王世永，刘 旭，董丹阳，王建飞

(1.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室 河北工业大学，天津 300130； 2.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室 河北工业大学，天津 300130; 3.中国船舶重工集团公司第七0七研究所，天津 300130)

0 引 言

由于永磁电机具有较高转矩密度和效率，它在电动汽车、航空航天、机械加工以及可再生能源等领域的应用越来越广泛。将永磁体和电枢绕组放置在电机定子上，开关磁链电机中永磁体产生的损耗容易耗散，具有较高的可靠性[1-11]。然而，传统开关磁链电机直轴电感较小，调速范围较窄，限制了该类电机在电动汽车和混合电动汽车等领域的应用[11]。

为了提高开关磁链电机的弱磁性能和调速区间，混合励磁开关磁链电机(以下简称HESFPM电机)被提了出来[13]。通过在定子槽中放置直流励磁绕组，实现对气隙磁场的调节。文献[12-14]介绍了新型混合励磁双凸极永磁电机的设计、磁场调节特性分析及其实验研究。在文献[15-21]中，不同结构的HESFPM电机表现出比传统的开关磁链电机更好的弱磁能力。文献[20-21]比较研究了直流励磁绕组放置在不同位置时的HESFPM电机调磁性能。因为直流励磁绕组和电枢绕组都是位于定子上，所以直流励磁绕组槽面积的增加必然会导致永磁体用量或电枢绕组槽面积的减少。第一种HESFPM电机(以下简称HESFPM-1)如图1(a)所示，直流励磁绕组仅占用部分永磁体体积，电枢绕组槽面积不受影响。而在第二种HESFPM电机(以下简称HESFPM-2)中，如图1(b)所示，直流励磁绕组的使用不仅减小了永磁体体积，而且也减小了电枢绕组的槽面积。因此，本文通过对两种不同结构HESFPM电机的优化，分析比较了两种不同直流励磁绕组位置对HESFPM 电机弱磁性能及调磁能力的影响。

(a) HESFPM-1拓扑结构

本文以12/10 HESFPM电机为例，首先介绍了两种不同类型的HESFPM电机的拓扑结构、工作原理和优化设计。其次，分析比较了两种电机在不同电枢绕组槽面积比下的转矩和调磁性能以及两种HESFPM电机分别在相同调磁系数和相同输出转矩两种条件下的转矩、磁链和反电动势等电磁性能以及调磁性能。此外，分析比较了永磁体长度和宽度以及定子齿宽对两种电机调磁能力的影响。

1 电机拓扑结构和工作原理

1.1 电机拓扑结构

两种不同结构的12/10 HESFPM电机结构如图1所示。HESFPM-1中的直流励磁绕组取代了传统开关磁链电机的部分永磁体，而HESFPM-2的直流励磁绕组放置在传统的开关磁链电机的轭部上，并且有导磁桥结构。与直流励磁绕组槽面积有限的HESFPM-1相比，采用不同励磁绕组放置位置的HESFPM-2的直流励磁绕组槽面积更大，在直流励磁绕组的设计上具有较高的灵活性。通过优化设计，HESFPM-1，HESFPM-2的主要设计参数如表1所示。为了更好地比较不同结构的HESFPM电机性能，两种电机在主要设计尺寸方面采取相同的尺寸：定子外径和冲片宽度分别为90mm和25mm，导磁桥厚度1 mm，转子结构相同。两种电机的定子轭宽不同，电机定子冲片直径90mm，因此电机体积相同。

表1 HESFPM电机主要设计参数

1.2 调磁工作原理

HESFPM-1, HESFPM-2调磁的工作原理如图2所示。HESFPM-1, HESFPM-2在永磁体励磁下的磁路如图2(a)、图2(c)所示。由于导磁桥的作用，使得部分永磁体磁通短路。HESFPM-1 和HESFPM-2 电机在永磁励磁和正向直流励磁(增磁)下的磁通分布如图2(b)、图2(d)所示，即增强电机气隙磁通密度。而施加反向直流励磁电流，电机的气隙磁通密度削弱。

(a) HESFPM-1永磁体励磁

(b) HESFPM-1永磁体+电励磁

(c) HESFPM-2永磁体励磁

(d) HESFPM-2永磁体+电励磁

为了评估电机的调磁能力，调磁系数定义如下：

(1)

