新型混合励磁同步电机的设计与分析

新型混合励磁同步电机的设计与分析
摘要：交通电气化己经进入高速发展阶段，对电机系统的轻量化、安全性和效
率提出了更高要求。

传统永磁电机具有高效高功率密度的优点，但磁通难以调节，存在弱磁调速困难和故障灭磁困难等难题。

电励磁同步电机控制简单，可以通过
控制励磁电流的大小改变气隙磁场，实现电机调速的目的，但功率密度和效率较低。

混合励磁同步电机可以综合永磁电机和电励磁同步电机的优点，具有相对较
好的电磁性能和弱磁调速能力。

但是，传统的混合励磁同步电机在设计中往往采
用转子凸极中心对称放置的永磁体结构，使得电机的励磁转矩和磁阻转矩的最大
值在不同的电流相位角处叠加，导致转矩成分不能被充分利用。

基于此，本文通
过充分分析传统电励磁同步电机和传统混合励磁同步电机的结构特点和转矩特性，以励磁转矩和磁阻转矩能够在相同电流相位角处达到最大值为目标，提出一种具
有非对称转子结构的新型混合励磁同步电机，不仅提升了电磁转矩，而且降低转
矩脉动。

关键词：混合励磁同步电机；非对称转子；转矩密度
一、引言
自从法拉第在1821年发明世界上第一台电动机，近200年时间里电机迅速进入了人们
生活的方方面面。

小到风扇、洗衣机，大到航天飞机、远洋货轮，电机早已经成为现代人生
活的重要动力来源。

进入新世纪以来，随着我国经济社会的发展和世界能源结构的转变，节
能减排成为全社会的共识，提高能源利用效率逐渐成为我们社会生产的发展方向。

因此如何
提高电机的运行效率，成为了电机学研究的热门问题。

目前国内外高耗能行业单位产品能耗
相差达10%,我国电机系统运行效率和国外先进技术的差距达到20%，可见我国在提高能效方
面潜力巨大，任务艰巨。

我国的电机总耗电量约占全社会用电量的64%、工业用电的75%，
可见电机作为生产生活中主要的用电终端设备，在系统能效提升中起到至关重要的作用，高
效高性能电机是未来发展的核心与关键。

特别是在近年国家大力发展新能源汽车的背景下，
电机、控制系统、电池及能量管系统成为各家车企的核心技术之一。

二、极槽配合优化
电机选择合理的极槽配合方案不仅可以提高电机的转矩，同时可以降低磁动势谐波、气
隙磁密谐波、反电动势谐波和转矩脉动。

因此本文在提出的4极6槽电机模型的基础上，以
保持相同的电机尺寸、永磁体用量和绕组总匝数为前提,对比分析4极6槽、4极24槽、8极12槽、8极36槽、10极12槽五种极槽配合方案下的电机电磁性能，最终确定最优的极槽配
合方案。

图2.1 四种极槽配合方案模型
（一）不同极槽配合的电机模型
整数槽结构和分数槽结构都有着各自的优势与缺点，选取极槽配合方案时,除考虑反电动
势的正弦度、齿槽转矩、电机定转子损耗、谐波因素等，还应重点关注磁阻转矩和励磁转矩
能否在相同或相近的电流相位角处达到最大值，使得电机的转矩特性接近目标转矩特性。

在前文已有的4极6槽模型的基础上，针对整数槽电机和分数槽电机的不同特性，增加
了四种极槽配合方案。

其中整数槽方案一种：4极24槽方案（g=2）；分数槽方案三种：8
极12槽、8极36槽和10极12槽。

四种电机模型如图2.1所示。

（二）转矩特性分析
通过分析可以看出，新增加的四种极槽配合方案均能基本实现目标转，特别是10极12
槽方案，磁阻转矩和励磁转矩的利用率能达到100%和99.77%o其他方案的两个转矩成分利
用率均在97%以上。

但随着极槽配合方案的改变，磁阻转矩和励磁转矩的幅值有了变化，导
致总转矩相较4极6槽模型有提高也有降低。

仅以总电磁转矩为优化目标时，4极6槽、4
极24槽和8极36槽方案较好。

因此下一步需要从反电动势、转矩脉动等方面进一步分析。

三、转子优化
（一）励磁绕组优化
在极槽配合优化过程中为了控制变量，改变极槽配合时，需要控制其他条件如定转子尺寸、定转子线圈绕组总匝数、永磁体用量等条件保持不变。

特别是在保持转子线圈总匝数不
变的前提下，4极6槽优化为8极36槽时，转子励磁绕组匝数由160匝调整为80匝。

但通
过有限元仿真时发现转子上出现了较为严重的饱和现象。

图3.1 不同励磁绕组匝数下的磁通密度情况
如图3.1(a)所示，是电机额定负载状态(转子励磁电流为2A,电枢电流为2.8A,转速为
3000r/min)下的磁通密度，可以看出转子齿部、轨部和定子齿部都存在较为严重的饱和现象，转子辘部的一些区域的平均磁密超过1.7T,最大磁密发生在转子齿部为1.87T。

