（电机与电器专业论文）两向混合励磁无刷电机研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dr e s e a r c hh a y i n gb e e ng i v e nt ot h eh y b r i d e x c i t a t i o nm o t o rd r i v e rb e c a u s ei t sc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft h ep e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) m a c h i n ew i t he l e c t r ic i t yf i e l dm a c h i n e at w o w a yh y b r i de x c i t a t i o nb r u s h l e s sm o t o r h a sb e e np u tf o r w a r do nt h eb a s iso fd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m o t o r i t i n h e r i t st h em e r i t so fh i g he f f i c i e n e ya n dh i g hp o w e rf a c t o ro fd s p mm o t o r i ta c h i e v e s w e a k e n i n go rs t r e n g t h e n i n gm a g n e tf l u xt or e g u l a t es p e e db yc o n t r o l l i n gt h em a g n i t u d e o rt h ed i r e c t i o no fa x i a lf i e l dw i n d i n g sc u r r e n t t h isd i s s e r t a t i o ng i v e st h em e t h o d o ft h ed e s i g na n de a l c u l a t i o n ，a n a l y z e st h es t a t i c s t a t ec h a r a c t e ro ft h et w o w a yh y b r i d e x c i t a t i o nm o t o r ，a n dt w os a m p l em o t o r si n e l u d i n gas k e w e dr o t o ra n dan o n s k e w e dr o t o r m o t o ra r ed e si g n e d t h ed e v e l o p m e n ts t a t eo ft h eh y b r i de x c i t a t i o nm o t o rd r i v e ri sr e v i e w e da n di t s r e s e a r c hb a c k g r o u n di si n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h eb a s i ct h e o r yo fd s p mm o t o r d r i v es y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt h e n t h eb a s i es t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h e m a t h e m a t i cm o d e io ft h eh y b r i de x c i t a t i o na n dr e l a t i r ec o n t r o l l i n gc o m p o n e n t si n c l u d i n g p o w e rc o n v e r t e r ，c u r r e n td e t e c t i o ns e n s o r ，a n dr o t o rp o s i t i o na n g l ed e t e c t i o ns e n s o r m o t o ra r ep r e s e n t e di nt h isd is s e r t a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea n a l y s isa n dc a l c u l a t i o no ft h et w o w a yh y b r i de x c i t a t i o n m o t o ra r ep r e s e n t e d ：i ti n c l u d e st h em a i nd i m e n s i o n ，t h es e l e c t i o no ft h ep m ，t h ea m a t e u r w i n d i