新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析

1、第 31 卷 第 24 期中国电机工程学报vol.31 no.24 aug.25, 2011 2011 年 8 月 25 日proceedings of the csee ?2011 chin.soc.for elec.eng. 97 文章编号： 0258-8013 (2011) 24-0097-08 中图分类号： tm 315 文献标志码： a 学科分类号： 47040 新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析王宇，邓智泉，王晓琳(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省南京市 210016) analysis of the field windings setting patt

2、ern for the novel electrical excitation flux-switching machine wang yu, deng zhiquan, wang xiaolin (aero-power science-technology center (nanjing university of aeronautics and astronautics), nanjing 210016, jiangsu province, china) abstract: the setting patterns of field windings have big influence

3、on electromagnetic performance of electrical excitation flux-switching (eefs) machines. the operation modes and flux-switching principle of the two proposed eefs machines were analyzed and their electromagnetic performance, viz., the phase flux-linkage and back electromotive force (emf) waveforms, a

4、ir-gap flux density, the cogging torque, the electromagnetic torque, and the torque density, were compared based on finite element analysis. besides, the influences of the setting pattern of field windings on motor magnetic flux leakage (mfl) and power density were compared especially. the results s

5、how that the eefs machines have good sinusoidal bipolar flux-linkage waveform and can realize full cycle operation, thus are eminently suitable for brushless ac (blac) operation. furthermore, topology2 has smaller mfl and larger filed current utilization rate, and its torque density is twice of that

6、 of topology1. the analysis results of this paper give the theoretical basis of the proposed eefs machines for applying in aero starter/generator system and wind power generation system. key words: electrical excitation flux-switching (eefs) machine; bipolar flux linkage; setting pattern of field wi

7、ndings; torque density; finite element analysis 摘要： 励磁绕组连接方式对电励磁磁通切换电机电磁特性影响很大。对所提出的2 种新型电励磁磁通切换电机，分析了其工作模式和“磁通切换原理”，利用有限元分析方法比较了 2 种电机的电磁特性：定子磁链、反电势、气隙磁密、定基金项目： 航空科学基础基金 (2009zb52025)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(cx08b_068z) 。project supported by aviation science funds of china (2009zb52025); the postgraduat

8、e research and innovation project of university in jiangsu province (cx08b_068z) 位力矩、 电磁转矩、 转矩密度。 重点比较了励磁绕组连接方式对电机漏磁和功率密度的影响。结果表明， 电励磁磁通切换电机具有较高正弦度的双极性磁链和全周期工作模式，适合运行在无刷交流场合。 拓扑 2 具有更小的漏磁和更高的励磁电流利用率， 其转矩密度为拓扑1 的 2 倍。分析结果为所提出电励磁磁通切换电机在航空起动/发电机系统、风力发电系统等领域的应用提供了理论背景。关键词： 电励磁磁通切换电机；双极性磁链； 励磁绕组连接方式；转矩密度

9、；有限元分析0 引言为适应未来全电/多电飞机技术的发展，对起动/发电系统提出了高可靠性、高功率密度、 高效率的要求。开关磁阻电机(switched reluctance machine, srm)的定、转子均为凸极结构，如图1 所示，转子上无永磁体、无励磁绕组，其可靠性高、恶劣环境工作能力强1-2，一直是航空起动/发电机的主要机型之一3-4。 但是开关磁阻电机工作在半周期工作模式，其功率密度、转矩密度较低。转子电枢绕组定子a1a3a2a4b1c1c2b4b2c4b3c3图 1开关磁阻电机结构fig. 1 configuration of srm 98 中国电机工程学报第 31 卷为实现其全周期