因此，为了降
低电机饱和程度，经过分析，将转子励磁绕组的匝数由原来的80匝降低到75匝，其他条件
不变。

调整后电机额定负载下的磁通密度如图 3.1(b)所示，此时电机饱和度有了明显的改善，特别是转子轨部的磁密均为超过1.6T。

优化励磁绕组匝数后，不仅可以改善电机的饱和状况，同时也可以进一步降低电机的损耗。

电机的转矩由优化前的6.68Nm降低至6.29Nme可以看出，电机的转矩降低的程度并不明显，却极好的改善了电机的饱和状况，为后期电机调速提
供了更为广阔的空间。

（二）转子形状优化
对电励磁同步电机而言，一般通过改变转子极靴形状或极弧系数削弱谐波磁通，来达到
改善气隙磁场的目的。

一般而言，电励磁同步电机的极弧系数值范围一般在0.55-0.75,由于电
励磁电机的设计自由度大，可以根据需要选择。

但是提出的新型混合励磁同步电机由于永磁
体的加入，特别是对永磁体进行偏置后，导致气隙磁密呈现非对称性，极弧系数的定义在此
电机上不再适用。

但由于新型混合励磁同步电机的转子结构与电励磁同步电机存在一定的相
似性。

因此想要进一步提高转矩，降低转矩脉动，可以借鉴电励磁电机对转子形状的优化思路，在保证永磁体用量和位置不变的前提下，改变转子每极弧度&和永磁体的厚度。

如图3.2
所示，进而起到削弱谐波磁通的目的。

图3.3 反电动势和谐波分析
四、永磁体定位及尺寸优化
为了充分利用励磁转矩和磁阻转矩，使两个转矩成分能够在大致相同的电流相位角处达
到最大值，本部分深入分析不同的永磁体位置和不同永磁体尺寸下对励磁转矩、磁阻转矩和
总转矩的影响。

（一）永磁体定位优化
首先，定义了永磁体位置角a：转子每极中心线到永磁体中心线的角度，如图4-1所示。

a的取值范围从0。

?8.5。

，以0.5。

为步长，逐步增大a的值。

例如：当0。

时，如图3-10(b)所示，对应的是永磁体的对称轴与转子对称轴重合,此时就是传统模型的永磁体位置；当8.5。

时，如图3-10(c)所示，此时永磁体完全偏置。

五、优化前后性能对比
为了评估新型混合励磁同步电机优化前后性能的提升情况，釆用有限元法对新型混合励
磁同步电机优化前后的电磁性能进行对比分析。

（一）优化后的电机参数
电机优化后的电机模型如图5-1所示，参数如表5-1所示。

（二）空载特性对比
图5-2为新型混合励磁同步电机优化前后的空载反电势与FFT分析对比。

如图5-2(a),优
化前的提出模型反电动势有效值为237.48V,优化后反电动势有效值251.68V,提升5.64%。

相较基础模型和传统模型，优化后的提出模型反电动势有效值分别提升16.14%和4.47%。

如图5-
2(b)所示，通过FFT分析后可知，优化前反电动势谐波主要集中在5次、7次、11次、17次、19次，且各次谐波的幅值较大。

优化后，反电动势的谐波主要出现在3次谐波上，其余次数
的谐波基本消除。

因此，总谐波畸变率有明显得降低，由优化前的65.40%降低为优化后的25.28%。

通过以上分析可知，优化前后，电机的空载反电动势提升幅度较小，但总谐波畸变
率大幅降低。

图5-3 优化前后额定负载下转矩对比
表5-2 优化后模型与优化前模型、基础模型和传统模型的对比
六、结论
本文在提出模型的基础上，以降低反电动势谐波、提升电磁转矩和降低转矩脉动为优化
目的，对提出模型进行了多目标优化，主要研究成果有：
以相同的电机尺寸和永磁体用量为前提，分析了5种极槽配合方案，其中8极36槽方
案兼顾了较低的反电动势谐波、较大的电磁转矩和较小的转矩脉动，确定为提出模型的最优
极槽配合方案。

分析了永磁体定位和尺寸对电机励磁转矩和磁阻转矩叠加的影响。

通过有限元方法，分
析了不同永磁体位置角对应的转矩成分叠加情况，随着永磁体位置角的逐渐增大，两个转矩
分量的峰值所在的相位角逐渐接近，总电磁转矩逐渐增大，故选择了永磁体完全偏置的方案。

对比了优化前后提出电机模型的性能，空载反电动势总谐波畸变率由优化前的65.40%降
低为25.58%,转矩脉动由优化前的31.64%降低至20.11%,总电磁转矩较优化前提升了12.22%。

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