（电力电子与电力传动专业论文）混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究.pdf

混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 ii a b s t r a c t there are permanent magnets and field coils which are both exciting sources in hybrid excitation synchronous machine (hesm). it s characterized by high power density and capability of regulating magnetic field. so it provides a new type of machine for aeronautic generator system. the basic configuration, magnetic characteristic and output characteristic of hybrid excitation synchronous brushless generator (hesbg) are studied in this paper. digital automatic voltage regulator (avr) technique of hesbg are also studied in this paper. basic configuration and operating principle of hesbg are firstly introduced. according to the radial/axial distribution of magnetic field, equivalent magnetic circuit model is developed. the magnetic field distribution and static- state characteristic of hesbg are analyzed by 3d finite element method (3d- fem), and the principle of optimizing design is also presented. the configuration of magnet and axial distribution are improved. the principle of optimizing design is proved by magnetic analyses. then the characteristic and regulating range of magnetic field in air gap is studied. transient- state characteristic including no- load characteristic, external characteristic, regulation characteristic and armature reaction are studied by 3d- fem when optimizing structure is acquired. finally the digital automatic voltage regulator (avr) and software has been designed. the basic principle of the system is proved by experiment. key words: hybrid excitation synchronous machine, 3d- fem, static- state characteristic, transient- state characteristic, digital automatic