郭春景

(焦作大學，焦作454000)

0 引 言

磁通切換電機的永磁體可以內(nèi)嵌于定子中，具有聚磁效應，現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)的磁通切換電機的電樞繞組和永磁體一般同時放置在定子側(cè)，使得電機的冷卻比較方便，其銅耗也比較低[1-3]。與此同時，其轉(zhuǎn)矩和功率密度可以與傳統(tǒng)表貼式永磁電機相媲美。因此，磁通切換電機在近些年得到廣泛的關(guān)注。關(guān)于磁通切換電機新型的拓撲結(jié)構(gòu)在不斷報道，其應用領(lǐng)域也在不斷的拓展[4-7]。

在傳統(tǒng)磁通切換電機的研究中，漏磁的研究一直是學者們關(guān)注的焦點。除了定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的漏磁外，電機的端部以及外定子側(cè)區(qū)域也存在漏磁。定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的漏磁可以通過齒形優(yōu)化的方法減小；對于雙凸極電機而言，端部的漏磁也是不可避免的，但對于外定子側(cè)漏磁的優(yōu)化則鮮有研究，目前還沒有相關(guān)報道。

為了減小外定子側(cè)的漏磁，更大程度上充分利用永磁材料，本文提出了一種新型的磁通切換電機的拓撲結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)徑向磁通切換電機的基礎(chǔ)上，引入徑向充磁的永磁體，可以減小外定子軛側(cè)的漏磁，同時增加繞組中匝鏈的永磁磁鏈，從而提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩和功率密度。

1 拓撲結(jié)構(gòu)

內(nèi)嵌有徑向充磁永磁體的新型磁通切換電機的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文研究的對象為12/10極磁通切換電機。電機在普通徑向磁通切換電機的基礎(chǔ)上，在“U”形定子軛外側(cè)放置有沿徑向充磁的永磁體，并將永磁體貼于環(huán)形定子軛的內(nèi)表面。沿徑向充磁的每極永磁體與其相鄰的2個沿環(huán)形充磁的永磁體構(gòu)成“U”形，且每個由永磁體構(gòu)成的“U”形，其永磁體的充磁方向均沿著“U”形內(nèi)側(cè)或均沿著“U”形外側(cè)。主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。參考傳統(tǒng)磁通切換電機的設(shè)計數(shù)據(jù)，電機的初始尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 電機拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 電機定轉(zhuǎn)子二維尺寸圖

表1 電機初始尺寸參數(shù)

2 原理分析

在沒有徑向充磁永磁體時，電機為傳統(tǒng)徑向結(jié)構(gòu)的磁通切換電機，其定子及定子中的磁路如圖3(a)所示。環(huán)形充磁的永磁體提供主磁通，由于漏磁的存在，使得電樞繞組匝鏈的主磁通減少，其感應電動勢也會相應減弱。本文所提的內(nèi)嵌有徑向充磁永磁體的磁通切換電機的定子及定子中的磁路如圖3(b)所示。由于徑向永磁體的存在，使得定子外側(cè)的漏磁減少，使環(huán)形充磁的永磁體得以充分利用；同時徑向永磁體的存在也增加了圖3(b)中的輔助磁路，進而“U”形定子齒中與電樞繞組匝鏈的磁鏈增加。

(a) 不帶徑向充磁永磁體的定子磁路

(b) 帶徑向充磁永磁體的定子磁路

3 有限元分析

3.1 氣隙磁密

圖4是新型磁通切換電機的氣隙磁密波形，是徑向充磁永磁體和環(huán)形充磁永磁體共同作用的結(jié)果。由于電機的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，所以磁密波形不規(guī)則，諧波較大。在θr=0°時，轉(zhuǎn)子凸極分別與環(huán)形永磁體正對。按圖1中A相繞組的排列方式，磁密波形中第一個最大值對應著線圈A2(A4)，第二個最大值出現(xiàn)的位置滯后90°的機械角度，對應著線圈A1(A3)。在轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)18°后，此時磁密波形中第一個負向最大值對應著線圈A1(A3)，第二個負向最大值出現(xiàn)的位置對應著線圈A2(A4)。隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，線圈的磁通隨著正負交替變化，也就實現(xiàn)了磁通切換。

(a) θr=0°

(b) θr=18°

3.2 永磁磁鏈

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體單獨作用時，永磁體與A相繞組匝鏈的磁鏈如圖5所示。徑向永磁體單獨作用時，磁鏈的正弦性較差；其與環(huán)形永磁體共同作用時，磁鏈具有很好的正弦性。2種永磁體共同作用時A相繞組的磁鏈略小于2種永磁體單獨作用時A相繞組的磁鏈之和。其主要原因是徑向永磁體的引入加劇了“U”形定子的飽和程度。

圖5 環(huán)形永磁和徑向永磁磁鏈之和

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體共同作用時，A相繞組的磁鏈如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，線圈A1和A3的磁鏈之和A13與線圈A2和A4的磁鏈之和A24的最大值并不在同一個轉(zhuǎn)子位置，這與傳統(tǒng)磁通切換電機的磁鏈有所區(qū)別。主要原因是徑向充磁永磁體的作用使磁通在定子軛中發(fā)生偏移，導致永磁磁鏈的最大值出現(xiàn)的位置發(fā)生偏移。盡管如此，A相的永磁磁鏈依舊具有很好的正弦性。三相永磁磁鏈如圖7所示。圖7說明三相永磁磁鏈的幅值和相位具有很好的對稱性，意味著本文所提出的磁通切換電機具有良好的對稱性。

圖6 A相的永磁磁鏈

圖7 三相永磁磁鏈 3.3 空載反電動勢

在環(huán)形充磁永磁體和徑向充磁永磁體單獨作用時，A相空載反電動勢如圖8所示。2種永磁體共同作用時A相反電動勢幅值略小于2種永磁體單獨作用時A相反電動勢之和，與圖5中磁鏈波形類似。三相反電動勢如圖9所示。反電動勢的正弦度較低，其主要原因是徑向永磁體的引入降低了反電動勢的正弦度。因此，徑向充磁永磁體的引入磁通切換電機，對反電動勢帶來一定的負面影響，也是后續(xù)研究需要進一步關(guān)注的地方。

圖8 環(huán)形充磁永磁體和徑向

圖9 三相反電動勢

4 結(jié) 語

本文提出了一種內(nèi)嵌有徑向充磁永磁體的磁通切換電機，研究了其拓撲結(jié)構(gòu)的特征，并結(jié)合有限元計算方法對氣隙磁密、磁鏈和反電動勢進行分析。形成如下結(jié)論：1)新型拓撲結(jié)構(gòu)的磁通切換電機的繞組結(jié)構(gòu)依然具有一致性和互補性；2)徑向永磁體的存在，增加了匝鏈磁鏈，同時也會引起定子鐵心的飽和，使其對磁鏈和反電動勢的貢獻與永磁用量并不呈線性關(guān)系。3)徑向永磁體的存在會對反電動勢的正弦度帶來負面影響，如何提高反電動勢的正弦度是這種拓撲結(jié)構(gòu)電機的研究方向之一。

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