式中：Ψpm,Ψmax,Ψmin分别代表了永磁磁链幅值和最大直流励磁电流下的增磁磁链与弱磁磁链。

直流励磁绕组和电枢绕组槽面积比γs定义：

式中：Sdc指的是直流励磁绕组槽面积；Sac指的是电枢绕组槽面积。

如图1(a)所示，HESFPM-1的直流励磁槽面积的增加会减小永磁体体积。对HESFPM-1和HESFPM-2，电机定子槽面积可以通过改变永磁体宽度、长度以及在不改变永磁磁链的情况下通过改变定子齿宽、定子轭宽、导磁桥宽度以及直流励磁槽宽度，以实现电机电枢绕组槽面积和直流励磁绕组槽面积的变化，进而改变电机性能。但是由于HESFPM-1和HESFPM-2结构的不同，尺寸的改变对电机槽面积的影响程度不同，因此针对不同电机结构参数，分析了两种电机的槽面积比变化范围以及电机转矩和调磁性能。

2 永磁体对电机转矩和调磁的影响

2.1 永磁体长度对电机的影响

图3比较了永磁体长度对两种电机槽面积的影响。由分析结果可知，HESFPM-1永磁体长度主要影响励磁绕组槽面积，而电机电枢绕组槽面积保持不变。随着永磁体长度在4～14 mm范围内递增，电机的槽面积比在0～0.5范围内递减。HESFPM-2永磁体的改变使得电机的定子结构发生变化，电机的电枢绕组槽面积和励磁绕组槽面积都随着永磁体改变而产生明显变化。随着永磁体长度在4～14 mm范围内递增，电机的槽面积比在0～20范围内递减。

(a) HESFPM-1槽面积变化

(b) HESFPM-2槽面积变化

不同永磁体长度对HESFPM-1和HESFPM-2转矩和调磁系数的影响如图4所示。随着永磁体长度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2转矩增大，但是相同永磁体下的HESFPM-1的转矩值大于HESFPM-2。随着永磁体长度的增加，两种电机的调磁系数都随之减少，但在相同永磁体长度时，HESFPM-2具有更高的调磁系数。在电机设计中，HESFPM-1对槽面积比变化更加敏感，而HESFPM-2转矩和调磁性能受槽面积比影响变化比较缓慢。

(a) 转矩

(b) 调磁系数

当HESFPM电机的直流励磁绕组和电枢绕组通入相同的电流密度(5 A/mm2)，电机电磁转矩和调磁系数随直流励磁绕组与电枢绕组槽面积比的变化如图5所示。从图5中可以看到，HESFPM-1的最大槽面积比γs仅只能达到0.58，然而 HESFPM-2的最大槽面积比γs可以达到6以上。图5(b)为电机转矩随直流励磁绕组与电枢绕组槽面积比变化的曲线。在相同直流励磁绕组与电枢绕组槽面积比下，HESFPM-2的转矩比HESFPM-1大。

(a) 调磁性能

(b) 转矩

2.1.1 相同调磁系数

如图6所示，随着调磁系数增大，HESFPM-1与

图6 不同调磁系数下HESFPM-1和HESFPM-2转矩曲线

HESFPM-2之间的转矩差值越来越大。当HESFPM-1和HESFPM-2在相同的调磁系数下，HESFPM-1的转矩值更大。

2.1.2 相同输出转矩

图7为HESFPM-1和HESFPM-2在不同的输出转矩下的调磁系数。从图7可知，HESFPM-1的调磁系数更大，但是随着转矩值增大，HESFPM-1与HESFPM-2的调磁系数越来接近。

图7 不同转矩下HESFPM-1和HESFPM-2的 调磁系数曲线

2.2 永磁体宽度对电机的影响

图8比较了永磁体宽度对HESFPM-1和HESFPM-2槽面积的影响。由分析结果可知，永磁体宽度对HESFPM-1电枢绕组槽面积影响比较大。随着永磁体宽度在1～5 mm范围内递增，电机的槽面积比在0.1～0.5范围内递增。HESFPM-2永磁体宽度的改变使得电机的定子结构发生变化，电机的电枢绕组槽面积发生明显改变，但励磁绕组槽面积保持不变。随着永磁体宽度在1～5 mm范围内递增，电机的槽面积比在2.5～5.5范围内递减。