n g sa n dt h ef i e l dw i n d i n g s a n dt h e nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em o t o ri sb u i l t t ov e r i f ya n da d j u s tt h em o t o rd e s i g n t h es t a t i c s t a t ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i d m o t o ra r ea n a l y z e db a s e do nt w o d i m e n s i o n a l ( 2 d ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ， i n c l u d i n g f l u x 1 i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c ， i n d u c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，t o r q u e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c eo fa r m a t u r er e a c t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h er e s u l t s o fw e a k e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n gm a g n e tf i e l d ，s i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t a la r ep r e s e n t e d i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h er e l a t i r eg e n e r a t o re x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e n i n c l u d i n gt h en 0 一l o a dv o l t a g ew a v eo fb o t hm o t o r sa n dt h ed i f f e r e n tl o a d so ft h es k e w e d r o t o rm o t o r t h er e l a t i v e a n a l y s i s o fb o t ht h e p u r e r e s is t o rl o a d a n d r e s i s t o r i n d u c t a n c el o a da r eg i y e na ls o k e y w o r d s ： h y b r i de x c i t a t i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d d o u b l es a l l e n tm o t o ra x i a le x c i t a t i o n s t a t i c s t a t ec h a r a c t e r i s t i c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究j 作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特5 j | j 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证i 而使 j 过的材 料。与我一同l 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名奠旱氢蔓日期：世 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图is 馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被奄阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南人学研究生院办 理。 研究生签名：硅z 亟生导师签名 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义1 第一章绪论 传统的异步电机具有结构简单、制造、使川和维护方便，运行可靠，价格较低等优点，主 要作为电动机运行，在普通电机传动领域获得了广泛的应用，但其调速和起动性能不佳。虽然 可以采用变频技术或采用其他控制技术来实现调速，但是其成本往往相对较高，且难以获得可 以和直流电机相媲美的效果。普通直流电机具有良好的调速性能，常用在调速要求较高的场合。 由于气隙磁场主要是由电流励磁产生，需要电刷和换向器，结构较复杂，造价较高，可靠性较 差。 