磁通切换电动机综述

磁通切换电动机综述

LI Xinzhe;DOU Ying;WU Xi

【摘要】磁通切换电动机是一种新型无刷结构的双凸极直流电动机.其结构简单、坚固耐用,适合宽转速范围运行,具有较高的功率密度和效率,应用前景比较广泛.介绍永磁、电励磁和混合励磁切换电动机的发展概况,分析永磁磁通切换电动机的分析方法的历程,针对磁通切换电动机研究现状,探讨了磁通切换电动机技术的发展趋势和研究方向.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年(卷),期】2018(047)006

【总页数】5页(P228-231,235)

【关键词】磁通切换电动机;永磁;电励磁;混合励磁;综述

【作者】LI Xinzhe;DOU Ying;WU Xi

【作者单位】;;

【正文语种】中文

【中图分类】TM33

0 引言

磁通切换型电动机(flux-switching machine, FSM)是一种新型无刷结构的双凸极直流电动机。它具有双凸极电动机的基本特征，但磁通切换电动机的运行原理和控制策略与双凸极电动机却存在很大的差异。磁通切换型电动机既可以作为发电机，

也可以作为电动机。目前国际上对FSM电动机的研究尚停留在初步理论和样机实验阶段；就国内而言，我国对FSM的研究起步相对较晚，目前仍处于研究的初期阶段，且研究成果主要集中在多相永磁磁通切换型电动机的参数计算和建模分析，实际成型的电动机产品应用于实际的并不多。本文主要阐述了该电动机的研究现状及其发展趋势，以期能够更好地推动我国国内在磁通切换电动机领域的研究与发展。

1 磁通切换型电动机分类

磁通切换型电动机FSM主要有两种典型的结构形式：径向磁场磁通切换电动机和轴向磁场磁通切换电动机。电动机磁通切换的运行原理本质上完全相同，两种结构的主要区别在于电动机磁通的路径不同。按照励磁方式划分，FSM电动机可分为

永磁式、电励磁式和混合励磁式三类，本文主要就这三种电动机来介绍磁通切换型电动机的发展。

1.1 永磁磁通切换电动机(FSPM)

永磁电动机具有结构简单，运行可靠等优点，其永磁体安置在定子“U”型铁芯之间，避免了永磁体置于转子时所导致的诸如永磁体固定复杂、散热困难、温升过高等导致的永磁体不可逆退磁等诸多问题。

在1997年的EPE(european conference power electronics and applications)会议上，法国学者E．Hoang提出了磁通切换永磁电动机(flux switching permanent magnet machine，FSPM)的概念，发表了FSPM电动机的学术论文，引起了广泛的关注[1]。该文章介绍了一种三相FSPM电动机的结构，其定子有12个齿，转子有10极，且定子上嵌有12块铁氧体材料的永磁体，并阐述了该电动

机的磁通切换原理，采用二维有限元法分析了电动机的静态特性。2003年，作为欧洲航空局“power optimised aircraft”计划的一部分，针对航天器中加油装置，研究了其中电动机的设计方法，重点从永磁材料的选择上比较了不同材料对该电动机性能的影响[2]。法国Brittany Branch Campus of ENS de Cachan通过比较

了不同永磁材料对FSPM性能的影响，将该电动机应用于油枕，减小非推进损耗，改善系统性能和提高效率[3]。2005年，罗切斯特大学Y. Cheng将永磁体代替两相电励磁磁通切换电动机中的直流励磁绕组，提出了单相8/4极FSPM[4]，按照

获取平顶波感应电动势的要求进行电动机设计，且通过改变转子外形获取启动转矩。英国Sheffield大学的Z.Q.Zhu教授对磁通切换电动机进行了多种拓扑研究，包括交错极绕线、E型铁心、C型铁心和多齿等拓扑结构[5]。东南大学花为等设计出一种两相、四相U型铁心永磁磁通切换型电动机，在两相运行时可以减少功率电子

元件数，节省成本，且具有容错能力[6]。2013年，高亚军等提出了一种新型五相磁通切换永磁电动机，并研究了该电动机的容错控制策略[7]。东南大学的林明耀

教授提出了一种双定子单转子的双凸极结构轴向磁场磁通切换永磁电动机，并对电动机设计、静态特性和齿槽转矩抑制进行了深入系统的研究[8]，该电动机结构简单、体积小、控制灵活、功率/转矩密度高。

1.2 电励磁磁通切换电动机(FSEM)

1999年，Leicester大学C.Pollock教授提出了磁通切换型两相电励磁电动机(flux switching electro-magnet machine，FSEM )[9]，凸极转子上没有永磁体和绕组，4个定子槽中2个放置电流极性不变的励磁绕组“F”，另外2个放电枢绕组“A”，励磁绕组和电枢绕组均跨越2个定子齿。2011年，王宇、邓智泉等提出

两种新的FSEM电动机，如图1、图2所示，其定子磁链为双极性，定子磁链与

反电势波均体现出较高的正弦度，适合在无刷交流场合运行[10]。

电励磁磁通切换电动机中，励磁绕组通过的是直流电，电枢绕组中交变的电流方向决定了电动机中的磁通方向，励磁绕组可以采用与电枢绕组串联的方式(在电流较大，电压较低情况下)，也可以采取并联的方式(在绕组匝数较多情况下)分别如图

3(a)、图3(b)所示。串联方式中，励磁绕组也担负着滤波器的作用。

图1 电励磁磁通切换电动机结构1

图2 电励磁磁通切换电动机结构2

图3 两相电励磁磁通切换电动机励磁绕组连接方式

1.3 混合励磁磁通切换电动机

混合励磁型磁通切换电动机(flux switching hybrid excitation machine，FSHM )是在永磁磁通切换电动机基础之上发展起来的一种新型无刷电动机，其永磁体、电枢绕组和励磁绕组都置于定子内，转子结构简单、可靠，适合高速运行。

FSHM电动机中两个磁势源同时存在，一是永磁体，它在气隙中产生一个基本不

变的磁通；另一个是励磁绕组，在电动机工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使得气隙中的磁通发生变化。它集成了FSEM调磁方便和FSPM效率高、转矩质量比大等优点，同时又克服了FSPM磁场调节难的缺陷，可以有效利用永

磁材料，减小电动机体积，具有较大的推广应用价值。

2007年，法国学者E.Hoang继1997年发表三相FSPM学术论文后，又推出了

12/10极三相双励磁磁通切换型电动机[11]。此后，东南大学和南京航空航天大学提出了新型三相双励磁磁通切换型电动机[12-14]。浙江大学又于2009年提出了

2倍于FSPM永磁体数的双励磁磁通切换型电动机[15]。2008年，由许泽刚等提

出的并列式混合励磁磁通切换型电动机[16]，由电励磁磁通切换电动机和永磁磁通切换电动机并列组合而成(图4)，现在已成为磁通切换电动机的热点。2个电动机

共用壳体和转轴，电枢绕组相串联，但电枢和转子互相独立，中间用隔磁环(气隙)隔开，真正实现了两部分气隙磁场的叠加，永磁段与电励磁段部分铁心长度的比例可以根据应用场合进行调整。东南大学林明耀教授提出了混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电动机，兼具轴向磁场和混合励磁电动机的优点，适合电动汽车等宽调速领域的应用，并对该电动机的静态性能分析、优化设计和控制技术进行了研究[17-18]。为避免永磁体、电枢绕组和励磁绕组均位于定子上的拥挤情况，Z. Q. Zhu

教授提出了定子分割式混合励磁磁通切换电动机[19-22]，该电动机由内外定子和