轴向并联式轴向磁场磁通切换混合永磁记忆电机的电磁特性研究.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn轴向并联式轴向磁场磁通切换混合永磁记忆电机的电磁特性研究**秦岭，林鹤云，阳辉5（东南大学电气工程学院，南京210096）摘要：本文提出了一种轴向并联式轴向磁场磁通切换混合永磁记忆电机（AxialParallelAxialFieldSwitched-fluxHybridMagnetMemoryMachines，简称AP-AF-SFHMMM)，该种电机为轴向并联式结构，其永磁体采用“一字型”放置。该电机通过在调磁绕组中施加直流脉冲电流来控制低矫顽力(lowcoactivityforce，LCF)永磁体的磁化方向和剩磁强弱，从而控制永磁磁10链的大小，实现电机的宽调速运行。为了提高仿真计算效率，本文基于一种类三维（three-dimensional，3D）有限元分析方法对AP-AF-SFHMMM的电磁特性进行了研究，首先介绍了该种方法的计算原理，然后通过3D有限元法对空载永磁磁链、感应电动势和电磁转矩进行仿真分析，进而验证了类3D计算方法的可行性和精确性。结果表明，AP-AF-SFHMMM具有较高的转矩密度较低的转矩脉动和良好的调磁性能，适合深入的分析15和研究。关键词：轴向磁场；记忆电机；磁通切换；可变磁通；类三维；有限元；混合永磁中图分类号：TM341ElectromagneticCharacteristicsInvestigationofAxial20ParallelAxialFieldSwitched-fluxHybridMagnetMemoryMachineQINLing,LINHeyun,YANGHui(ElectricalEngineeringSchool,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract:Thepaperproposesanaxialparallelaxialfieldswitched-fluxhybridmagnetmemory25machines(AP-AF-SFHMMM).AP-AF-SFHMMMischaracterizedbyanaxialparallelstructure,wheretwokindsofPMs,i.e.NdFeBandlowcoactivityforce(LCF)permanentmagnet(PMs),areplacedbetweenthe“H”-shapedstatorsegments..ByimposingaDCcurrentpulseonthemagnetizingwindings,themagnetizedstateofLCFPMcanbechanged.ThisleadstovariablePMflux-linkages,andhenceachievingwidespeedoperation.Inthepaper,Aquasithree-dimensional(3D)finiteelement30analysis(FEA)isintroducedsoastoimprovethecalculationefficiency.Then,thequasi-3Dand3DFEAresults,intermsoffluxlinkage,back-EMFandtorquecharacteristics,arepresentedandcompared,whichverifythecorrectnessofthedevelopedquasi-3DFEA.TheFEAresultsshowthatAP-AF-SFHMMMpossesseslowtorqueripplerateandexcellentflux-adjustingability.Keywords:Axailfield;memorymachine;switched-fluxmachine;variableflux;quasi-3D;35finite-elementanalysis;hybridpermanentmagnet.0引言传统的永磁电机由于采用钕铁硼永磁体，该永磁体具有高磁能积，可以使电机获得较高40的功率密度，但是同时也导致传统永磁电机的气隙磁场基本恒定，很难进行有效调节，导致其在电动运行时，恒功率运行区较小，调速范围较窄；在发电运行时，故障灭磁困难，这极[1-2]大地限制了永磁电机的应用范围。因此，如何更加有效调节永磁电机的气隙磁密变成了作者简介：秦岭(1992-)，男，硕士研究生，电机与电器通信联系人：林鹤云(1965-),男，博导，电机与电器.E-mail:hyling@seu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn近年来的研究热点。