长期以来，为了扩大电机的适应范围，提高电机的使用效率人们一直在研究新型的电机 结构及先进的控制方式，寻找既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点， 又具备直流电机运行效率高、调速性能好的传动系统。上世纪3 0 年代出现了以电子换相代替电 刷机械换向的无刷直流电机，但由于受到永磁材料性能和电子换流等技术条件的限制，没有得 到迅速的发展。7 0 年代后，随着新材料新技术的突破，特别是高性能永磁材料的出现，电子技 术、电力电子技术的发展，现代控制理论的应 ! ；| ，电机及其驱动技术得到了迅猛的发展，先后 出现了永磁电机、无刷直流电机、取凸极电机等多种结构的电机1 2 3 1 。这些电机采用了永磁材料 励磁，代替传统的电流励磁，具有功率密度高、电动机体积和重量小、结构简单以及效率高等 优点。且因为采用永久磁钢励磁，可以方便地实现无刷化设计没有励磁损耗，内此功率因数 高于其它电励磁电机。研究表明，永磁电机在功率密度、转矩惯性l t ；l r i 效率方面都超过了传统 的直流电机和异步电机”j j 。 然而随着应用领域的不断扩大，人们发现永磁无刷电机恒定的磁场限制了其使用范围， 比 如在高速机床主轴驱动以及电动汽车的驱动中，都要求驱动系统既要在低速时有大力矩，又要 在轻负载时有足够的高速度，传统的直流电机的解决方案是将系统的基速设计得较低以满足低 速大力矩的要求( 恒转矩调速) 轻载时的高速度则通过弱磁升速米达到( 恒功率调速) ， 但 永磁无刷电机的弱磁升速有一定豳难，尽管可以通过矢量控制的坐标变换与交直轴分解来增加 定子电流的励磁分量达到部分目的，但效果并不理想，主要原因是由于转子上的永磁体对于外 加磁势的磁导率很小，去磁效应并不明显，这种方法反而使定子电流与损耗大人增加、对控制 器的容量要求更高。因此，近几年来，人们越来越多的把目光投向混合励磁电机( h y b r i de x c i t a t i o n m a c h i n e - - - h e m ) 的发展。通常来说，混合励磁电机至少存在两个磁势源，电机气隙磁场的主要 部分由永磁磁铁建立，而转速( 或电压) 调节所需的磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。 与永磁电机比较它具有调整气隙磁场的能力；与同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。 它综合了永磁电机高效率、高功率因数和电励磁电机调。”磁场方便的优点，同时又克服了两者 各自的缺陷，有极大的推广。应用价值l7 1 。 本课题是国家自然科学基金重点项目的一部分，研究新型结构的混合励磁电机，提出合理 的电机结构，分析其性能、数学模型和探讨设计方法，并研究分析其用到实际中去的可能性。 本课题受国家自然科学重点基金项目( 5 0 3 3 7 0 3 0 ) 资助 东南大学硕一l 学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究进展情况 8 0 年代，日本学者t a k a y u k im i z u n o 等人提出了混合励磁电机的工作原理p ，】。由于混合励磁 永磁电机的种种优点，各国学者对其开展了广泛的研究，先后提出了多种混合励磁电机结构，并 研制出了一些样机和产品。从永磁体磁动势和电励磁产生的磁动势的相互作用关系看，主要有 并励式、串励式和混励式三种结构。其磁场调节的原理大都基本相同，当励磁绕组产生的磁通 和永磁体( p e r m a n e n tm a g n e t p m ) 磁通方向相同时，气隙中合成磁通增加：当励磁绕组产生的 磁通为零时气隙中仅有p m 磁通；当励磁绕组产生的磁通和p m 磁通方向相反时，气隙中合成磁 通减少，起到了弱磁的效果。 根据检索到的相关文献和赵朝会等人对混台劢磁电机发展的网顾，混合励磁电机主要分为 混合励磁同步电机和混合励磁般凸极电机两人类1 1 。 磁场偶合式永磁发电机是俄罗斯学者 首先提出的磁势并联式结构电机j 。如图 卜i 所示，该电机电励磁部分为瓜极结构， 实际上是永磁发电机和电励磁发电机的复 合。具有一定的漏磁。电机的分段转子上励 磁电流和永磁体具有各自的独立回路，电励 磁磁动势不会作用到永磁体上而导致永磁 体的退磁。日本学者nn a o e ，t f k a m i 等人 采用这种结构形式开发了额定功率为 0 7 5 k w ，6 0 h z 的样机，其功率密度为 0 0 8 k w k g ，电压调整率为2 1 u 2 。但由 蜉渔 卜转轴2 - n 极3 - 导磁支架4 - s 极 5 一励磁绕组6 - 定千铁芯7 一磁钢争非磁性材料 9 一极靴10 - 转千磁轭 图1 - 1 俄罗斯磁场偶台式永磁发电机结构示意图 于励磁电流由电刷环引入，使电机可靠性降低，不适合运行丁恶劣环境，增加了维护费用。 为了减少永磁和电励磁问的耦合，南京航空航天大学的窦一平和陈海镇教授等人提出了磁 路独立转子混合励磁电机，对俄罗斯学者的电机结构作了改进，在永磁和电励磁之间加入了隔 磁环，使得电励磁部分和永磁部分各自独立。 图1 2 是一种串励式结构电机，这种电机的结构 较简单。电励磁绕组安放在转子永磁体的下面不 需要占用额外的空间。由于这种电机转子励磁电流 的引入采用有刷式，且磁路经过永磁体，磁路磁阻 过大，使励磁电流较大铜耗增加。