voltage regulator 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图、表目录 图 1.1 三极式无刷交流发电机结构图.1 图 2.1 混合励磁无刷交流发电机结构图.5 图 2.2 混合励磁无刷交流发电机转子及环形导磁桥结构图.6 图 2.3 混合励磁无刷交流发电机磁通路径示意图.7 图 2.4 混合励磁无刷交流发电机空载等效磁路.8 图 3.1 定子槽形尺寸.12 图 3.2 转子延伸端轴向结构示意图.12 图 3.3 混合励磁无刷交流发电机完整模型.13 图 3.4 主磁钢和补偿磁钢.14 图 3.5 混合励磁无刷交流电机完整模型网格剖分图.15 图 3.6 混合励磁无刷交流电机去导磁桥模型.15 图 3.7 混合励磁无刷交流发电机去导磁桥模型图.15 图 3.8 磁钢充磁方向示意图.16 图 3.9 主气隙圆环面位置示意图.16 图 3.10 主气隙磁密矢量图和磁密云图.17 图 3.11 主磁钢和补偿磁钢磁钢磁密矢量图 .17 图 3.12 径向磁路磁密矢量图.18 图 3.13 完整模型(0a.t)转子 n、s 极极靴磁密矢量图.18 图 3.14 完整模型(0a.t)环形导磁桥磁密矢量图 .19 图 3.15 完整模型(0a.t)转子 n、s 极极靴磁密云图.19 图 3.16 完整模型(0a.t)导磁桥磁密云图 .20 图 3.17 去导磁桥模型转子 n 极和 s 极极靴磁密矢量图.20 图 3.18 去导磁桥模型转子 n 极和 s 极极靴磁密分布云图.21 图 3.19 完整模型(5000a.t)转子 n 极和 s 极极靴磁密矢量图.21 图 3.20 去导磁桥模型 5000a.t导磁桥磁密矢量图.21 图 3.21 完整模型(5000a.t)转子 n 极和 s 极极靴磁密云图.22 图 3.22 去导磁桥模型(5000a.t)导磁桥磁密云图 .22 图 3.23 主磁钢和补偿磁钢立体视图.23 图 3.24 补偿磁钢所在位置.24 图 3.25 增大补偿磁钢后电机完整模型 0a.t和 5000a.t磁密云图.24 图 3.26 转子 s 极极靴对比图.25 图 3.27 转子 s 极极靴过渡段关键面所在位置.25 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 vi 图 3.28 转子 s 极极靴优化后(0a.t)磁密矢量图对比.26 图 3.29 转子 s 极极靴优化后电机整体(0a.t)磁密云图.26 图 3.30 转子 s 极极靴优化后电机整体(5000a.t)模型云图.26 图 3.31 混合励磁无刷交流电机三分之一模型结构图.27 图 3.32 混合励磁无刷交流电机三分之一模型网格剖分图.28 图 3.33 初始点模型结构图.29 图 3.34 n 极极靴(2620a.t)磁密矢量图 .29 图 3.35 3条曲线位置.30 图 3.36 3个位置磁密分布对比.30 图 3.37 混合励磁无刷交流电机各励磁磁势所对应平均磁密.31 图 4.1 混合励磁无刷交流发电机空载特性外电路原理图.32 图 4.2 混合励磁无刷交流电机空载特性曲线拟合图.33 图 4.3 混合励磁无刷交流电机外特性曲线拟合图.34 图 4.4 混合励磁无刷交流电机调节特性曲线拟合图.35 图 4.5 直轴电枢反应示意图.36 图 4.6 空载和满载(0a.t)定子磁密矢量图 .37 图 4.7 交轴电枢反应示意图.37 图 4.8 混合励磁无刷交流电机实物图.38 图 4.9 电机及拖动平台.38 图 4.10 实验结果拟和图.39 图 4.11 4000rpm 实验结果和仿真结果对比.39 图 5.1 数字电压调节器的结构框图.41 图 5.2 输入电压调理电路图.44 图 5.3 电压检测电路的输入和输出电压波形.44 图 5.4 改进积分法示意图.45 图 5.5 数字调压系统软件流程图.46 图 5.6 输出占空比变化图.47 表 3.1 混合励磁无刷交流发电机设计参数.11 表 3.2 混合励磁无刷交流发电机各版本磁通磁密明细表.27 