为此，国内外研究者做了大量的研究，其中较为可行的方案是采用混合[3][4-5]励磁技术和机械调磁技术。其中混合励磁技术是通过调节调磁绕组中励磁电流的大小45和方向来改变电机气隙磁密，此类电机具有调磁方便和调磁范围宽等优点，但同时也存在一些缺陷，并联磁路结构的混合励磁电机漏磁较多，而串联磁路结构电励磁损耗较大。另外，机械调磁电机在传统永磁电机的基础上，通过改变漏磁路径来实现电机气隙磁通的调节。混合励磁电机和机械调磁电机均能有效的调节气隙磁通，但是相对来说，这两类电机的结构都相对比较复杂，导致其加工难度大，因此，这两种技术并不是一个十分有效的解决方案。近50几年来，一类能够通过直接改变永磁体磁化水平来实现气隙磁场调节的电机—记忆电机[6-11](MemoryMachine)，正受到越来越多研究学者的关注。记忆电机采用采用高剩磁、低矫顽力的永磁材料，其永磁体磁化水平可以通过可通过施加瞬时脉冲来改变，从而来调节气隙磁场，几乎无电励磁损耗，可以实现高效在线调磁。但是单一铝镍钴永磁记忆电机存在以下两个缺点：1)采用了矫顽力相对较低的铝镍钴，使电机的气隙磁通很难达到钕铁硼永磁电机55的水平，电机力能指标较低；2)同样由于采用了铝镍钴永磁体，为了获得足够的磁通，就必须采用较厚的永磁材料，增加了永磁体的用量，增大了该种电机充磁难度。为了弥补这一不[8]足，本课题组在原型记忆电机的基础上，提出了混合永磁型记忆电机。但是这类电机属转子永磁型电机，此类电机永磁散热困难，具有潜在的退磁风险。为此，本课题组就定子永磁[10-11]型记忆电机做了详尽的研究，提出了多种径向磁通的磁通切换记忆电机的结构，但是此60类电机转矩密度相对较低。轴向磁场永磁电机因其具有结构紧凑、散热性好、轴向尺寸短、和转矩密度大等优点，[12-13]而受到广泛的关注。因此，轴向电机特别适合电动汽车，控制阀，离心机等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。为此，本文结合了轴向磁场电机和磁通切换记忆电机，提出了一种轴向并联式轴向磁通切换型记忆电机，分析了其工作原理，为了节约引入了类三维有限元方65法对电机电磁性能进行快速分析研究，并通过三维有限元法对该种方法的正确性和有效性进行验证。研究结果可望为磁通切换型记忆电机拓扑的进一步拓展和应用提供借鉴。1电机结构和工作原理1.1轴向并联式轴向磁通切换型混合永磁记忆电机结构本文提出的轴向并联式轴向磁通切换型记忆电机（AxialParallelaxialFluxSwitched-flux70HybridPermanentMagnetMemoryMachines，简称AP-AF-SFHPMMM)如图1所示，其特点为永磁体的放置整体上呈“一字型”，LCF永磁体放在中间位置，轴向两侧放置NdFeB永磁体，两者的磁路在轴向上呈并联关系，永磁体全部采用周向交替充磁。故而称为轴向并联式轴向磁场切换型混合永磁记忆电机。该电机的电枢绕组采用双层集中绕组，其定子由若干个“H”形单元定子铁芯块拼装而成，-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn永磁体呈“一字型”NdFeB永磁体电枢绕组LCF永磁体A1C4B1NdFeB永磁体转子齿B4C1转子轭A4A2定子铁芯C3B2B3C2调磁绕组“H”型定子块电枢绕组A375(a)电机结构三维图(b)定子结构平面图图1AP-AF-SFHPMMM拓扑结构Fig.1TopologyofAP-AF-SFHPMMM1.2AP-AF-SFHPMMM磁路分析图2为AP-AF-SFHPMMM的简化磁路图，由于AP-AF-SFHPMMM电机的两种永磁体80呈“一”字型放置，在轴向上并联，三块永磁磁势共同作用产生气隙磁通Φδ1和Φδ2。为了简化计算，忽略铁心饱和对磁路的影响，可以将图2进一步简化为图3。Rδ1Rst1Rsy1Rsy3Rst3Rδ3Rrt1RNdFeBRLCFRNdFeBRrt3Rry1Φδ1ΦNdFeBΦLCFΦNdFeBΦδ2Rry2Rrt2FNdFeBFLCFFNdFeBRrt4Rδ2Rst2Rsy2Rsy4Rst4Rδ4图2AP-AF-SFHPMMM简化磁路Fig.2SimplifiedmagneticcircuitofAP-AF-SFHPMMMRRLCFNdFeBΦLCFΦNdFeBΦδReFFLCFNdFeB85图3AP-AF-SFHPMMM等效磁路Fig.3EquivalentmagneticcircuitofAP-AF-SFHPMMM由图3等效磁路可知，LCF永磁体不同磁化状态，所以电机具有三种工作状态：1.FLCF=0，Fab>FLCFΦΦ=(1)NdFeBδ-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn90此种情况下，Fab永磁磁通一部分经过气隙，不通过LCF永磁体所在的磁路，所以对气隙的永磁磁通只有Φ。