井立兵 高起興 王沖 羅正豪 解立輝 胡康

摘要：提出一種新型雙轉(zhuǎn)子混合勵磁電機(jī)（dual?rotor hybrid excitation motor，DRHEM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過單定子—雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電勵磁雙凸極電機(jī)（doubly salient electromagnetic motor，DSEM）和永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）的高效結(jié)合。給出了所研究電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，討論了DSEM部分和PMSM部分的極槽匹配原則。通過建立電機(jī)有限元求解模型，計算和分析了電機(jī)內(nèi)的電磁場，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。研究結(jié)果表明：新結(jié)構(gòu)混合勵磁具有簡單、緊湊、無刷勵磁、電磁損耗小等特點。通過勵磁電流的調(diào)節(jié)，優(yōu)化后的混合勵磁電機(jī)具備良好的調(diào)磁性能和寬廣的調(diào)磁范圍，在航空電源啟動系統(tǒng)中有重要應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：混合勵磁;永磁同步電機(jī);電勵磁雙凸極電機(jī);極槽匹配;雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.006

中圖分類號：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）09-0043-08

Optimization design and characteristic analysis of ?dual?rotor hybrid excitation motor

JING Li?bing1，2，GAO Qi?xing1，WANG Chong3，LUO Zheng?hao4，?XIE Li?hui1，2，HU Kang5

（1.College of Electrical Engineering & New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

2.Hubei Micro?grid Engineering Technology Research Centre， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

3. Smart Distribution Network Center of State Grid Jibei Electric Power Limited Company，Qingdao 066100;

4.State Grid Ji′an Power Supply Company，Ji′an 343000，China;?5.State Grid Xiaogan Electric Power Supply Company，Xiaogan 432000，China））

Abstract：

A novel topology of the dual?rotor hybrid excitation motor （DRHEM） was presented， which combines doubly salient electromagnetic motor （DSEM） with permanent magnet synchronous motor （PMSM） bya single?stator， dual?rotor structure.The basic structure and operating principle of the proposed motor were given; the combination criterion of the DRHEM was discussed.By establishing the finite element model of DRHEM， the electromagnetic field in the motor was calculated and analyzed， and the optimal structure and parameters were given.The research results show that the DRHEM has the advantages of simple， compact， brushless excitation， small electromagnetic loss and so on.Through adjustment of the excitation current， the optimized DRHEM has a better field?regulating capability and wider field?regulating range，which has important application value in the aviation power start system.

Keywords：hybrid excitation; PMSM;DSEM;combination criterion;dual?rotor structure

0引言

永磁電機(jī)的特點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單及運(yùn)行高效，目前在很多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，永磁電機(jī)對氣隙磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)能力有限，作為電動機(jī)時，在航空電源系統(tǒng)等需寬調(diào)速區(qū)間的驅(qū)動應(yīng)用中將會受到限制;作為發(fā)電機(jī)時，較大的電壓調(diào)整率將會影響通電質(zhì)量。因此，調(diào)整永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，合理引進(jìn)勵磁線圈，通過混合勵磁實現(xiàn)對電機(jī)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)成為國內(nèi)外電機(jī)界學(xué)者研究的一個重要方向。

混合勵磁電機(jī)具有高功率密度，寬范圍調(diào)磁的優(yōu)點，在航空電源系統(tǒng)和電動汽車領(lǐng)域具有較高應(yīng)用價值。在此類電機(jī)中：串聯(lián)混合勵磁電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，有較強(qiáng)的氣隙磁場調(diào)節(jié)能力;但較大的勵磁電流可以使永磁體永久退磁，因此，國內(nèi)外學(xué)者對此研究較少。而并聯(lián)混合勵磁電機(jī)不存在永磁體退磁問題。文獻(xiàn)分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并聯(lián)混合電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理以及控制技術(shù)。文獻(xiàn)比較了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并聯(lián)混合勵磁電機(jī)各自的優(yōu)勢與劣勢。目前為止仍沒有一種混合勵磁電機(jī)可以克服自身缺點，又能具備其他結(jié)構(gòu)電機(jī)的優(yōu)點。所以，混合勵磁電機(jī)仍需朝著高功率密度，簡化結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的調(diào)磁性能方向發(fā)展。