表 3.3 混合励磁无刷交流电机各励磁磁势所对应磁通磁密表.28 表 4.1 混合励磁无刷交流发电机空载特性数值表.32 表 4.2 混合励磁无刷交流电机 3 条外特性曲线数值表.33 表 4.3 混合励磁无刷交流电机调节特性曲线数值表.35 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 一、 缩略词与名称 缩写 英文全称 中文全称 hesm hybrid excitation synchronous machine 混合励磁同步电机 hesbg hybrid excitation synchronous brushless generator 混合励磁无刷交流发电机 avr automatic voltage vegulator 电压调节器 lvdc low direct voltage current 低压直流电源 hvdc high voltage voltage current 高压直流电源 cscf constant speed constant frequency 恒速恒频交流电源 vscf vary speed constant frequency 变速恒频交流电源 pwm pluse width modulation 脉冲宽度调制 dsp digital signal processor 数字信号处理器 二、 基本符号与名称 基本符号 名称 基本符号 名称 a u 、 b u 、 c u a、b、c 相的相电压 rpm 每分钟的转速 o u 输出电压 p k pi 调节比例参数 f i 励磁电流 i k pi 调节积分参数 a i 负载电流 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 航空电机的类型与发展 现代飞机主电源主要有低压直流电源（lvdc） 、高压直流电源( hvdc) 、恒速恒 频( cscf) 交流电源和变速恒频( vscf) 交流电源等几种1- 2。 低压直流电源是飞机最早采用的电源，调节点电压为 2 8 . 5 v ，主电源为直流发电 机和直流启动发电机两种。它主要结构简单，但由于电刷和换向器的存在，限制了电 机转速，从而限制了电机的容量，而且随电源容量的增大，负载电流很大，使得整个 电网重量显著增加。 高压直流电源相比低压直流电源，具有重量轻、效率高的优点，并且容易实现不 中断供电和余度供电，便于向全电、多电飞机过渡。额定电压为 2 7 0 v ，只能采用没 有触点的固态功率控制器或混合功率控制器。 需要发展无机械换向器的无刷直流发电 机和无刷直流电动机。 变速恒频电源主电源为变速交流电机， 存在诸多优点： 电能质量及转换效率较高， 由于旋转部件少，结构灵活性大，所以工作可靠。但是，由于电子变换器中功率电子 器件工作结温的限制，使得其工作环境温度没有恒速传动装置高，并且承受短路和过 载的能力较低，这些都限制了变速恒频电源在大功率场合的应用和推广。 恒速恒频交流电源系统的主电源是由恒速传动装置、 无刷交流发电机和控制器等 组成的 400hz、115v/200v三相交流电源系统。存在结构复杂、能量转换低的缺点， 但是它的工作环境温度高，过载能力强，功率重量比较大，使其成为目前飞机上应用 最普遍的电源。随着新技术的不断采用，恒速恒频交流电源系统正不断得到完善和发 展。 整 流 三 相 整 流 s n 永磁机励磁机 旋转部分 交流发电机 三相电压 图 1.1 三极式无刷交流发电机结构图 在采用交流恒频电源系统的现役飞机中，广泛采用三级式无刷交流发电机，如图 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 2 1.1 所示。交流励磁机为旋转电枢式同步发电机，其电枢绕组输出的三相交流电，经 安装在转子上的旋转整流器整流后，作为主发电机（旋转磁极式同步发电机）的直流 励磁电源。永磁发电机称为副励磁机，其输出的三相交流电经整流后供给系统控制器 及交流励磁机的励磁绕组。 