新型极无刷交流变磁通磁阻电机电磁性能研究

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1、新型12／10极无刷交流变磁通磁阻电机电磁性能研究蒋奎，张卓然，耿伟伟(南京航空航天大学，南京2lool6)摘要：本文讨论了一种新型12／10极无刷交流变磁通磁阻电机(VFRM)的结构及工作原理，对其磁场分布、空载特性、电感特性、电枢反应等电磁性能进行了深入研究，并就转矩输出能力与12／8极电励磁双凸极电机(DsEM)进行了对比。引入交流电机中槽电势星形图分析双凸极结构电机的绕组分布，使其与传统交流电机相统一。有限元分析结果表明，12／10极VFRM具有双极性相磁链、高正弦度反电势，适合于无刷交流运行，d、g轴电感波动很小且E户L口，电枢反应对相磁链以及反电势正负半周的对称性无

2、影响；此外，在相同励磁电流及电枢电流密度、相同电枢电流有效值、相同电负荷、相同总铜耗4种二【：作条件下，12／lOvFRM输出转矩一电枢电流特性较好。关键词：变磁通磁阻；双凸极；双极性磁链；无刷交流0引言永磁电机由于高功率密度、高效率而广泛应用于工业、航空、航天等领域，但永磁电机通过永磁体励磁，因此存在调磁困难、不可逆退磁等问题，如在飞机起动／发电系统中，电机处于高温、高压等恶劣环境中，永磁体极易发生不可逆退磁，且故障灭磁困难。此外，从稀土永磁材料的成本考虑，人们也开始尽量减少永磁体用量或者直接将其从电机中移除，而并不牺牲太多的性能。对于表贴式永磁电机及内置式永磁电机，位于转子

3、内的部分永磁体可以由直流励磁绕组代剖1。“。然而，由于直流励磁绕组位于转子内，滑环和电刷是必需的，另外，由直流励磁绕组发热造成潜在的永磁体退磁风险在设计阶段必须考虑。为了克服这些问题，已提出了双馈双凸极电机(DFDSM)，也可叫做电励磁双凸极电机(DSEM)p‘J，电励磁磁通切换电机(SFEM)【6。，混合励磁双凸极电机(HDsM)¨¨，以及混合励磁磁通切换电机(HsⅣ)IlZ。”j。在这些电机中，直流励磁绕组位于定子上，可以消除滑环及电刷并简化散热问题。此外，直流励磁及混合励磁电机中气隙磁密可调，从而可提高电机弱磁能力并且在宽速度范围内具有相对较高的效率。然而，由于在DSEM

4、及HEDSM中每相磁路不同，重载时磁链和反电势波形不对称性非常严重，这将导致很高的齿槽转矩及转矩脉动。为了克服这个问题，文献[14】提出一种新型分段结构的直线DFDSM，其可产生对称的磁链及反电势。然而，对于旋转DFDsM电机，由于定转子组合数的限制，该方法仅应用于直线电机。文献[15]中提出了一种新型变磁通磁阻电机(v]限M)，该电机具有与开关磁阻电机相似的双凸极结构，并且其直流励磁绕组位于定子。与DFDSM和sRM相比，VFRM具有更灵活的定／转子极数组合¨5

5、。对于6个定子极VFRM，5、7个转子电机可以获得更正弦的磁链和相反电势波形，但奇数个转子存在不平衡磁拉力(uMF

6、)，可将定转子极数同时加倍消除UMFLl6。。+基金项目：南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(k划201415)，中央高校基本科研业务费专项资金(NE2014102)，教育部新世纪优秀人才计划(NcET-13-0858)。一112—本文针对新型12／10极无刷交流变磁通磁阻电机，阐述电机结构及工作原理并对其磁场分布、空载特性、电感特性、电枢反应以及输出转矩等电磁性能进行深入研究。1电机结构与运行原理1．1电机结构典型的12，8极电励磁双凸极电机结构如图l、图2所示，定子极采用平行齿。12／lO极无刷交流变磁通磁阻电机结构如图2。所示，从图中可以看出，12／10极无

7、刷交流Ⅵ'RM电机定转子仍为与开关磁阻电机相似的双凸极结构，与12／8极双凸极电机结构不同之处在于其励磁绕组平均分布于每个定子槽中，因此定子极采用对称径向齿结构，每个定子齿均绕有非重叠集中电枢绕组，转子为8个转子极。图l12／8极DsEM结构图212／10极VFlu订结构图3所示为12／10极无刷交流VFRM电机绕组连接示意图，每个定子槽中均放置有励磁绕组，励磁绕组连接方向如图中所示。爿、曰、C为三相电枢绕组，对于每一相，空间相对的4个电枢线圈串联或并联构成一相。图示时刻，对于占相绕组来说，其中一个定子齿与转子极对齐，转子极即将滑出定子齿，而口相的另一个定子极与转子槽对齐，又因

8、为B1、B2电枢线圈所在定子齿励磁磁通方向相反，因此，每相相邻的两个电枢线圈应正向串联或正向并联，这与传统12／8极双凸极电机不同，12／8极双凸极电机同一相两相邻电枢线圈所在定子齿或者同时与转子极对齐或者同时与转子槽对齐，因此，其同一相两相邻电枢线圈应反向连接。图312／lOVFRM电机绕组连接图与三相交流电机类似，也可通过槽电势相量星形图来分析双凸极电机结构的绕组分布，图4所示为12／8极双凸极电机电势相量图。对于12／8极结构电机，定子极距为240。电角度，但励磁磁场每隔三个电枢线圈方