本文提出一種新型雙轉(zhuǎn)子混合勵磁電機(jī)（DRHEM），通過單定子-雙轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)電勵磁雙凸極電機(jī)（DSEM）和永磁同步電機(jī)（PMSM）的有效結(jié)合。利用DSEM磁場可調(diào)特性拓寬電機(jī)的磁通調(diào)節(jié)范圍，同時達(dá)到勵磁無刷效果。該結(jié)構(gòu)可減小電機(jī)體積，使兩類電機(jī)緊湊結(jié)合，電樞繞組端部可大大縮短，從而降低繞組銅耗。本文給出了該電機(jī)結(jié)構(gòu)和兩類電機(jī)的結(jié)合原則，提出一種有效優(yōu)化方案，并利用有限元軟件建立該模型，分析該電機(jī)電磁特性以及它的調(diào)磁性能。

1DRHEM結(jié)構(gòu)原理

圖1是雙轉(zhuǎn)子混合勵磁電機(jī)（dual?rotor hybrid excitation motor，DRHEM）基本結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子分別同中間定子組成內(nèi)電機(jī)單元和外電機(jī)單元。定子兩側(cè)同時開槽，電樞繞組通過定子連接兩部分電機(jī)單元。所以，電機(jī)的感應(yīng)電動勢是內(nèi)、外電機(jī)單元電動勢之和;并且內(nèi)、外兩個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均相同。

DRHEM可以有兩類拓?fù)洌和鈧?cè)是PMSM、內(nèi)側(cè)是DSEM;另一類外側(cè)是DSEM、內(nèi)側(cè)是PMSM。前者的優(yōu)勢是有利于提高電機(jī)運(yùn)行效率，但內(nèi)側(cè)電勵磁電機(jī)若實現(xiàn)有效磁場調(diào)節(jié)，對電流要求較高，較大的電流會造成中間定子磁路飽和。而后者拓?fù)潆m然降低了電機(jī)運(yùn)行效率，但有利于外側(cè)電勵磁電機(jī)實現(xiàn)對電機(jī)磁路的調(diào)控。本文選取DSEM作為外電機(jī)單元，PMSM作為內(nèi)電機(jī)單元的組合。

在DRHEM結(jié)構(gòu)上，DSEM單元和PMSM單元徑向同心分布，二者在磁路上相互獨(dú)立;而在電路上兩單元電機(jī)共用一套電樞繞組，兩單元電機(jī)又相互耦合。磁路的獨(dú)立不會影響兩單元電機(jī)電樞繞組相電勢的疊加，從而實現(xiàn)了混合勵磁電機(jī)的對磁場性能的調(diào)節(jié)。

圖2是DRHEM的磁通調(diào)節(jié)原理示意圖。在空載時，永磁磁通φpm不變，通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變電勵磁磁通φem的大小和方向。因此電樞繞組的總磁通φ為：

φ=φpm+φem（1）

由于永磁磁通φpm保持不變，可以保證永磁體的工作點不變，而通過改變電勵磁磁通的大小和方向，對整個電機(jī)磁通可以實現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)。

每匝線圈的磁鏈可表示為：

ψ=N=Npm+Nem=ψpm+ψem。（2）

式中N為線圈匝數(shù);ψpm和ψem分別是永磁體和電流勵磁產(chǎn)生的磁鏈。

感應(yīng)電動勢可表示為：

Ecoil=dψdt=d（ψpm+ψem）dt。（3）

設(shè)計DRHEM的重要一點在于是否可以調(diào)節(jié)DSEM勵磁電流從而抵消PMSM磁場，在電機(jī)發(fā)生短路時能夠?qū)崿F(xiàn)高效滅磁。

2設(shè)計原則及優(yōu)化

2.1電機(jī)組合原則

DSEM和PMSM的電氣頻率分別是：

fe=npe/60，（4）

fs=nps/60。（5）

其中：pe是DSEM轉(zhuǎn)子極數(shù);ps是PMSM極對數(shù)。

兩單元電機(jī)結(jié)合的基本原則是實現(xiàn)兩部分電樞繞組的直接串聯(lián)。要保證兩個單元電機(jī)電氣頻率相等必須讓PMSM極對數(shù)與DSEM轉(zhuǎn)子極數(shù)相等。12/8極雙凸極電機(jī)是一種常見的且運(yùn)行性能較佳的雙凸極電機(jī)極數(shù)搭配。由式（4）、式（5）可知，與轉(zhuǎn)子極數(shù)為8的DSEM匹配的PMSM永磁體極數(shù)為16。另外，永磁電機(jī)槽數(shù)和繞組形式對DRHEM的性能也至關(guān)重要。因此與定子極數(shù)為12的雙層繞組DSEM所匹配的PMSM為12槽雙層繞組或者24槽單層繞組。本文通過繞組系數(shù)和磁動勢的計算來驗證永磁電機(jī)16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組兩套極槽搭配可行性并通過比較二者性能來選擇合適的極槽搭配。

雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的v次諧波的繞組系數(shù)可表示為

kwv=kpvkdv。（6）

若電機(jī)槽數(shù)為Qs，相數(shù)為m，極對數(shù)為p，文獻(xiàn)給出了雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組短距系數(shù)和分布系數(shù)的計算公式，如式（7）、式（8），但也指出該公式對于一些個別極槽搭配組合并不適用。

分?jǐn)?shù)槽雙層繞組v次諧波的短距系數(shù)為

kpv=sinvpαsy12。（7）

式中：v為諧波次數(shù);αs=2π/Qs為槽距角，Qs為電機(jī)槽數(shù);y1為節(jié)距。

雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的分布系數(shù)kdv可表示為

kdv=sin（π2m）qph2sin（αphv2），當(dāng)qph為偶數(shù)，?v=（2n-1）tp，n=1，2，3…;

sin（π2m）qphsin（αphv4），當(dāng)qph為奇數(shù)，?v=ntp，n=1，2，3…。（8）

式中：t為電機(jī)單元數(shù);qph=Qsmt為一個單元電機(jī)的每相槽數(shù);αphv=2πQs/t（1+phvp-pt）為槽電動勢相鄰相量間的電角度;ph=kQs/t+1p/t，k為使ph為整數(shù)的最小整數(shù)。

對于繞組系數(shù)的計算，文獻(xiàn)給出了不同極槽配合下單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組不同計算方法。文獻(xiàn)詳細(xì)整理了常見極槽搭配單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的繞組系數(shù)，對于本文16極24槽單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的繞組系數(shù)可直接通過查表獲得。對其具體計算方法本文不再贅述。

由上述計算方法可知，16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組的繞組系數(shù)皆為0.866。從繞組系數(shù)的角度考慮，該值較為理想，兩套極槽搭配均可以采用。

同時繞組形式和極槽搭配是否合理也影響電機(jī)磁動勢諧波。盡管一些極槽搭配有較高的基波繞組系數(shù)，但這個磁動勢可能會含有較大的諧波，從而導(dǎo)致低階力波振動過大。圖3是16極12槽雙層繞組和16極24槽單層繞組的磁動勢波形和磁動勢諧波圖。由圖可知雙層繞組將產(chǎn)生4次諧波磁動勢，其幅值大約是基波幅值的2倍，這將造成4次諧波的力波振動。而單層繞組也會產(chǎn)生4次諧波磁動勢，但幅值與基波幅值大致相等，引起的力波振動要比雙層繞組引起的力波振動小很多。同時由于該P(yáng)MSM力波階數(shù)比較大，力波振動對電機(jī)影響較小。因此本文研究的DRHEM選取12/8極DSEM為外側(cè)電勵磁單元，16極24槽單層繞組PMSM為內(nèi)側(cè)永磁電機(jī)單元。圖4是本文兩單元電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖。

為實現(xiàn)兩單元電機(jī)結(jié)構(gòu)上的高效結(jié)合。圖5是一種兩單元電機(jī)的公共新型定子結(jié)構(gòu)。該定子外側(cè)為DSEM定子極，內(nèi)側(cè)為PMSM定子槽。該混合勵磁電機(jī)的電樞繞組和勵磁繞組均在定子上，兩個單元電機(jī)均具備無刷勵磁效果。同時，為了消除永磁磁極和電勵磁磁極的相互影響，在中間定子中加入隔磁環(huán)。通過對兩單元電機(jī)槽數(shù)的匹配，外單元電機(jī)為12槽雙層繞組，內(nèi)單元電機(jī)為24槽單層繞組，內(nèi)、外側(cè)每相的繞組數(shù)量和繞組總數(shù)均相同，滿足雙轉(zhuǎn)子電機(jī)電樞繞組直接串聯(lián)條件。電樞繞組從PMSM的定子槽穿向DSEM的定子極，在中間定子中實現(xiàn)直接串聯(lián)，其連接方式如圖6所示。兩單元電機(jī)共用一套電機(jī)繞組，電機(jī)繞組端部較短，約為同功率電機(jī)的一半，在增大電機(jī)電樞繞組利用效率的同時可以改善電樞繞組端部的漏感和銅耗。