同时电励磁磁 动势直接作用于永磁体，容易导致永磁体发生不可 逆退磁。这种结构已很少使用。文献 1 4 中介绍了这 种串励结构的混合励磁方式，其功率密度为 0 0 7 k w k g ，额定励磁电流为i 2 a 。 卜励磁绕组2 一电枢绕组3 一永磁体 图2 - - 1 串励式混合励磁电机结构图 顺极式混台励磁同步电机是英国学者s p o o n e r 首先提出，如图1 - 3 所示。日本、美国学者随后 也对这种新的结构进行了研究，国内沈阳业人学和广尔i ：业人学都己展开这种结构电机的研 究。定子电枢绕组为三相对称绕组，定子被环形直流励磁绕组分成两个部分，定子两段铁芯由 其外的背轭在机械和电磁上相连接；转子分成n 极端_ 手f f s 极端两部分，每极端由同极性永磁体极 和铁芯极交错排列，两端的n ，s 永磁体极和铁芯极也相互错开。转子铁芯和转轴间为导磁性能 好的转子背轭，用于转子的轴向导磁。磁势属于并联关系，附加气隙多，磁路磁阻较大，故适 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 宜为短而粗的结构。 它既可用作发电机也可用作电动机运行”】。 卜转子背轭2 铁芯极3 一定子铁芯4 一定子背轭卜永磁体2 一外定子3 一内定子 5 一励磁绕组6 一定子铁芯7 一转子铁j c ! ；8 一永磁体4 一转子盘5 一励磁绕组6 一铁芯极 图卜3 顺极式混合励磁同步电机图1 4 轴向磁场带中间磁极电机 美国威斯康星一麦迪逊大学的l i p o 教授在2 0 0 2 年提出了一种轴向磁场带中间磁极混台励磁 电机结构。实际是对轴向磁通环形绕组永磁电机电机的弱磁运行问题提出的一种新的方案1 1 “， 如图l 一4 所示。该电机由2 个环形定子铁芯、2 个盘式转子和1 个直流励磁绕组构成。直流励磁绕 组放置在内外环形定子之间，2 个盘式转子表面被分成内圈 lj # i - 圈，上面交错排列着永磁极和铁 芯形成的中间极。永磁极被轴向安装在盘式转子的内表面永磁极的n 极如果被放在转子的内圈， 那么s 极就被放在转子的外圈。通过调节励磁绕组的电流，气隙中的磁场就可以发生改变。 混合励磁爪极电机主要由定子、转子爪极、转子磁轭、永磁体和励磁绕组组成mj 。其中定 子含内定子、外定予2 个部分，外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，内定子 上放有环形直流励磁绕组。在相邻的2 个爪极之间放置永磁体。如图卜5 所示。励磁绕组是一个 环形线圈，通电后所产生轴向磁通经转子磁轭到达爪极，然后流经气隙、定于铁芯、气隙和爪 极回到转子磁轭，如此形成一个回路，在爪极表面上形成n ，s 间隔的极性。赢流励磁绕组放 置于由爪极的内外单元所形成的区域内，爪极式结构电机空间利用率高、结构紧凑，励磁电流 所产生的磁通与永磁磁通在磁路上呈并联芙系，通过控制励磁绕组中电流的大小和方向可灵活 的调节气隙磁密。该结构电机极数可做得多，所以适台于容龉小、转速低的电机。目前，东南 大学的林鹤云教授和合肥工业大学都已对这种混合励磁结构开展了研究。 1 一定子铁芯2 一电枢绕组3 转子爪极 4 一励磁绕组5 一转子磁轭6 永磁体 图卜5 混合励磁爪极电机轴向剖视图 图卜6 所示的永磁混合励磁电机l i p o 教授在2 0 0 0 删的，它的转子上既有永磁极( 4 极) 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 又有电励磁极( 2 极) ，定子仍为传统的多相电机的定子结构。通过调节励磁电流，电机不仅气 隙磁场发生变化，而且极数也可以从6 极变为2 极。在这种结构中，2 种磁势为并联关系，永磁体 产生的磁通有两条路径，一条是通过与它相邻的永磁体，另一条是通过与它相邻的电励磁磁极， 而电励磁产生的磁通主要在两个励磁绕组之间流通。但不管是永磁体还是励磁绕组，两者产生 的磁场均为径向磁场。由于励磁绕组在转子上，故电机中有电刷和滑环，它既可用作发电机， 也可用作电动机”。 1 9 9 5 年l i p o 教授在d s p m 电机内加入了励磁绕组提出了混合励磁戕凸极电机【l ，如图1 7 所示。它的永磁体和直流励磁绕组在定子上转子同双凸极电机相同，直流线圈产生的磁通与 永磁磁通有相同的路径，2 个磁势源为串联磁势方式，困此控制直流电流的大小和方向可以产 生增磁或弱磁效应。它保留了双凸极永磁电机的全部优点，具有结构简单、绕组端部短、用铜 省、电阻小、结构稳固、功率密度和效率高等特点。由于励磁绕组安装在定子上，所以不需要 滑环、电刷装置，提高了可靠性。但该电机磁路经过永磁体，磁路磁阻过大，使励磁电流较大， 该既可用作发电机，也可用作电动机。 1 一定子铁芯2 一电枢绕组3 一定子背轭 4 一电流励磁绕组5 一永磁体6 一转子 图卜7 混合励磁双凸极电机 卜转子铁芯2 一电流励磁绕组3 一电枢绕组 4 一永磁体5 一转轴6 一定子铁芯 幽1 8 新型烈凸极混合励磁电机 图卜8 是东南大学程明教授提出的新型混合励磁电机结构。该电机在充分研究了双凸极永磁 电机和双凸极电励磁电机上，吸取了两种电机的优点。该混合励磁电机就是永磁电机和励磁电 机的合理组合。在双凸极电机定子侧放置一个专门的直流励磁绕组，改变励磁绕组中通入直流 电流就可以实现电励磁磁场方向与永磁体磁场作用的结果，实现电机的弱磁和增磁控制。