该电机处于零充磁状态。NdFeB2.FLCF≥0，Fab0ΦΦ=-Φ(3)δNdFeBLCF此种情况下，NdFeB永磁体产生的磁通大量被LCF永磁短路，只有少部分永磁磁通通过气隙。该电机处于负向充磁的状态。1.3工作原理AP型电机的工作原理如图4所示，根据磁阻最小闭合的原理，磁力线从永磁体的N极100出发，经过“H”型定子块，气隙，转子齿，转子磁轭，相邻的转子齿，气隙，相邻的“H”型定子块，最终回到永磁体的S极。LCF永磁体和NdFeB永磁体的磁通路径如图4所示，通过上层电枢绕组的磁通最大，方向为穿入线圈，此时定义为位置A；随着转子位置的变化，穿过电枢线圈的磁通相应发生变化，当转子齿轴线与另一个定子齿轴线对齐时，通过上层电枢绕组的磁通为反向最大，此时的位置定义为位置B，方向为穿出线圈。当转子齿轴线与永105磁体中心线或者定子槽轴线对齐时，通过电枢线圈的磁通为零，此时为电机q轴。由此可见，当转子旋转一个极距时，通过电枢绕组的磁链会随转子位置的变化而呈周期性变化，这个过程即为磁通切换原理。另一方面，当LCF永磁体的充磁方向如图4(a)所示时，LCF永磁体的充磁方向与NdFeB永磁相同，绕组所匝链的磁通为LCF永磁体和NdFeB永磁体所提供磁通的总和，此时的110LCF永磁体磁化方向定义为正向充磁，即起到了增强气隙磁通的作用。反之，当利用弱磁直流脉冲电流反向磁化LCF永磁体时，此时的LCF永磁体磁化方向定义为反向去磁，即如图4(b)所示的状态时，则两种永磁体在定子内部形成了磁路短路，从而实现弱磁的目的。位置A位置B位置A位置B(a)正向充磁(b)负向充磁115图4AP-AF-SFHMMM的工作原理Fig.4OperationprincipleofAP-AF-SFHMMM1.4绕组结构该种电机定子结构展开图如图5所示，因电机定子由12个相同的定子铁心拼装而成，-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn故而图中仅仅给出了定子结构的一半（6个定子铁芯）的展开图。永磁体采用交替方向充磁，120起到聚磁的效果作用。该结构采用集中绕组结构，其定子三相绕组线圈依次排列，如5所示，由示意图可知，每个集中绕组线圈都绕在定子铁芯的两个齿上，如图中的A11、B11和C11等。电机定子两侧各有12个线圈，共有24个线圈，8个串联而成一相，线圈A11~A14和A21~A24串联构成A相，同理，B11~B14和B21~B24串联构成B相，C11~C14和C21~C24串联构成C相。A11B11C11A12B12C12A21B21C21A22B22C22125图5AP-AF-SFHMMM绕组结构示意图Fig.5WindingconfigurationofAP-AF-SFHMMM.2类3D分析方法3D有限元方法在进行分析时，计算时间十分冗长，故而不适于电机的优化分析，因此，130为了解决这一问题，本文引入了一种类3D分析方法，可以高效和高精度地对轴向磁场磁通切换记忆电机进行分析。2.1类3D分析方法的原理由于轴向磁场电机固有的3D磁路，对该电机的分析常用3D有限元分析法。但是由于3D有限元方法极为耗时，不适合电机的参数化优化设计。所以本节采用类3D有限元分析135方法，以提升计算效率依据此种方法，从该电机3D模型中选取几个计算面，随后将其每个计算面“拉直”，使其等效为直线电机，然后对此直线电机运用2D有限元进行仿真，所以类3D分析方法的实质就是将3D有限元模型等效为多层2D有限元分析。整体的电磁特性可以通过叠加每层2D有限元仿真的结果获得。具体的工作原理如图6所示。简化后的AP型电机结构如图7所示。（a）选择确定半径的圆周平面-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（b）选择相对应的3D几何模型（c）将b中的图形转化为直线模型140图6类3D分析方法原理Fig6PrincipeofQuasi-3D定子块LCF永磁体转子NdFeB永磁体图7AP-AF-SFHMMM的类3D模型Fig.7Quasi-3DModelofAP-AF-SFHMMM145此种方法的精度和耗时取决于计算平面层数的选择。在本节中，选择5层计算平面来平衡计算的精度和时间。每一层的计算半径为：(k1−)Rk=+−R(i)21Rioo2nRi为转子外径，k为转子内径和外径的比值，i为从内向外数的层数，n为总的层数（本文选择为n=5）。