2.2優(yōu)化調(diào)整

DRHEM的感應(yīng)電動勢為內(nèi)外兩單元電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動勢之和。當(dāng)兩單元電機(jī)相電動勢波形相似時，才能提高兩電動勢的疊加效率。為了更有效疊加，DSEM的相電動勢波形應(yīng)該更接近PMSM的波形。DSEM轉(zhuǎn)子極弧對于其相電動勢波形有重要影響。圖7是正常轉(zhuǎn)子極弧和加寬后轉(zhuǎn)子極弧的雙凸極電機(jī)局部圖。

圖8為PMSM相電動勢仿真波形和DSEM轉(zhuǎn)子極弧取16°、18.5°、21°、23.5°時的相電動勢波形。隨著DSEM轉(zhuǎn)子極弧的改變，相電動勢的波形周期保持不變，但其峰值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置角度會發(fā)生一定偏移。當(dāng)DSEM轉(zhuǎn)子極弧為21°時，兩電動勢波形最接近。通過優(yōu)化相電動勢波形，使混合勵磁電機(jī)的設(shè)計更加完善和合理。

3有限元仿真驗證

為驗證所提出的DRHEM電磁特性，表1和圖9分別給出電機(jī)的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖10是在不同勵磁電流下磁力線分布圖。由于隔磁環(huán)的存在，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中內(nèi)電機(jī)單元和外電機(jī)單元的磁力線是相互獨(dú)立的。隨著勵磁電流的增加，DSEM部分的磁密會增大，而PMSM部分磁密保持不變。

圖11是在不同勵磁電流下的相繞組磁鏈合成波形。如If大于0，相比勵磁電流為0時，繞組為增磁狀態(tài)，磁鏈增大;如If小于0，相比勵磁電流為0時，繞組為弱磁狀態(tài)，磁鏈削弱。從圖中可知，勵磁電流對磁通可以進(jìn)行有效的雙向調(diào)節(jié);同時該混合勵磁電機(jī)不能將磁鏈調(diào)節(jié)到0，而是將其固定在一定值，這是由雙凸極電機(jī)部分磁鏈單極性脈動導(dǎo)致。

圖12是兩單元電機(jī)相電動勢疊加結(jié)果。從圖中可知，疊加后的波形形狀趨近正弦波;從圖形幅值來看，當(dāng)If大于0時，感應(yīng)電動勢則增大;當(dāng)If小于0時，感應(yīng)電動勢將被削弱。通過調(diào)控勵磁電流，可以實現(xiàn)合成相電動勢幅值的增強(qiáng)或者削弱，并且當(dāng)If=-10 A時，電機(jī)相電動勢幅值趨近0。

圖13為電機(jī)三相電樞繞組全橋整流器連接圖，圖14為電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min時的輸出整流電壓。由圖可知，輸出的電壓隨勵磁電流的增大而增加，這與磁通控制原理一致。

電機(jī)電磁損耗分為銅損和鐵損，為減小銅損，在保持繞組電流不變的前提下，只能減少繞組電阻來降低銅損。該混合勵磁電機(jī)中間定子結(jié)構(gòu)能縮短電樞繞組端部，增大了電樞繞組的利用率，與同效率運(yùn)行的電機(jī)相比，大大降低了銅損。

圖15是混合勵磁電機(jī)在不同勵磁電流下空載運(yùn)行時的銅損和鐵損曲線。從圖中可知，電機(jī)的銅損和鐵損都隨著勵磁電流的增大而上升;同時電機(jī)的鐵損還受電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，轉(zhuǎn)速越高，鐵損越大。由于永磁磁場的存在，即使勵磁電流為0時，仍有一部分鐵損存在。

4結(jié)論

本文研究了一種雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的混合勵磁電機(jī)，該電機(jī)定子為DSEM和PMSM的共用定子，實現(xiàn)了DSEM和PMSM高效結(jié)合。討論了PMSM轉(zhuǎn)子極對數(shù)和DSEM轉(zhuǎn)子極數(shù)的匹配原則以及電樞繞組的連接方案。優(yōu)化了DSEM轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)用以改善感應(yīng)電動勢波形。最后，通過實例模型計算驗證了該混合勵磁電機(jī)的可行性及其電磁特性。結(jié)果表明，該DRHEM結(jié)合了DSEM和PMSM的優(yōu)勢，具有無刷勵磁效果，擁有良好的勵磁調(diào)節(jié)性能。同時該混合勵磁電機(jī)具備電樞繞組端部短的優(yōu)勢。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]王鳳翔.永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（3）：12-24.

