（电机与电器专业论文）混合磁极永磁发电机的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t w ok i n d so fh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n e sa r es e p a r a t e l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r o n ei sb r u s hm a c h i n ew h i c hi sp r e s e n t e db yt h o m a sal i p oi nu n i v e r s i t yo f w i s c o n s i n ，t h eo t h e ri sb r u s h l e s sd o u b l e f e dh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ew h i c h i sp r e s e n t e db ym yt u t o r t h ec a l c u l a t i o na n dd e s i g no ft w ok i n d so fm a c h i n e sa r e c o n d u c t e df r o ma l l a r o u n di nt h ep a p e r ，t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d d e s i g na r ec o n f i r m e da c c o r d i n gt op r o t o t y p ee x p e r i m e n t s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fb r u s hh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ea n db r u s h l e s s d o u b l e f e dh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ea r ee x p o u n d e db ym a g n e t i cc i r c u i ti nt h e p a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft w ok i n d so fm a c h i n e si nt h ed - qs y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef l a m e sa r eb u l i dr e s p e c t i v e l ya n do p e r a t i o n a l l ya n a l y s e d t h ea n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h em a c h i n e sh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g he x c i t a t i o ne f f i c i e n c ya n d w i d er e g u l a t i n gr a n g eo ft h ea i r - g a pf l u x t h ep a p e re l a b o r a t e so nt h ed e s i g nf e a t u r eo ft w ok i n d so fm a c h i n e s ，p r e s e n t s t h a tt h ed e s i g nc y c l eo fh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ea n dp o i n t so u tt h a tu s i n g f e mt oc a l c u l a t et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n du s i n gt o o t hf l u xm e t h o dt oc a l c u l a t e t h ew i n d i n gv o l t a g ep l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g m a c h i n e s i m u l t a n e o u s l y , t h es o l v i n g p r o c e s so fc a l c u l a t i n gt h em a g n e t i c f i e l do f h y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ei nf e m a n di nt h et o o t hf l u xm e t h o di nt h eh y b r i d p o l e sp e r m a n e n t m a c h i n ea p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e d t h ep a p e rc a l c u l a t e st h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fm a c h i n ei nf e m ，a n a l y z e st h a t e v e r yp a r t so fd i m e n s i o n so fm a c h i n ei m p a c to nt h em a c h i n ep e r f o r m a n c ea n df i x so n p a r t so fd i m e n s i o ns c a l e so ft h em a c h i n e t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do f m a c h i n ec a nm a k eu s eo ft h ee x i s t i n g 4p o l e sm o t o rc o r e ，t h e r e b yt h ed e s i g no ft h e m o t o rc o r e sw h i c ha l ed i f f e r e n tr a t e dc a p a c i t i e su n d e r2 0 0 k w ，a r eg i v e n i nt h i sw a y , i t c a nn o to n l ys a v ec o n s u m e d l ye x p e r i m e n t a lm a n u f a c t u r i n gc o s to ft h i sm a c h i n e ，b u t a l s ob r i n gt h ec o n v e n i e n c eo fd e s i g ns e d a t i o nm a c h i n e s t h