每一层直线电机的轴向长度：(1k)−LRs=o(4)n1503D模型的空载反动电势和磁链可以通过叠加每一个2D模型的反电势获得。NE(t)=Et（）i(5)i1=3D模型的转矩T可以通过公式(6)计算获得：nTF==xiRi,(i1,2,3...n)(6)i1=Fxi代表该电机在直线运动时，施加在电机转子上面的力。下面将通过空载永磁磁链、空载感应电动势和电磁转矩等三个方面进行验证，2.2仿真时间分析155AP-AF-SFHMM的1/4模型在运用3D有限元方法进行计算时，在不保存中间过程中的-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn磁密云图等数据时，所需耗费的时间大约在2小时10分钟；而如果是全模型的话，所需耗费的时间大约在5小时左右；但是如若要保存中间过程所产生的所有数据的话，所需花费的时间将会成几何倍数增长。但在而运用类3D有限元方法时，在本章选取5层的情况下，每层的计算时间大约在1分钟左右，五层所需耗费的时间也不足5分钟，这效率是3D有限元160分析方法的几十倍甚至是上百倍，足以体现出类3D分析方法是非常高效的。类3D分析方法不止具有高效的优点，在运用类3D分析方法分析时，中间过程所产生的数据和图形在几乎没有时间成本的情况下得以保存，这使得较快完成该电机的电磁设计和性能计算。如图7所示的是在使用类3D有限元方法时，在LCF永磁体不同的充磁状态下，AP-AF-SFHMM电机的磁通路径图，此磁通路径图可以使读者更加直观的了解此类电机的调磁机理。165AP-AF-SFHMM电机在正向充磁的状态下，此种排列方式下的两种永磁体能够实现聚磁，增强主磁通；而AP-AF-SFHMM电机在负向充磁状态下，NdFeB永磁体产生的大部分磁通被短路，少数的磁通成为主磁通，实现弱磁效果。LCF永磁体NdFeB永磁体NdFeB永磁体LCF永磁体（a）正向充磁状态下的磁通（b）负向充磁状态下的磁通图8电机磁通170Fig8FluxlineofAP-AF-SFHMMM2.3类3D和3D有限元仿真结果对比分析2.3.1空载磁链图9为三种不同充磁状态下，通过类3D和3D有限元分析方法仿真所得的AP-AF-SFHMMM永磁磁链波形和幅值。从图9（a）中可以看出，LCF永磁体在不同充磁175状态下，通过类3D和3D有限元分析方法仿真所得的永磁磁链波形基本一致。由图9（b）中可以看出，类3D方法仿真磁链幅值稍稍偏大；总而言之，通过类3D分析方法仿真所得的结果与3D有限元分析方法所得结果基本吻合，完全符合计算要求，从而证明了类3D分析方法可以用来进行此类电机的电磁特性快速分析和优化设计。0.40.4b´(0.20.3(Wb)¹´á¹00.2ÍÍ正向充磁类3D正向充磁3D0.1-0.2磁链幅值不充磁类3D不充磁3DP负向充磁类3D负向充磁3D0-0.4正向充磁不充磁负向充磁060120180240300360转子位置(电角度deg)类3D3D180（a）类3D和3D仿真磁链波形对比（b）类3D和3D仿真磁链幅值对比图9类3D和3D有限元法仿真永磁磁链结果比较Fig.9Comparisonofflux-linkageresultspredictedbyquasi-3Dand3DFEA.2.3.2空载反电动势图10为三种不同磁化状态下，AP-AF-SFHMMM电机通过类3D和3D有限元法仿真-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn185所得的反电动势对比分析图。从图10中可以看出，在LCF永磁体三种不同的磁化状态下，类3D分析仿真结果与3D分析仿真所得的感应电动势幅值偏差分别是2.15%，3.26%和18.81%；AP型电机的类3D仿真感应电动势幅值偏大；类3D分析与3D有限元分析方法所得的结果基本吻合，完全符合计算要求，也证明了类3D分析方法可以用来此类电机的电磁分析和优化设计。150150(Wb)100(V)50100050-50正向充磁类3D正向充磁3D型拓扑结构磁链-100不充磁类3D不充磁3D感应电动势幅值AP负向充磁类3D负向充磁3D0-150正向充磁不充磁负向充磁060120180240300360类3D3D190转子位置(电角度deg)（a）反电动势波形对比（b）反电动势幅值对比图10类3D和3D仿真反电动势比较Fig.10ComparisonofbackEMFresultspredictedbyquasi-3Dand3DFEA.2.3.3电磁转矩195图11所示的为三种不同磁化状态下，通过类3D和3D有限元分析方法仿真所得的AP-AF-SFHMMM电磁转矩计算结果。可以看出，在不同磁化状态下，三种拓扑结构的电磁转矩的波形基本一致。从11（a）中可以看出，LCF永磁体在不同充磁状态下，通过类3D和3D有限元分析方法仿真所得的电磁转矩波形基本一致。