传统的三级式电机整个发电机由于转子上有旋转整流器，结构复杂，影响电源的 可靠性，不宜高速运行；而电压闭环调节包括励磁机、主发电机、电压调节器等多个 环节，动态性能不好。航空交流电机的结构形式比较单一，所以有意义探索、研究新 型航空交流无刷发电机。 1.2 混合励磁同步电机的研究现状和背景 永磁电机没有励磁损耗，因此效率高，工作可靠。其中稀土永磁材料剩余磁感应 强度和矫顽力高，有线性去磁特性，故稀土永磁电机还具有结构简单、功率密度高和 性能好等特点，但永磁磁场调节困难限制了它在发电机方面的应用。电励磁同步电机 气隙磁场调节容易，然而其励磁功率完全由电励磁磁势提供，励磁损耗较大，导致电 机效率偏低。 将永磁与电励磁进行合理的有机结合， 研究开发综合电励磁电机与永磁励磁电机 的优点又能克服各自缺陷的混合励磁电机，从而最大限度地发挥两者的优势，成为十 分迫切的研究课题。国内外学者为之付出了辛勤的努力，并取得了一定进展。 混合励磁同步电机（hybrid excitation synchronous machine, hesm）34是上个 世纪 8 0年代由俄罗斯学者最早提出的一种新型形式。与传统的电励磁同步电机以及 永磁同步电机结构不同，hesm中既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在， 综合了电励磁电机调磁方便和永磁同步电机效率高的优点5，同时又克服了永磁同步 电机磁场调节难的缺点，有较大的推广应用价值6。 莫斯科航空学院 b.a.?教授最早提出并联磁势混合励磁同步发电机的结构 7。定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电 励磁。电机的电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，轴向磁路漏磁大，电励磁功能受 制约。 日本 t.mizuno 博士提出了轴向/径向磁路混合励磁同步发电机8- 11。美国威斯康 星- 麦迪逊大学的 lipo 教授等也对轴向/径向磁路混合励磁同步发电机进行了研究 12- 13， 提出了一种轴向磁场转子分割型混合励磁同步电机结构14。 这种电机由于采用 了中间极，加上定、转子铁芯均被分为两段，附加气隙多，所需励磁安匝大。 国内对混合励磁同步电机研究处于起步阶段15- 25。香港大学陈清泉、上海工业大 学江建中教授等提出了一种爪极式混合励磁同步电机15。 直流励磁绕组置于由爪极的 南京航空航天大学硕士学位论文 3 内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。但由于存在轴向磁路，电励 磁效率低。 上海工业大学的江建中、黄苏融教授也在混合励磁电动机研究方面做出了贡献 16。 沈阳工业大学的徐衍亮、唐任远教授等对轴向磁场混合励磁同步电机进行了研究 17- 18。 南京航空航天大学的陈海镇教授和窦一平博士提出了一种磁路独立式混合励磁 同步发电机结构， 这种发电机由两部分组成， 主发电机部分和一般的永磁发电机相同， 而辅助调节电压的部分类似于电励磁发电机，两部分共有一套电枢绕组5- 619。 转子切向磁化结构是永磁同步电机的一个经典结构形式，其中永磁体呈“聚磁” 作用，使得电机气隙磁密高、功率重量比大，在大功率应用场合具有独特优势20。美 国 ge 公司制造的 150kva 稀土永磁电机和国产第一台 20000rpm 的稀土永磁电机均 采用了切向磁化结构。然而，切向磁化永磁同步电机也存在永磁电机磁场调节困难的 固有不足，为此，南京航空航天大学提出一种全新结构混合励磁同步电机，本文针对 这种新型混合励磁同步电机进行系统研究， 所得结果将为这种新型电机的全面研究提 供理论基础和参考依据。 1.3 课题研究目的和研究内容 本课题研究目的包括：针对上文航空电机和混合励磁电机的现状、共性问题，提 出结构新颖的混合励磁无刷交流同步电机。研究电机结构变化对电机性能的影响，以 求达到优化设计电机结构的目的，最终得到设计该类电机结构的统一标准。通过对电 机的静态特性和瞬态特性进行分析研究， 达到为这种新型电机的全面研究提供理论基 础和参考依据的目的。