10、工作模式，在开关磁阻电机的定子槽引入励磁绕组，可以得到工作在全周期模式的电励磁双凸极(electrical excitation doubly-salient, eeds)电机5-6，如图 2 所示。 通过调节励磁电流的幅值，即可实现起动/发电机的宽转速范围运行、发电状态的电压调节7-8和故障灭磁能力9-11，从而在航空起动 /发电应用场合有很大的应用前景12-14。但双凸极电机的反电势波形含有大量谐波15，只适合运行在无刷直流 (brushless dc) 场合，同时其磁链为单极性，含有的直流分量使电机材料利用率降低16。转子电枢绕组定子a1a1a2a2b1c1c2b2b2c2b1c1励磁绕

11、组图 2电励磁双凸极电机结构fig. 2 configuration of eeds machine 1997 年， 一种新型定子永磁式磁通切换电机被提出17，引起了国内外学者广泛的兴趣18-22。保持转子结构简单性的前提下，在永磁磁通切换电机17-20的基础上，为实现磁场调节和故障灭磁能力 ， 文 献 23-24 提 出 电 励 磁 磁 通 切 换 (electrical excitation flux-switching, eefs) 电机结构， 由于其励磁绕组为分布式，端部损耗较大，同时反电势与双凸极电机一样，含有大量的谐波。本文提出2 种结构新颖的eefs 电机，其定子磁链为双极性，定

12、子磁链与反电势波形均体现出较高的正弦度， 因此其适合运行在无刷交流(brushless ac，blac) 场合。 2 种电机的电枢绕组、励磁绕组均采用集中式结构，端部损耗小、电机效率高。文献25对 eeds 电机和 eefs 电机的电磁特性进行了对比研究，验证了eefs 电机具有相对较高的转矩铜耗比，但是对eefs 的励磁绕组不同结构比较并未涉及。本文重点研究了2 种不同励磁绕组连接方式的 eefs 电机，分析了工作原理和静态特性，比较了不同励磁绕组连接方式下电机的转矩密度和转矩铜耗比。 ansys 有限元分析结果证明，2 种电机均适合运行在blac 场合，但绕组结构2 具有更高的励磁电流利用

13、率和转矩密度。本文研究结果对新型eefs 电机的应用提供了理论基础，为其进一步设计和优化提供了依据。1 电机结构电励磁磁通切换电机的结构如图3、4 所示。与电励磁双凸极电机不同的是，电励磁磁通切换电机是在定子齿上开槽以嵌入励磁绕组，而电励磁双凸极电机则是在定子槽中直接嵌入励磁绕组。转子电枢绕组定子a1a1a2a2b1c1c2b2b2c2b1c1励磁绕组(a) 截面图定子转子励磁绕组电枢绕组(b) 电机结构图 3电励磁磁通切换电机结构1fig. 3 configuration of eefs machine 1 转子电枢绕组定子a1a1a2a2b1c1c2b2b2c2b1c1励磁绕组(a) 截面

14、图定子转子励磁绕组电枢绕组(b) 电机结构图 4电励磁磁通切换电机结构2fig. 4 configuration of eefs machine 2 第 24 期王宇等：新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析 99 电励磁磁通切换电机拓扑1 的励磁绕组沿电机径向缠绕，励磁线圈的轴线方向与同一齿上的电枢绕组轴线方向垂直，如图3 所示。电励磁磁通切换电机拓扑2 的励磁绕组沿电机的切向方向跨齿连接，励磁线圈的轴线方向与电枢绕组轴线方向一致，如图4 所示。励磁绕组结构的不同决定了电机运行性能的不同，而同时2 种电励磁磁通切换电机绕组结构的区别决定了其电磁特性尤其是转矩密度这一指标的差异。电励磁磁通切换

15、电机的几何尺寸如图5 及表 1所示。本文以下分析的2 台电励磁磁通切换电机的(a) 结构 1 (1-k)rsoghyshtr3hshtshele/2le/2htr1htr2(b) 结构 2 (1-k)rsoghyshtr3hshtshelehtr1htr2图 5电励磁磁通切换电机几何尺寸fig. 5 design dimensions of the eefs machines 表 1电机参数tab. 1 machine parameters 参数拓扑 1 和拓扑 2 定子外径 dso/mm 150 内外径之比 k 0.65 电机气隙 g/mm 0.5 铁心长度 l/mm 200 定子齿数 ps

