直接驅動場合。

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2018-06-04

基金項目：國家自然科學基金（51977052）

作者簡介：謝 穎（1974—），女，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機內電磁場、溫度場、振動噪聲計算及感應電機故障診斷及檢測;

華邦杰（1994—），男，碩士研究生，研究方向為混合勵磁復合電機設計;

黑亮聲（1993—），男，碩士研究生，研究方向為磁場調制復合電機的設計;

張曉明（1992—），男，碩士研究生，研究方向為新型場調制電機的設計。

通信作者：謝 穎