研究基于此新型结构混合励磁无刷交流发电机的数字调压器。 本文主要内容包括以下五部分： 第一章：首先阐述了航空发电系统发展的现状，然后介绍了混合励磁发电机的研 究背景，最后对本课题的研究目的和内容做了概括。 第二章： 介绍了混合励磁无刷交流发电机的基本结构， 并阐述其工作原理和特点。 结合该新型电机径/轴向磁路特点，基于磁路分析法建立它的等效模型。 第三章：建立系统研究混合励磁无刷交流发电机的三维电磁场有限元仿真模型， 研究了混合励磁无刷交流发电机的磁场分布和静态特性， 通过对比分析三种结构模型 空载磁场分布情况，分析电机气隙磁场调节性能，最后给出改善这一性能的电机优化 设计方法。根据前面的电机优化设计的原则和方法，对电机结构进行优化。分析优化 后的电机磁场分布情况和气隙磁场调节性能，验证优化设计方法的正确性和可行性。 第四章：对混合励磁无刷交流电机的瞬态场进行分析，得到电机一定条件下的空 载特性、外特性、调节特性曲线，并且对电机的电枢反应进行定性分析。 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 4 第五章： 对基于此新型混合励磁无刷交流发电机的数字调压器进行理论研究和实 验分析。 第六章： 全文总结和展望， 包括对本文研究内容的总结和需要进一步研究的工作。 附录：包括参考文献、发表论文及致谢。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 混合励磁无刷交流发电机的结构与原理 2.1 混合励磁无刷交流发电机的结构 混合励磁无刷交流发电机的结构如图 2.1 所示。电机包括在由电枢铁心和电枢绕 组组成的定子，由转子 n 极极靴、转子 s 极极靴以及切向磁化的磁钢组成的转子和 嵌有励磁绕组的环形导磁桥。 (a) 总装 1 (b) 总装 2 (c) 定子结构 (d) 转子结构 定子电枢绕组磁钢转子s极极靴转子n极极靴励磁绕组 环形导磁桥 (e) 零部件 图 2.1 混合励磁无刷交流发电机结构图 图 2.1 中定子、电枢绕组、磁钢的结构与切向结构永磁同步电机相同。磁钢嵌入 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 6 转子中放置、切向方向充磁，建立 n、s 相互隔开的三对磁极 转子及环形导磁桥结构如图 2.2 所示。混合励磁无刷交流电机相对切向结构永磁 同步电机不同点在于：将转子的 n 极极靴和 s 极极靴沿轴向向同一方向延伸，每个 n 极极靴呈喇叭状扩展，集合于内径较大的环形极靴；同时，每个 s 极极靴呈瓶颈状 收缩，集合于外径较小的空心圆柱形极靴。n 极极靴延伸端的环形极靴和 s 极极靴延 伸端的空心圆柱形极靴之间设置有嵌绕励磁绕组的环形导磁桥。 n 极极靴延伸段的环 形极靴和环形导磁桥之间形成附加气隙 1。环形导磁桥和 s 极靴延伸段的空心圆柱形 极靴之间形成附加气隙 2，两个附加气隙的长度都要比主气隙小。 附加气隙1 附加气隙2 s极极靴延伸端 n极极靴延伸端 n极极靴过渡段 s极极靴过渡段 s极极靴永磁段 n极极靴永磁段 环形导磁桥 图 2.2 混合励磁无刷交流发电机转子及环形导磁桥结构图 2.2 混合励磁无刷交流发电机的基本原理 2.2.1 径向和轴向磁通路径 混合励磁无刷交流发电机有 2 个主要的磁通路径：径向路径和轴向路径，轴向为 平行转轴的方向。 电机的永磁部分结构与切向磁化永磁同步电机相同。为便于说明，图 2.3 中电机 非磁性轴及电枢绕组未画出。 图2.3中用带箭头的实线表示单块磁钢提供的磁通路径， 即为混合励磁无刷交流发电机的径向磁通路径：由永磁体 n 极经转子 n 极极靴永磁 段、主气隙、定子齿、定子轭、定子齿、主气隙、转子 s 极极靴永磁段再到永磁体 s 极形成闭合回路。轴向磁通路径磁路如图 2.3 的虚线所示，由永磁体 n 极经 n 极极 靴永磁段、n 极极靴过渡段、n 极极靴延伸端、附加气隙 1、环形导磁桥、附加气隙 2、转子 s 极极靴延伸端、s 极极靴过渡段、s 极极靴永磁段再回到永磁体 s 极。