由图11（b）中可以看出，通过类3D与3D有限元方法仿真所得的平均电磁转矩幅值基本吻合，也证明了类3D分析方法200的可行性。45406035正向充磁类3D正向充磁3D(V)30不充磁类3D不充磁3D4025负向充磁类3D负向充磁3D(Nm)2020转矩15电磁转矩1005正向充磁不充磁负向充磁00306090类3D3D电角度(deg)（a）波形对比（b）平均电磁转矩对比图11类3D和3D仿真电磁转矩比较Fig.11Comparisonofelectromagnetictorqueresultspredictedbyquasi-3Dand3DFEA205综上所述，本文通过对空载永磁磁链、感应电动势和电磁转矩的对比分析，可知AP-AF-SFHMMM完全可以通过类3D有限元法进行仿真计算，这种方法的适用，大大减少了计算时间，提高了工作效率。为了更加全面的分析该类电机的电磁性能，随后将直接通过类3D有限元方法进行分析，不再与3D有限元分析方法进行比较。2.3.4调磁特性210图12为从电机内径到外径处，固定间隔提取电机的气隙磁密，然后通过MATLAB描绘出对应的气隙磁密图。图12(a)和(b)分别为AP型记忆电机在正向充磁和负向充磁状态下所对应的气隙磁密；通过对比可以得出，施加正向充磁电流时，电机为正向充磁状态，LCF-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn永磁体部分与NdFeB永磁体部分对应的气隙磁密分布极性一致，LCF永磁体起到增磁的作用，在正向充磁状态下的气隙磁密的峰值已经达到1.80T；当施加负向充磁电流，电机为负215向充磁状态，电机内部磁场短路，所以电机的气隙磁密的峰值降为0.5T；AP型电机从正向充磁状态到负向充磁状态时，气隙磁密下降显著，说明电机具有良好的调磁性能。综合可知，该电机的气隙磁密分布具有以下特点：(1)永磁体部分对应的气隙磁密沿气隙圆周角度呈对称分布；当施加不同的调磁脉冲电流时，LCF永磁体的磁化状态会改变，电机电枢绕组通过的气隙磁通则会相应的发生变化，220以此来实现的电机的气隙磁通的调节；(2)气隙磁密在不同径向位置处的分布形状相似，幅值有所不同。(3)通过调节调磁脉冲电流的大小与方向，改变LCF永磁体的磁化状态，从而改变电机的气隙磁通。因此，LCF永磁体的引入可有效地使合成气隙磁密的大小发生改变。210100mm-180-205010015020025060300350圆周角度（deg）225(a)正向充磁气隙磁密(b)负向充磁气隙磁密图12不同磁化状态下的气隙磁密Fig.12Air-gapfluxdensitywaveformsatdifferentmagnetizationstates3结论230本文提出了一种12/10极AP-AF-SFHMMM，该种电机的永磁体采用“一字型”放置，采用双转子结构，转子凸极结构简单，永磁体位于定子上，永磁体几无退磁风险且便于制造和安装；该电机中采用高剩磁低矫顽力的永磁体，调速范围广，且电机轴向尺寸短，适用于电动汽车、风力发电等宽调速场合；为了兼顾计算效率和精度，本文引入采用类3D有限元方法来分析电机的电磁性能，为此首先介绍了类3D有限元法，同时建立了电机类3D有限元235分析模型，通过与3D有限元法计算结果进行对比分析，验证了此种方法的精度，说明此种方法完全可以用于AP-AF-SFHMMMDE的电磁特性分析和设计优化；最后通过不同磁化状态下气隙磁密波形对比发现了该电机具有较好的磁场调节能力，且几乎无励磁损耗。但是该种电机也存在一些缺点，如转矩脉动大等问题，这些问题笔者会在后期的研究中进一步深入，争取获得得更好的研究结果。240[参考文献](References)[1]朱孝勇,程明,赵文祥,等.混合励磁电机技术综述与发展展望[J].电工技术学报,2008(01):30-39.[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2001.[3]AmaraY,VidoL,GabsiM,etal.HybridExcitationSynchronousMachines:EnergyEfficientSolutionfor245VehiclePropulsion[A]VehiclePowerandPropulsionConference(VPPC)[C],Windsor,2006.[4]H.Woehl-Bruhn,W.-R.Canders,N.Domann.Classificationoffield-weakeningsolutionsandnovelPM-9- 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