16、 12 转子齿数 pr 10 定子轭高 hys/mm 6.41 电机体积 v/mm33 532 500 电枢线圈匝数 25 每相电枢绕组匝数 100 励磁槽总面积as/mm2 960 最大励磁电流密度js/(a/mm2) 5 定子齿宽 hts/( ) 7.5 定子槽宽 hs/( ) 7.5 转子齿尖宽 htr1/( ) 7.5 转子齿根宽 htr2/( ) 9 转子齿高 htr3/mm 14 ke= le/(1- k)rso 0.5 电磁及几何参数如表1 所示。2 工作原理电励磁磁通切换电机的工作原理如图6、 7 所示。励磁电流极性设置如下：图6 中，拓扑 1 的励磁线圈，相邻2 个线圈的电流

17、流向相反；图7 中，拓扑 2 的励磁定子齿开槽中，相邻的2 个槽中电流定子漏磁漏磁励磁绕组电枢绕组转子(a) r=9定子漏磁漏磁励磁绕组电枢绕组转子(b) r=27图 6电励磁磁通切换电机拓扑1 工作原理fig. 6 operation principle of the eefs1 machines 流向相反。通以上述直流励磁电流，从图6 和图 7 中可以看出，励磁绕组通入直流电，随着转子位置的变化，2 种电励磁拓扑在电枢绕组中匝链的磁链极性发生变化，实现了定子磁链的“双极性切换”。2 种电机都可以实现磁通切换，但根据“右手100 中国电机工程学报第 31 卷定子电枢绕组励磁绕组转子(a) r

18、=9定子电枢绕组励磁绕组转子(b) r=27图 7电励磁磁通切换电机拓扑2 工作原理fig. 7 operation principle of the eefs2 machines 定则”可以判断， 拓扑 1 的励磁磁场有相当的漏磁，漏磁磁路如图6 所示。这将通过有限元仿真进一步分析。3 电磁特性3.1 励磁磁场分布图 8、9 给出了2 种电励磁磁通切换电机的励磁磁场分布图。图 10 比较了转子位置相同时(r= 9 )，2 种电励磁磁通切换电机在励磁电流安匝相等的情况下，励磁磁场在电机定子外部的漏磁。从磁场分布图(图 10(a)和(b)以及磁密云图(图 10(c)和(d)均可看出，相对于拓扑2

19、，拓扑 1 存在大量的漏磁。这与前面的磁路分析是一致的。下面比较一下漏磁对2种电机定子磁链的影响。(a)r=0(b)r= 9(c) r= 18(d) r= 27图 8电励磁磁通切换电机拓扑1 磁场分布fig. 8 open-circuit field distributions of eefs1 machine (a) r= 0(b) r= 9(c) r= 18(d) r= 27图 9电励磁磁通切换电机拓扑2 磁场分布fig. 9 open-circuit field distributions of eefs2 machine 漏磁大(a) eefs1磁力线(b) eefs2 磁力线漏磁大(

20、c) eefs1 磁密图(d) eefs1 磁密图图 10电励磁磁通切换电机漏磁比较fig. 10 magnetic flux linkage comparison of eefs machines 第 24 期王宇等：新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析 101 3.2 定子磁链和反电势图 11、12 给出了2 种电励磁磁通切换电机的定子磁链和反电势波形。可以看出： 1）2 种电励磁磁通切换电机的定子磁链均是双极性的，不含直流分量，这是与电励磁双凸极电机最大的区别之一；2）2 种电励磁磁通切换电机的电枢绕组均是集中式绕组，但是定子磁链和反电势均具有较高的正弦度，而双凸极电机的反电势具有大量