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 n s 径向磁路 轴向磁路 图 2.3 混合励磁无刷交流发电机磁通路径示意图 2.2.2 混合励磁无刷交流发电机的等效磁路 混合励磁无刷交流电机， 同时具有切向磁钢结构永磁同步电机和电励磁同步电机 的特点。电机永磁部分采用了切向磁钢结构，是在切向结构永磁同步电机的基础上发 展而来的，励磁磁势均由主磁钢提供。与通常所采用的径向结构不同，永磁体主磁钢 相当于并联联接，有两个永磁体主磁钢面对主气隙提供每极磁通，使得主气隙磁密大 大提高，甚至可以超过磁钢的剩磁，有显著的“ 聚磁” 作用。这是混合励磁无刷交流电 机相对其它混合励磁电机的优势之一， 而电励磁绕组产生的电励磁磁势可调节电机主 气隙磁场大小。 混合励磁无刷交流电机的工作原理和永磁同步电机以及电励磁同步电机相似， 主 要特点在于其特殊的主气隙磁场调节方式。若不考虑电机的漏磁、忽略相对较小的磁 阻且磁路饱和程度低，根据前面所述的电机磁路，可得混合励磁无刷交流电机的空载 等效磁路26。如图 2.4 所示，主磁钢发出的磁通经过左右两个磁路形成回路，左边的 磁路对应前面所述的径向磁路，而右边的磁路对应轴向磁分路。 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 8 n r s r pm r 1 pm f 11 r 12 r fe r f f a r (a) 励磁磁势反向弱磁等效磁路图 n r s r pm r 1 pm f 11 r 12 r fe r f f ar (b) 励磁磁势正向增磁等效磁路图 图 2.4 混合励磁无刷交流发电机空载等效磁路 图 2.4 中将永磁体磁阻标记为 pm r；永磁体提供的磁势标记为 pm f； n 极极靴相 对的主气隙磁阻标记为 n r；将 s极极靴相对的主气隙磁阻标记为 s r；与主气隙串 联的电枢齿部及轭部等磁阻标记为 a r；n极极靴延伸端的环形极靴与环形导磁桥之 间附加气隙 1 的磁阻标记为 11 r； 环形导磁桥与 s 极极靴延伸端空心圆柱形极靴之间 附加气隙 2 的磁阻标记为 12 r；环形导磁桥的磁阻标记为 fe r；励磁绕组提供的励磁 磁势标记为 f f。因为 n极和 s极转子极靴及其延伸部分的磁阻比定子齿部和轭部磁 阻以及主气隙和附加气隙磁阻都小得多，所以分析中简化起见将其忽略。 一般情况下， rrr sn =。 励磁绕组无励磁电流时， 励磁磁势不存在。 从图2.4(a)所示的等效磁路看出， 当 f f 为0时，可以推导出气隙主磁通为： pm feapmfea fe f rrrrrrrrrrr rrr + + = )2()(2( 12111211 1211 pm fe apm pma f rrr rrr rrr + + + = 1211 )2( )2( 1 (2.1) 由电磁学知识得 pm rrrr + + rrr rrr fe apm (2.2) 可见，未加励磁磁势时，由于磁分路的作用，主气隙磁通 较小，电机处于弱 磁状态。 励磁绕组中通入正向励磁电流时，如图2 . 4 (b)所示， f f产生的磁势和磁分路中的 南京航空航天大学硕士学位论文 9 永磁磁势正好抵消。 下面推导完全抵消磁分路中的永磁磁势所需的励磁磁势值。 励磁磁势完全抵消磁 分路中的永磁磁势，则永磁磁通全部通过主气隙。 apm pm rrr f + = 2 (2.3) 所以，所需的励磁磁势为 pmpm apm a f ff rrr rr f + + = 2 2 (2.4) 可见，励磁电流作用时，较小的励磁磁势就能抵消磁分路作用，控制主气隙磁通 增加。也就是说，较小的励磁安匝就能实现对主气隙磁通的宽范围调整。而适当设计 电机的结构尺寸，使 pm r， r ， fe r， 11 r， 12 r有合理的数值，从而改变弱磁状 态下主气隙磁场的强弱，改变励磁磁势将可以有效地控制主气隙磁场的强弱。 对混合励磁无刷交流电机加正向励磁磁势则对主气隙磁场起到增磁的效果， 如图 2.4(a)所示，反向加励磁磁势则对主气隙磁场起到弱磁的效果。电励磁绕组产生的电 励磁磁势可调节混合励磁无刷交流电机主气隙磁场的大小， 从而对发电机产生的电压 进行有效的调节。 