(a) HESFPM-1

(b) HESFPM-2

不同永磁体宽度对HESFPM-1和HESFPM-2转矩和调磁系数的影响如图9所示。随着永磁体宽度的增加，HESFPM-1和HESFPM-2转矩都会先增大后减少，但是相同永磁体宽度下的HESFPM-1的转矩值大于HESFPM-2。HESFPM-1转矩随永磁体宽度变化明显，转矩最大值大约在永磁体宽度为3.6mm，而HESFPM-2永磁体宽度随永磁体宽度变化平缓，转矩最大值出现在永磁体宽度3 mm左右。随着永磁体宽度的增加，两种电机的调磁系数都随之减小，但在相同永磁体宽度时，HESFPM-2具有更大的调磁系数。

(a) 转矩

(b) 调磁系数

3 定子齿宽对电机转矩和调磁性能的影响

图10比较了定子齿宽对两种电机槽面积的影响。由分析结果可知，HESFPM-1定子齿宽主要影响电枢绕组槽面积，电机励磁绕组槽面积保持不变。随着定子齿宽在1～4 mm范围内递增，电机的槽面积比在0.15～0.35范围内递增。HESFPM-2定子齿宽的改变使得电机的电枢绕组槽面积产生明显变化。随着定子齿宽在1～4 mm范围内递增，电机的槽面积比在2～5范围内递增。

(a) HESFPM-1

不同定子齿宽对HESFPM-1和HESFPM-2转矩和调磁系数的影响如图11所示。随着定子齿宽的增加，两种电机的调磁系数都会先增大后减小，HESFPM-1最大调磁系数位于定子齿宽2.7 mm，HESFPM-2最大调磁系数位于定子齿宽1.4mm。由图11(b)可见，在相同定子齿宽时，HESFPM-2具有更高的调磁系数。随着定子齿宽的变化，HESFPM-2在相同定子齿宽下的转矩比HESFPM-1略大。HESFPM-1最大转矩位于定子齿宽3.6 mm处，HESFPM-2最大转矩位于定子齿宽2.8 mm处。

(a) 转矩

(b) 调磁系数

4 HESFPM电机实验验证

根据表2的电机设计尺寸，加工制造了一台12/10 HESFPM-2样机，电机定、转子如图12所示。图13比较了HESFPM-2的实测空载反电动势波形和2D有限元分析的空载反电动势波形。表3比较了样机的有限元和实验所得到的调磁系数。通过对比发现，实验与二维有限元分析结果较吻合，它们之间的误差主要由于端部效应、永磁材料理论和实际的差异、电机装配工艺等影响，因此使得仿真的空载反电动势值与电机实测值之间存在一定的误差(反电动势误差10%和调磁系数误差6.9%)。其中，为了保证定子冲片加工的机械强度，增加了导磁桥宽度(10%)。分析结果表明，有限元仿真结果与实验结果有较好的一致性，反电动势误差10%与调磁系数误差6.9%，满足要求。

表2 HESFPM-2电机样机主要设计参数

(a) 电机定子

(b) 电机转子

图13 HESFPM-2反电动势曲线表3 HESFPM电机实验对比

直流励磁电流Idc/A电压幅值U/Vkf/%有限元法-156.519 07.393158.362 24.94实验-155.786 06.6157.31823.22

5 结 语

本文设计并优化了两种类型的12/10 HESFPM电机，比较了不同结构HESFPM电机调磁能力。通过对两种定子HESFPM电机调磁能力的优化及比较可知：

1) 与直流励磁绕组槽面积有限的HESFPM-1相比，HESFPM-2具有更大的直流励磁绕组槽面积。

2) 在不同直流励磁与电枢绕组槽面积比下， HESFPM-1转矩和调磁性能受槽面积比影响较大。因此，在电机设计中，电机转矩和调磁性能对电机尺寸的设计比较敏感。对HESFPM-2而言，电机尺寸的改变对槽面积的影响明显。

3) 在相同永磁体长度下，HESFPM-2的电磁转矩低于HESFPM-1，但HESFPM-2调磁能力更好。