21、的谐波；3）就 2 种电励磁磁通切换转子位置 (电角度 )/( ) 定子磁链/mwb- 250 - 15- 515255绕组 a 90 180 270 线圈 a1+ a3线圈 a2+a4360转子位置 (电角度 )/( ) 反电势/v- 360 - 181836090 180 270 360图 11拓扑 1 定子磁链和反电势fig. 11 stator flux-linkage and back-emf of eefs1 machine转子位置 (电角度 )/( ) 定子磁链/mwb- 600 - 3030600绕组 a 90 180 270 线圈 a1+ a3线圈 a2+ a4360转子位置

22、 (电角度 )/( ) 反电势/v- 640 - 323264090 180 270 360图 12拓扑 2 定子磁链和反电势fig. 12 stator flux-linkage and back-emf of eefs2 machine 磁场调节能力，从图13、14 中可以看出，随着励磁电流的变化，2 种电机的磁场都可以实现0 到最大值的平滑调节，同时保持良好的正弦度，这就保证了电机在宽转速范围运行状态和弱磁运行状态电机比较而言，由于拓扑1 励磁绕组结构具有较大的漏磁，从而在相同的励磁电流安匝和电枢绕组匝数下，拓扑1 电枢绕组中匝链的磁链幅值仅仅是拓扑 2 的 53%。3.3 磁场调节图

23、13、14 给出了2 种电励磁磁通切换电机的转子位置 (电角度 )/( )定子磁链/mwb- 250- 15- 51525590180 270 +5a/mm2360+3.33a/mm2+1.66 a/mm20 a/mm2转子位置 (电角度 )/( ) 反电势/v- 360- 181836090180 270 360+5a/mm2+3.33 a/mm2+1.66a/mm20 a/mm2图 13拓扑 1 磁场调节特性fig. 13 stator flux-linkage and back-emf of eefs1 machine with different field currents 转子位置

24、 (电角度 )/( )定子磁链/mwb- 600- 303060090180 270 +5 a/mm2360+3.33 a/mm2+1.66a/mm20 a/mm2转子位置 (电角度 )/( ) 反电势/v- 640- 323264090180 270 360+5a/mm2+3.33 a/mm2+1.66a/mm20 a/mm2图 14拓扑 2 磁场调节特性fig. 14 stator flux-linkage and back-emf of eefs2 machine with different field currents102 中国电机工程学报第 31 卷时同样有良好的控制性能。但是对

25、比图13、14，不难发现，由于拓扑1 存在着如前所述的漏磁问题，在相同的励磁电流安匝下，拓扑1的定子磁链约为拓扑2 的 50%左右。由于电励磁磁通切换电机磁链的高正弦度，使其适合运行在无刷交流模式；而电励磁双凸极电机适合运行在无刷直流模式，如图15 所示。转子位置 (电角度 )/( ) 反电势/v，相电流/a0 090 180 270 360反电势相电流电励磁磁通切换电机(无刷交流 ) 转子位置 (电角度 )/( ) 磁链/wb，相电流/a0 90 180 270 360相绕组磁链相电流0电励磁双凸极电机(无刷直流 ) 图 15电机运行模式fig. 15 operation principle

26、s3.4 定位力矩定位力矩定义为电枢绕组不通电流时，空载永磁磁场单独作用于气隙，定转子相对位置发生变化时产生的脉动转矩，一般只出现在在永磁电机中。在电励磁磁通切换电机中，由于定转子是双凸极结构，因此当电枢绕组不通电流时，励磁绕组通电流，定转子相对位置发生变化时也会产生脉动的转矩。定义这种脉动的转矩为电励磁磁通切换电机的定位力矩。图 16、17 给出了 2 种电励磁磁通切换电机的定位力矩波形。可以看出，由于2 种电机均是12/10 转子位置 (电角度 )/( ) 定位力矩/(n?m)- 30 - 113090 180 270 360- 22图 16 拓扑 1 定位力矩fig. 16 coggin