2.3 混合励磁无刷交流发电机的特点 通过以上混合励磁无刷交流发电机的基本工作原理分析可以看出， 该电机有如下 特点： (1) 克服永磁电机主气隙磁通难以调节的缺点，可以通过改变电励磁电流方便地 调节主气隙磁通，实现有效灭磁，并且切向结构的永磁部分有聚磁作用，使得主气隙 磁密较大。 (2) 主气隙磁场的调节范围可以通过调整电励磁与永磁部分尺寸以及主气隙和 附加气隙长度的比例来控制，易于满足不同性能的电机设计要求。 (3) 混合励磁无刷交流电机的主气隙磁场主要由永磁体建立，而电压调节所需的 磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。当不加电励磁磁势时，主磁极下的磁场处 于弱磁状态，减小磁钢被退磁的可能性。励磁电流作用时，阻碍了附加气隙的磁通， 使主气隙的磁通增加，起到了增磁的效果。调节主气隙磁场时所需的励磁安匝比普通 电励磁同步电机要小，降低了励磁损耗，提高电机效率。 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 10 2.4 本章小结 本章主要介绍混合励磁无刷交流电机的切向磁钢结构和轴向磁分路结构， 并结合 电机结构对径向磁路和轴向磁分路的磁通路径进行分析。 根据混合励磁无刷交流电机 磁通路径，结合混合励磁无刷交流电机的工作原理，由电磁学理论得出该电机等效磁 路，最后得到混合励磁无刷交流电机的特点。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 第三章 混合励磁无刷交流电机静态特性分析与结构优化 如上一章所述， 混合励磁无刷交流电机是通过调节轴向磁分路中的电励磁磁势来 调节主气隙磁场。其处于调节工作时电励磁磁势发生改变，径向磁路和轴向磁分路均 存在磁场的变化。 传统的二维有限元分析方法实现不了对具有轴向结构的混合励磁无 刷交流电机的仿真分析。在此采用三维有限元的方法，通过 ansoft maxwell 3d 对其静态特性进行研究和分析。 3.1 混合励磁无刷交流电机三维有限元仿真模型建立 根据前面介绍的混合励磁无刷交流电机结构建立电机有限元仿真模型。 结合电机 设计参数表 3.1、电机定子槽型尺寸图 3.1 和电机的转子极靴延伸端结构图 3.2，运用 三维制图软件 solidworks 对混合励磁无刷交流电机建立三维视图，导入 ansoft maxwell 3d中作为有限元仿真模型。混合励磁无刷交流电机有限元计算时电机导 磁材料采用直流磁化拟合曲线（b- h 曲线）的方式来定义。 表 3.1 混合励磁无刷交流发电机设计参数 定子槽数 72 槽 1 0.5mm 定子外径 200mm 2 0.5mm 定子内径 153mm cq h 32mm 转子外径 150mm cq b 15mm 铁心长 40mm fs r 45.5mm 主气隙长 1.5mm vac r 22.5mm 转子 n 极极靴材料 10#钢 fy l 45mm 转子 s 极极靴材料 10#钢 fn h 10mm 主磁钢材料 钐钴 2:17 主磁钢高度 25mm 补偿磁钢材料 钐钴 2:17 主磁钢厚度 18mm 定子硅钢片材料 1j22 主磁钢长度 40mm 导磁桥材料 10#钢 节距 12 并联支路数 3 每极每相槽数 8 励磁绕组匝数 282 混合励磁无刷交流电机的定子槽型尺寸如图 3.1 所示，为半开口槽型。 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 12 图 3.1 定子槽形尺寸 混合励磁无刷交流电机的转子极靴延伸端结构如图 3.2 所示。 fy l 1 2 fs r cq h fn h n极靴延伸端 s极靴延伸端 环形导磁桥 cq b 1 i h 2i h 3 i h 附加气隙1 附加气隙2 vac r z 图 3.2 转子延伸端轴向结构示意图 为了分析混合励磁无刷交流电机磁路结构中轴向磁分路的旁路作用， 验证整个电 机的工作原理。下面分别建立混合励磁电机完整模型、去除环形导磁桥（包括环形导 磁桥内部的励磁绕组） 模型、 永磁部分模型， 并对三种结构的模型进行对比仿真分析。 