在电 机的永磁体与电流励磁绕组之间特别设置了一定宽度的导磁桥，作为赢流励磁磁通的一个通路。 由于创造性地引入磁桥，可以用较小的直流励磁磁势获得较大的弱磁能力“。 卜永磁体2 一励磁绕组3 一电枢绕组 图卜9 并列结构电机双凸极电机 东南大学硕士学位论文 籀章绪论 南京航空航天火学教授在认真分析研究t a l i p o 教授的混合励磁戳凸极电机基础上，提出并 列结构电机的混合励磁电机双凸极，如图卜9 所示。从幽卜7 可以看1 j j l i p o 教授的电机电励磁磁 路是和永磁磁路串联的，由于稀土永磁材料导磁系数接近丁空气导磁系数，囚此必需要有较火 的电励磁磁势才能改变电机气隙磁场大小，当电励磁磁场和永磁磁场相反并较大时可能将永磁 磁场去磁。并列结构电机般凸极电机转子结构不变，定子有两并列的电枢铁芯一为永磁励磁， 另一为电励磁，电枢绕组则共用。通过改变双凸极永磁电机和双凸极电励磁电机的跃度比，可 以实现不同的弱磁要求。 1 3 课题研究的主要内容 本文提出了一种新型的基于敬凸极永磁电机的混合励磁电机，该电机继承了双凸极永磁电 机的特点，同时引入了轴向电励磁，使得电机的气隙主磁场可调。本论文以1 2 8 极混合励磁双 凸极电机为例，主要研究基于二维电磁场有限元方法分析电机的磁场和静态特性，研究结构变 化对电机性能的影响。 由于该课题的研究刚刚起步以及个人能力及时间的限制，主要完成的5 1 ：作为：1 ) 提出一种 新型的基于双凸极永磁电机的混合励磁电机的基本1 作原理及其电机结构：2 ) 完成了对电机结 构参数的计算、电磁场的理论分析和仿真，设计并加工了两台样机；3 ) 对样机进行了发电实验， 并对结果进行分析。主要研究包括： 1 ，回顾了混合励磁电机发展的现状，介绍了目前常见的混合励磁电机的基本结构。 2 首先介绍了双凸极永磁电机的基本结构及其工作原理，然后在这基础上再介绍了本课题 电机的基本结构及其工作原理。对电机的磁路进行了分析，建立了数学模型，分析了1 2 8 极两 向混合励磁电机的基本结构、工作原理以及基本控制原理。 3 在目前常见的电机磁场的主要分析方法中，根据有限元的基本原理，利_ 耳有限元分析软 件建立了电机的二维模型。仿真分析了不同机械结构参数对电机性能的影响，并以此设计了两 台混合励磁电机的样机。 4 由于磁路的非线性，电机的磁链、电感、转矩、反电势等性能都是转子位置角和电流的 函数。本文分析了电机静态时的磁链特性、电势、电感特性稳态时电机转矩与转子位置和电 枢电流的关系等等，并对产生的原因进行探讨。 文章最后对新设计的两台样机进行了发电机实验，给山了两台样机的空载实验波形，以及 斜槽电机的电阻性负载和阻感性负载时的实验波形，并对实验结果进行了分析。 东南大学硕士学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 第二章两向混合励磁电机的基本理论 双凸极永磁电机( d o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ，简称d s p m 电机) 具有结构简单、 坚固，制造工艺简单，成本低，而且功率因数高和效率高等一系列优点1 2 l - “。本课题设计研究 的混合励磁电机正是基于双凸极的基本结构，以永磁体提供励磁为主，提高电机的效率，辅助 结合电励磁来调节电机的运行状态。为了更好的理解两向混合励磁电机，本章从双凸极永磁电 机入手，首先介绍双凸极永磁电机的基本结构和工作原理，然后分别介绍两混合励磁电机的基 本结构和数学模型，并在此基础上研究其工作原理。 2 1 双凸极永磁电机 2 1 1 双凸极永磁电机的基本结构 双凸极电机是在开关磁阻电机基础上发展起来的一种新型电机，是电力电子技术、微电子 技术、计算机技术以及新型永磁材料的产物，其结构同开关磁阻电机相类似，定子和转子均为 凸极结构，转子无绕组，但在定子( 或转子) 上安放有高性能永磁体，正是由于永磁体的存在， 使得d s p m 电机在工作原理上与开关磁阻电机有着本质的区别。对于开关磁阻电机来说，其转矩 是电感随转子位置角的变化同电流相互作用而产生，而d s p m 电机的转矩则是由永磁磁链的变化 同电流相互作用而产生。 从理论上说，永磁体材料可以灵活的置于定子或转子上。当置于定子上时，称作定子永磁 型，当置于转子上时称转子永磁型。它们的工作原理和特性基本相同。但当永磁体置于转子上 时，转子被永磁体分割成多部分，形成不了坚固的整体，这不但使转子制造和维护困难，而且 不适宜高速运行，故d s p m 电机通常采用定子永磁型。 2 - 1 是定子永磁型8 6 极d s p m 电机”， 两块永磁体是n - n 相对，s - s 相对的磁势并联励磁模式，这样可以起到聚磁的效果，获得较大的 气隙磁密。 图2 1 定子永磁型8 6 极d s p m 电机 根据电机的运行原理，电机相数r a 、定子齿教风和转子齿数p ，之间有许多种可能的组合，它们 之间应满足【2 4 】： 东南大学硕士学位论文 第二章两向混合励磁电机的基本理论 p5，：=2in，撖kpp 。 r = j 士z 疗】 式中，k 为正整数当电机转子以转速”运行时，任一相绕组的换相频率为： 厶= p ，6 0 ( 2 2 ) 为了减小转子磁极和轭中的铁耗以及开关损耗，应降低开关频率，即减小转子齿数肼。因而， 设计电机时，转子齿数通常小于定子齿数。