WANG Fengxiang. Application and development tendency of pm machines in wind power generation system.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（3）：12-24.

[2]LIU Z M， ZHAO W， JI J H， et al. A novel double?stator tubularvernier permanent?magnet motor with high thrust density and low cogging force. IEEE Transactions on Magnetics， 2015， 51（7）：1-7.

[3]OWEN R L，ZHU Z Q， JEWELL G W. Hybrid?excited flux?switching permanent?magnet machines with iron flux bridges. IEEE Transactions on Magnetics， 2010， 46（6）：1726-1729.

[4]朱孝勇，程明，趙文祥，等. 混合勵磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望. 電工技術(shù)學(xué)報，2008， 23（1）： 30-39.

ZHU Xiaoyong，CHENG Ming， ZHAO Weniang， et al. An overview of hybrid excited electric machine capable of field control .Transactions of China Electrotechnical Society，2008， 23（1）：2-2.

[5]耿偉偉， 張卓然， 于立，等. 新型并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理及其磁場調(diào)節(jié)特性. 電工技術(shù)學(xué)報， 2013， 28（11）：131-137.

GENG Weiwei， ZHANG Zhuoran， YU Li， et al. Operation principle and flux regulation characteristics of a new parallel hybrid excitation blushless DC machine. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（11）：131-137.

[6]張卓然. 新型混合勵磁同步電機(jī)特性研究. 南京航空航天大學(xué)， 2009.

[7]張卓然， 陳志輝， 嚴(yán)仰光. 新型切向磁鋼混合勵磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報， 2007， 39（5）：565-569.

ZHANG Zhuoran，CHEN Zhihui， YAN Yangguang. Configuration and operating principle of novel hybrid excitation synchronous machine. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2007， 39（5）：565-569.

[8]ZHANG Z， TAO Y， YAN Y. Investigation of anew topology of hybrid excitation doubly salient brushless DC generator.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（6）：2550-2556.

[9]WANG Y， DENG Z. Parallel hybrid excitation machines and their control schemes for DC generation system. IET Electric Power Applications， 2012， 6（9）：669-680.

[10]趙紀(jì)龍， 林明耀， 付興賀，等. 混合勵磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)綜述和新進(jìn)展. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2014， 34（33）：5876-5887.

ZHAO Jilong， LIN Mingyao， FU Xinghe， et al. An overview and new progress of hybrid excited synchronous machines and control technologies. ZhongguoDianjiGongchengXuebao， 2014， 34（33）：5876-5887.

[11]王法慶. 雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究. 山東大學(xué)， 2007.

[12]程澤高. 雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁電機(jī)理論與仿真研究. 湖南大學(xué)， 2012.

[13]NAN L， DONG W， KUN W， et al. Mathematical model and equivalent analysis of a novel hybrid excitation synchronous machine. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017.

[14]GENG W，ZHANG Z，JIANG K，et al.A new parallel hybrid excitation machine： permanent magnet/variable reluctance machine with bidirectional field regulating capability.IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 62（3）：1372-1381.

[15]張海波. 三相12/8電勵磁雙凸極電機(jī)起動控制系統(tǒng)無位置傳感器技術(shù)的研究. 南京航空航天大學(xué)， 2014.

[16]Bianchi N，Dai P M.，AlbertiL G.Theory and design of fractional?slot PM machine. CLEUP， Padova，2007.

[17]段世英. 分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁同步電機(jī)的若干問題研究. 華中科技大學(xué)， 2014.

[18]陳進(jìn)華. 異向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)研究. 沈陽工業(yè)大學(xué)， 2012.

[19]張文， 鄭曉欽， 吳新振. 多相感應(yīng)電機(jī)三維電磁分析與損耗計算. 電工技術(shù)學(xué)報， 2018， 33（S2）：81-87.

ZHANG Wen， ZHENG Xiaoqin， WU Xinzhen. Three?dimensional electromagnetic analysis and loss calculation of multiphase induction motors. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（S2）：81-87.