首先建立混合励磁无刷交流电机完整的电机模型，如图 3.3(a)所示。包括定子、 主磁钢、补偿磁钢、转子 n 极极靴、转子 s 极极靴、环形导磁桥。电机的定子和如 图 3.3(b)所示，与普通切向磁钢永磁同步电机定子结构相同。环形导磁桥结构如图 3.3(c)所示。环形导磁桥截面图如图 3.2 所示。环形导磁桥中间凹陷处安放励磁绕组， 背部与端盖固定安装。因此，当电机旋转时，转子 n、s 极极靴随转轴一起转动，而 磁桥和励磁绕组不随转子转动而转动，电励磁绕组的供电电源不需要电刷、滑环或旋 南京航空航天大学硕士学位论文 13 转整流器，从而实现无刷结构。 (i ) 完整电机结构正视图 (i i ) 完整电机结构后视图 (a) 完整电机 (b) 定子结构图 ( c ) 环形导磁桥结构图 (d) n 极极靴结构图 (e) s 极极靴结构图 图 3.3 混合励磁无刷交流发电机完整模型 由于 n 极 s 极极靴之间存在一定的漏磁现象27，所以在 n 极和 s 极极靴之间， 除了主磁钢之外，加上和主磁钢充磁方向一致的补偿磁钢，以此减小 n 极 s 极极靴 之间的漏磁磁通。主磁钢和补偿磁钢如图 3.4 所示。这种结构方式通过主磁钢和补偿 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 14 磁钢的调节可以便于调节总的永磁体产生的磁势大小。主磁钢尺寸如表 3.1 所示。补 偿磁钢尺寸为： 高 22.5mm 厚 8mm 长 40mm。 主磁钢和补偿磁钢都贴在 n 极极靴侧。 补偿磁钢主磁钢 图 3.4 主磁钢和补偿磁钢 将建立的混合励磁无刷交流电机完整模型进行网格剖分得如图3.5所示的网格剖 分图。网格剖分均采用自适应剖分，通过对比实验证明，不必进行手动网格剖分也可 以保证仿真的总体精度。 (a) 定子 (b) 磁钢 ( d ) 转子极靴 (e) 环形磁桥 南京航空航天大学硕士学位论文 15 (f) 完整模型 图 3.5 混合励磁无刷交流电机完整模型网格剖分图 去环形导磁桥模型即在完整模型的结构基础上，把环形导磁桥从模型中去掉，保 留其他组件。去环形导磁桥模型结构如图 3.6 所示。 图 3.6 混合励磁无刷交流电机去导磁桥模型 永磁部分模型即把电机永磁段以外的轴向部分去掉，只保留永磁部分的结构，永 磁部分模型结构如图 3.7 所示。 图 3.7 混合励磁无刷交流发电机去导磁桥模型图 混合励磁无刷交流发电机及其控制技术的研究 16 3.2 混合励磁无刷交流电机三维有限元仿真及其静态特性 对电机轴向磁分路和径向磁路的磁场同时进行分析，分析整个电机的磁场分布， 不但可以验证电机主气隙磁场的调节原理，而且可以找出电机结构优化设计的方法。 3.2.1 径向磁路分析 图 3.8 磁钢充磁方向示意图 混合励磁无刷交流电机永磁部分模型的主磁钢和补偿磁钢材料都为钐钴 2:17，主 磁钢和补偿磁钢的冲磁方向均一致，建立如图 3.8 所示的 n、s 相互隔开的三对磁极， 达到聚磁的目的。 图 3.9 主气隙圆环面位置示意图 在电机永磁部分的定子和转子 n、s 极极靴永磁段之间取一圆环面，如图 3.9 所 示。后期的主气隙磁通和主气隙平均磁密都是基于此圆环面，通过积分算得通过此圆 环面的主气隙总磁通，再除以圆环面的总面积，即得到该电机的主气隙平均磁密。 南京航空航天大学硕士学位论文 17 (a) 磁密矢量图 (b) 磁密云图 图 3.10 主气隙磁密矢量图和磁密云图 通过对电机永磁部分静磁场的仿真， 得到电机主气隙的磁密矢量图， 如图 3.10 (a) 所示。在此对气隙矢量做如下定义：图中箭头颜色代表该处磁密大小，而箭头方向代 表磁感应强度方向。由图可以看出，磁密矢量从 3 个 n 极极靴出发，进入相邻的 3 个 s 极极靴。主气隙圆环面的磁密云图如图 3.10 (b)所示，图中条状分布线是由于定 子的齿槽效应形成的。圆环上均匀分布 6 条的深色的条状区域，是由于磁钢上方正对 的圆环面的区域磁通很少，由此条状区域的磁密相应的远小于其他区域的磁密。 (a) 正向轴视图 (b) 立体视图 图