电机的定转子齿数一般为偶数，奇数的转子齿数由于 在结构上产生不平衡力的磁拉力而很少采用。为使d s p m 电机在任一方向上具有自起动能力，电机 的相数应大于或等t 3 2 ”。 常见的d s p m 电机的定转子齿数是6 4 极，8 6 极等其它合理组合 2 1 , 2 6 1 ，定子上径向相对极上 的绕组串接或并接起来形成一相，此电机的相数可表示为： m ：丛( 2 3 ) 2 在低速高转矩时，可以采用重复形式，如1 2 8 极，1 6 1 2 极等 2 l 2 5 ，此时，式( 2 3 ) 可一表 示为： 聊：旦( 2 4 ) 4 对于d s p m 电机来说，由于其结构是对称的，因此，其参数如永磁磁链或电感都具有周期性， 周期以可以表示为： 或：3 6 0 。 ( 2 5 ) 。p ， 也就是说，当转子转过了以的机械角后，即转过了3 6 0 。的电角度，从这个意义看，转子齿 数相当于传统电机的极对数。 2 1 2d s p m 电机工作原理 d s p m 电机和其它旋转磁体的永磁电机之间的主要区别在于，d s p m 电机的气隙磁场的变化是 由于磁导的变化而不是磁体的旋转引起，永磁体的磁通尽量的从定子齿和转子齿对齐的位置通 过( 磁路最短的路径) 。每相定子绕组的永磁磁通是转子位置的函数，确切的说，是定子齿和 转子齿对齐程度的函数，转子位置就决定了气隙磁场的分布。由于定子线圈交链了一个变化的 磁通，从而将感应出反电动势。定子线圈交链的磁通的方向恒定不变，只是在一个最大值( 当完 全对齐) 和一个最小值( 当完全不对齐) 之间震荡，相应的反电动势在理想情况下是一个方波。 这里先定义本论文的转子位置角和电流。本文的转子位置角以转子槽中心线与定子齿中心 线相重合为计时起点，并且规定：转子槽中心线沿逆时针超前定子齿中心线时，转子位置角值 为正，0 0 ；否则为负，疗 o 。电流的定义为电枢绕组产生的的磁链与永磁体的磁链相叠加( 增 磁) 为正电流，相互削弱( 弱磁) 为负电流b 。 如图2 一l 示，若绕组中没有电流，只有永磁磁场，永磁体产生的磁通从n 极出发将依次经过 定子轭部一定子齿部一气隙一转子齿部一转子轭部一转子齿部一气隙一定子齿部一定子轭部回 到s 极而构成完整的回路。在定子绕组中通以电流，将产生电枢反应磁场，此磁场和永磁磁场相 作用，形成气隙合成磁场。此时电枢电流与气隙合成磁场发生作用，产生电磁转矩t ( o ，f ) ，根 东南大学硕上学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 据机电能量转换原理可知 t ( 0 ，f ) =艿既( 毋，圳 瓦厂i ，：一 式中阡，爪( p ，i ) 为磁共能，它可以被表示为 ( 2 6 ) ( 口，f ) = 【p ( 口，f 瑚 ( 2 7 ) 式中v ( 目，f ) 为气隙合成磁链，对d s p m 电机而言，在理想线性化条件下， v ( o ，i ) = y 。( 伊) + 三( p ) j ( 2 8 ) 式中。( 臼) 为永磁磁链，三( 口) 为绕组电感。 由式( 2 - 6 ) ，( 2 7 ) ，( 2 - 8 ) 可得 聊h 篝+ 互1i 2 嚣= _ + z ( 2 _ 9 ) 其中第一项0 ，为永磁转矩，它是由电枢电流与永磁磁场相互作用而产生的：第二项d 为磁 阻转矩，它是由绕组电感变化而产生的。由式( 2 - 9 ) 可以看出，乃是电流平方的函数，其方向与 电流方向无关，只与电感变化率有关；。既与电流的方向有关，也与永磁磁链的变化率有关。 在d s p l d 电机中，由于永磁体的存在，因而与开关磁阻电机相比较，磁路磁阻较大，绕组电感相 对较小，因此，永磁转矩总远大于磁阻转矩，是转矩的主要成分。 叫 乱 i 1 7 l 厶。 。 义 k 。 。 。厶 o 舀 ( a ) 0 孕 图2 2 电流、电感和永磁磁链波形 图2 2 给出一相绕组磁链和电枢绕组电流随转子位置角口变化的理想波形，。和m 厶。和。为磁链、电感的最大和最小值。当转子齿进入定子齿区域时，磁通随之增加，即 d 抄 予o 时，反电势为正值，通入的也是正电流；当转子齿由与定子齿重叠位置离开定子齿时， 磁通随之减少， 等c 。时，反电势为负值，通入的是也负电流，那么在通入电流期间，该 8 东南大学硕士学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 相绕组在正负半周产生的z 品始终为正值：而对于砟来说，其值有正有负。由于永磁体磁阻很大， 使得大部分的电枢反应磁通通过相邻齿形成回路，因此，无论在定子与转子极对齐位置还是处 于未对齐状态，绕组电感都较小，从而7 k 远大于只，根据式( 2 - - 9 ) 可知一相合成转矩始终非 负，这样保证了电机的相某个方向的持续运行。 2 2 两向混合励磁电机结构及工作原理 两向混合励磁电机定、转子均为凸极结构，与d s p m 电机相比，关键是增加了一套电流励磁 绕组，用来调节气隙磁通，这样增加了一个控制量，提高了控制的灵活性，是对d s p m 电机的适 用运行范围的改进有效解决了d s p m 电机难以实现弱磁控制、恒功率调速范围较小的不足。由 于引入了轴向电励磁磁场，使气隙磁场调节方便，因而电机具有宽广的无级调速范围，即使在 高转速f 也能较好的达到恒功率调速。 