27、g torque in eefs1 machine 转子位置 (电角度 )/( ) 定位力矩/(n?m)- 40- 224090180 270 360图 17 拓扑 2 定位力矩fig. 17 cogging torque in eefs2 machine 结构，因此其定位力矩的每个周期为60 电角度 (6 机械角度 )，这与理论分析是一致的。但由于拓扑1漏磁较大，因此在相同励磁电流安匝下，其定位力矩要小于拓扑2。这也可以从气隙磁密的波形来解释。图 18、19 给出了 2 种电励磁磁通切换电机转子位置相同 (r= 9 )时的空载气隙磁密波形，由于拓扑1 漏磁较大，其气隙磁密较低， 导致其定位力

28、矩较低。转子位置 (电角度 )/( ) 气隙磁密/t- 2.550- 1.531.532.550.5190180 270 360- 0.51图 18拓扑 1 气隙磁密fig. 18 air-gap flux-density in eefs1 machine 转子位置 (电角度 )/( ) 气隙磁密/t- 5.050- 3.033.035.051.0190180 270 360- 1.01图 19拓扑 2 气隙磁密fig. 19 air-gap flux-density in eefs2 machine 3.5 电磁转矩及转矩密度图 20、21 分别给出了2 种电励磁磁通切换电机在不同电枢电流下

29、的电磁转矩。可以看出，在2 种电机电枢电流相等时，拓扑2 的转矩均要大于拓扑1。同时，电励磁磁通切换电机的电磁转矩中存在脉动，转矩脉动主要由2 部份引起： 1）由图 16、17 所示定位力矩引起的转矩脉动； 2）由于定子磁链、反电势不是完全理想的正弦波形所造成的脉动。第 24 期王宇等：新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析 103 转子位置 (电角度 )/( ) 电磁转矩/(n?m)00 26490 180 270 360电枢电流 6a 电枢电流 4a 电枢电流2a 图 20拓扑 1 电磁转矩fig. 20 torque of eefs1 machine with different arm

30、ature current 转子位置 (电角度 )/( ) 电磁转矩/(n?m)00 28490 180270 360电枢电流 6a 电枢电流4a 电枢电流2a 6图 21拓扑 2 电磁转矩fig. 21 torque of eefs2 machine with different armature current 在进一步的研究中，将研究转子斜槽等方法对定位力矩的抑制和提高定子磁链、反电势的正弦度，从而减小电机运行时的转矩脉动。图 22 给出了 2 种电励磁磁通切换电机的电磁转矩 电枢电流特性。由于电机体积相等，在相等的电枢电流安匝下，拓扑2 的转矩密度是拓扑1 的2倍。转子位置 (电角度

31、)/( ) 电磁转矩/(n?m)00 26490 180270 360拓扑 2 拓扑1 图 22转矩 - 电枢电流特性fig. 22 torque-armature current characteristics of eefs1 and eefs2 machines 4 结论1）电励磁磁通切换电机是一种新型的无刷交流电机，其转子结构与开关磁阻相似。励磁绕组的引入可以实现电机的全周期出力和发电。电机磁链的双极性提高了电机材料的利用率。2）在实现双极性磁链的前提下，励磁绕组的不同结构对电励磁磁通切换电机的漏磁、气隙磁密、转矩密度影响很大。通过有限元比较发现，电机拓扑 2 的励磁绕组连接方式具有更

32、高的励磁电流利用率和转矩密度。3）不管是永磁磁通切换电机17-19与电励磁磁通切换电机，都是将励磁源和电枢绕组置于定子，解放了转子，使其与开关磁阻电机在转子结构简单性、恶劣环境工作能力、高速适应性等方面具有相同的优势。本文对提出的电励磁磁通切换电机拓扑工作原理介绍和绕组连接方式比较对电励磁磁通切换电机的发展，混合励磁磁通切换电机21-22拓扑的丰富将提供借鉴。参考文献1 陈昊， 谢桂林 开关磁阻发电机系统研究j电工技术学报， 2001，16(6)：7-12chen hao， xie guilin research on the switched reluctance generator sys

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