2 2 1 两向混合励磁电机的基本结构 两向混合励磁电机结构如图2 3 所示，由定子外轭、定子内轭、电枢绕组、永磁体、机壳、 径向气隙、侧面导磁件、轴向励磁绕组、轴向气隙、轴承、转子内轭、转子外轭、转轴等部分 构成。永磁体和电励磁的磁路各异。永磁体是径向磁场，电励磁是轴向磁场。由于轴向磁路不 经过磁阻很大的永磁体，因此不会由于施加了电励磁磁场而导致永磁体的退磁， 雌自删糕目 i _ 一 氍辩i 一 - 蕊 1 f 几_ 1 几t f f 鬻 一： 一3 j i u 。 j l 广 ，一! 、i 麓 1 t 几j j n 了r r 缕 7 扎 u ! - l i ，8 l i l 邕型l圆 l 一定子纯铁2 一定子硅钢片3 一电枢绕组4 一永磁体5 机壳 6 一径向气隙7 一侧面导磁件8 一轴向励磁绕组9 一轴向气隙1 0 一轴承 1 l 一转子纯铁1 2 - 转子硅钢片1 3 - 转轴 ( a ) 电机的轴向剖视图( b ) 电机a - - a 截面结构示意图 图2 - 3 两向混合励磁电机结构示意图 而且可以用较小的励磁磁势达到需要的调节磁场效果。径向磁通的主要通路：永磁体n 极一 定子轭部一定子齿一径向气隙一转子齿一转子轭部一转子齿一径向气隙一定子齿一定子轭部一 永磁体s 极；轴向磁通的主要通路：电励磁磁极n 极( 或s 极，取决于励磁电流方向) 一励磁磁极 极靴一定子外轭一定子内轭一定子齿一径向气隙一转子齿一转子外轭一转子内轭一轴向气隙一 9 东南大学硕：l 学位论文 笫_ 二章两向混合励磁电机的基本理论 导磁磁极一侧面导磁钢板一电励磁磁极s 极( 或n 极) 。 磁场垂直穿过铁芯叠片时有很大幅度的衰减，也就是说磁场是难以“穿透”石丰钢片叠片的。 因此必须为轴向磁通提供同路，在定子和转子轭部都增加了电纯铁来轴向导磁如幽2 4 ，这 样磁场通过电工纯铁在轴向流通。从图可以看到，轴向励磁线圈产生的磁场从电机端部向内是 逐渐衰减的。为使励磁线圈产生的磁通在电机转子氏度内分布大致均匀，电机k 度不宜过长， 且电机两侧都安装轴向励磁绕组，轴向励磁绕组的数目同永磁体的数目。 卜轴向励磁绕组2 一电工纯铁3 一定子碎钢片4 - 径向气隙 5 一转于硅钢片 6 一转子电t 纯铁7 一轴向气隙8 一侧面导磁件 图2 4 轴向磁场闭合路径图 2 2 2 两向混合励磁电机的基本工作原理 本电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。电机及其驱动系统土要由混台励磁电 机、功率变换器、控制器、位置检测、电枢电流检测、励磁电流调节等部分构成。作发电机运 行时，电机从轴上输入机械功率，调节励磁电流的人小和方向即可改变输出电压。电机系统的 基本构成如图2 5 所示( 虚线为发电部分的框幽) 。 i 二二二二二二二弋蔓墨瓷二二二二二、1 j 电源 幽2 5 两向混合励磁电机系统的基本构成 正是由于d s 附电机定子线网交链的磁通的方向恒定不变，只是在一个最大值( 当完全对齐) 1 0 东南大学硕士学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 和一个最小值( 当完全不对齐) 之间震荡，如图2 - 2 所示，这样可以方便的引入轴向励磁。从电机 内磁场的角度来看，两向混合励磁电机实际上相当于气隙合成磁场连续可调的d s p m 电机，其电 动运行原理也基本$ n d s p m 电机相类似。由于励磁转矩为转矩的主要分量，因此在磁链随转子位 置角增大的地方通入正电流，将获得正转矩；在磁链大小随转子位置角减小的地方通入负电流， 仍然将产生正转矩。电机的磁通由电励磁磁场和永磁体磁场共同作用产生，转矩主要是由电枢 电流与电励磁磁场和永磁体磁场共同作用产生的，磁阻转矩对电机的输出转矩无贡献，只是增 加了转矩的脉动。 2 3 两向混合励磁电机的数学模型 由于电机内存在漏磁以及定、转子齿部的磁密饱和，要准确的进行分析，实际上需要建立 三维的电机模型，由于时间原因，本文未能够建立三维模型，仅分别以径向和轴向的二维模型 来表示。要使基于二维基础数学模型成立，为简化分析，作如下假设： 1 、径向磁场和轴向磁场互不影响，即永磁体磁场和电励磁磁场都全部经过气隙，忽略漏磁 的影响； 2 、电励磁产生的轴向磁场在定子轭部的电工纯铁中均匀分布： 3 、铁磁材料在未饱和区和高度饱和区都呈现良好的线性关系； 4 、半导体开关器件为理想开关，即导通时压降为零，关断时电流为零； 5 、忽略铁芯的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗： 1 2 8 双凸极是6 4 极的复式结构，从磁路上来看相当于两台6 4 极电机p ，为简单方便，数 学模型中以6 4 极电机说明。图2 - 6 为两向混合励磁电机的简化等效磁路，图( a ) 为径向磁路简 化等效图其中和g ，分别为永磁体的磁动势和磁导；g 。，g 6 和g 。分别为a 、b 、c z 相定子齿 与转子齿之间的气隙磁导；、r 和疋分别为各相电枢反应磁势。图( b ) 为轴向磁路简化等效 图，其中丹和g ，分别为轴向励磁磁动势和磁导( 含轴向气隙磁导) ，二、，_ 、f ：分别为各相 定子齿上的电枢磁势。 f m f a t呵。f 丁 。、，l二一 ( a ) 径向磁路等效图 f ft 已tn f 。t ij。l。，j 图2 6 电机的等效磁路 ( b ) 轴向磁路等效图 l 、径向磁路定、转子齿之间的气隙磁导( 以下均以a 相为例) ： e = 胁半( 2 - 1 0 ) 式中口。为a 相定子和转子的重叠角，屯为定转子铁芯的叠片长度，见为定子齿的直径。三 寸一百_ 一 百叫_ 百1一 一 东南大学硕士学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 相合成气隙磁导为 g s = g 。+ g h + g ： 确等c 坶， 当满足定子齿宽为定子齿距的圭等条件时。则吒+ + 口。= 羼( 居为转子齿宽，具体分 析见3 3 1 章节) 。有 q = 风半 此时，合成气隙磁导为常数，而与转子位置角无关。 2 、对轴向励磁磁路，其磁场的闭合路径如2 2 1 章节中所述 电枢反应磁势为： f ：= 与n ，i o = 与f ， ( 2 - 1 2 ) 故对于轴向磁场来说，各相 ( 2 - i 3 ) n 。为每对磁极下的一相绕组匝数，l 为相电流。 由于轴向电励磁只经过一次径向气隙，故定子齿与转子齿之间的气隙磁导； g 。：胁掣：2 g o ( 2 - 1 4 ) z g o 2 3 1 电感特性 i 、对径向磁场磁路 屯枢绕组的自感为： 。等= 半 = 斗t g = i i ( g = + g 一。 ：一：鱼! 鱼鱼二9 2 ( 2 1 5 ) 。 g m + g e 相绕组之间的互感( 以a 相和b 相绕组为例) ： 小等2 学= 半，万a 丽b = 尘上二；刍二生， g 。( g 。+ + g 。+ g 。) 赤 1 2 东南大学硕士学位论文第二章两向混合励磁电机的基本理论 n ，n a 。g ，o + g 瓦, 2 、对轴向磁路，同理，可以求出增加了轴向磁路导致绕组的电感 电枢绕组轴向磁路的自感： k = c 争型警 电枢绕组轴向磁路的互感 卅- 鼍菁产 k 2 圯，虿g 面a 6 8 电枢绕组磁路与轴向励磁绕组间的互感： o ：半 t f 轴向励磁绕组的自感 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) = 笔，g i i ( z e 娜鼢纛 = 口，1 丽g d g a i 2 - 1 9 ) b = 等= 半 ：学g ：1 1 ( 2 g 。+ 2 g b + 2 g c ) i ， “ = ，2 丽2 g ：g 了a 2 3 2 定子相绕组的电压方程 相绕组的磁链方程； 径向磁链方程： 少， = 【】 】+ y ， 其中p = 。 y 6 。陲 1 3 y 口m = 引 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) = ， 1j k k k知伽咖 叩 罟 上l l = 己 东南大学硕士学位论文 第二章两向混合励磁电机的基本理论 其中虬= 轴磁链方程： ：】= 上】 川 帆 虬 三= l 。l 女l 。：l l 。l b l b ：l w l 。：l ，bl c ：l j f i = 由于电机的两侧都装有轴向励磁绕组，故端电压： 小掣+ z 掣 其中【r = r 。1 r l ， u 】= rj 乩 u 0 b j ， ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 根据电磁感应定律和回路定律，各定子绕组的端电压等于电阻压降和由磁链变化而产生的 感应电势之和，当励磁绕组电流不变时，则各相绕组的电压方程( 以a 相为例进行分析) ： 虬= “+ 誓+ z 警( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 知： ，= 二i 0 + l 6 乇+ 二+ 少， ( 2 2 5 ) ：= l 二+ l 曲+ l i c + 厶6 0 ( 2 2 6 ) 为简化分析，作如下假设：( 1 ) 所有绕组的电感仅是转子位置角0 的函数，而与电流大小 无关，即电流的变化不会影响铁磁材料的磁导率：( 2 ) 忽略永磁体的工作点受电枢绕组电流的 影响，也即忽略电枢反应对永磁体的影响，永磁磁链仅是转子位置角0 的函数。由式( 2 - 2 4 ) ， 考虑仅a 相导通时的情况( 其他相不导通，即不考虑电枢绕组互感的影响) ，有： 叱嘶屯+ 警+ 2 警 兄乞+ 型盘掣+ 2 d t d t l 。t o + l t f l 嘶+ k 鲁垤警+ d d 警+ 2 l , d i o 舶譬啦争 嘶。化1 ) 鲁+ i o ( 国等砌等m 等砌- 生d o ( 2 - 2 7 ) 式中兄是回路中的电阻压降：( k + 2 k ) ! 为电枢电流变化而感应的电动势。又称 d l 变压器电动势；其余的项是由转子位置变化引起绕组中磁链变化而感应的电动势，即运动电动 势，运动电势中劬等+ 2 等) 是由于磁路磁阻变化引起的，甜百d g t “是由永磁磁链变 东南大学硕士学位论文第二章两向混台励磁电机的基本理论 化产生的，是电机电动势的主要部分；2 脚。i d l 歹e 是由轴向励磁绕组磁链变化产生的，正是励 磁电流的大小和方向使得能够调节发电机的端电压。 2 3 3 功率与转矩方程 1 豉技啊泶仟利乐j 眸骊电监哭似，开且怂i b 苫妖花，一相辅组明獭八功翠力： = 眈乇 咄。吲k + 2 k 垮似等+ 2 警吩等协- 等 2 咒2 + 昙【言( k + 2 k )