ev o l t a g ew a v e f o r m n ol o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c i i a b s t r a c t c u r v e si nf e ma r ec a l c u l a t e di nt h ep a p e r t h ei n d u c t a n c ew a v e f o r mo fh y b r i dp o l e s p e r m a n e n tm a c h i n eb a s e do nt o o t hf l u xm e t h o di sc a l c u l a t e d ，t h er e a s o nw h yt h e i n d u c t a n c ew a v e f o r md i s t o r t si sa n a l y z e da n da s p e c t so fl o s so fm a c h i n ea r e c a l c u l a t e di nt h ep a p e r t h ec o m p u t i n gr e s u l t ss h o wt h em o t o rh a st h ea d v a n t a g e so f l o we x c i t a t i o np o w e r ，w i d er e g u l a t e dv o l t a g ea n dh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y f i n a l l yt w ok i n d so fp r o t o t y p e s ( b r u s hh y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n ea n d b r u s h l e s sd o u b l e f e d h y b r i dp o l e sp e r m a n e n tm a c h i n e ) a r ed e s i g e d a n d t r i a l m a n u f a c t u r e d a c c r o d i n g t ot h e c o m p u t a t i o n a la n a l y s i s o fm a c h i n e s t h e f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so fd e s i g nm e t h o d ，t h ea c c u r a c yo fc o m p u t a t i o n a lm e t h o d a r ec o n f i r m e da c c r o d i n gt ot h ee x p e r i m e n t s i tl a y sag o o db a s ef o rt h es e r i e sd e s i g n a n do p t i m a ld e s i g ni nf u t u r e k e yw o r d ：h y b r i dp o l e se l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；t o o t hf l u xm e t h o d ；p r o t o t y p e ； e x p e r i m e n t a t i o n s i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别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，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何。 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：铷苔壤 签字日期：卯口年厂月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：金零名琅 导师签名( 手写) 壹勺乃沙1 签字f l 期：们。年，月；日签字同期：弘，o 年厂月夕日 学位论文作者联系方式： 电话：15 8 7 9 0 9 2 3 4 6邮编：3 3 0 0 9 6 通讯地址：南昌市高新大道5 8 9 号南昌大学科技园a 2 0 8 室 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 我国稀土资源丰富，开发应用永磁节能电机具有重大的战略意义。永磁同 步发电机以永磁体励磁，消除了电励磁同步电机励磁损耗，并消除了机械接触 装置，具有结构简单，运行可靠和功率密度大、效率高，电机的形状和尺寸可 以灵活多样等显著优点【l 巧】。但由于永磁电机气隙磁场不可调，因此混合励磁永 体电机已经成为一个热点，并提出了大量的混合励方案【6 - 1 引。 混合励磁的众多优点吸引许多学者对其进行研究，并提出了大量的方案， 但存在电机结构复杂，电励磁效率不高，有刷等缺陷。目前，混合励磁永磁电 机主要有两类，一类是采用轴向径向磁路混合励磁的永磁电机，它是通过改变 电机轴向磁路的磁通来控制电枢绕组的电压，其励磁绕组为环形线圈，可实现 无刷化。但这种轴向混合励磁，存在附加气隙，电励磁效率低，材料利用率及 功率密度不高。另一类是采用分离磁路混合励磁的永磁电机，它是将电机分为 两段，使永磁磁路和电励磁磁路完全分开，通过改变电机电励磁部分磁路的磁 通来控制电枢绕组的电压。但是这种电机实质是一般永磁发电机与电励磁发电 机的复合，其结构复杂，电励磁效率，材料利用率及功率密度也不高且为有刷 电机。 针对混合励磁电机的研究现状，本文对混合磁极电机进行了详细分析。一 种e h 美国威斯康星大学的t h o m a s a l i p o 提出有刷混合励极电机1 27 1 ，该电机通过 改变经铁磁磁极的径向磁场，不存在轴向磁场，因此电励磁效率较高。此外电 机结构相对简单且紧凑，没有附加气隙，电机的材料利用率与功率密度比普通 的混合励磁永电机高。同时本文还研究了由黄劭刚教授提出的混合磁极双馈电 机，即定子上放置控制绕组，转子上放置永磁材料的无刷混合励磁永磁同步电 机。课题组前期已经对该新型电机做了大量分析论证了方案的可行性，初步对 电机的相关参数进行了优化设计。 本课题是国家自然科学基金项目无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁 永磁电机的研究的重要组成部分，为得到最优方案，课题组对两种电机进行 第1 章绪论 了研究，将其分别全面对比分析。并分别做了两种样机，设计相关实验，论证 理论分析的正确性。同时也为研究混合磁极永磁电机作出了理论指导，奠定了 混合磁极永磁电机研究基础。 1 2 混合励磁永磁电机的研究现状 混合励磁同步电机( h y b r i de x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sm a c h i n e - - h e s m ) 是上个 世纪8 0 年代由俄罗斯学者最早提出的一种新型电机结构形式。与传统的电励磁 同步电机以及永磁同步电机结构不同。h e s m 中既有永磁体又有励磁绕组，两 个磁势源同时存在。它集成了电励磁同步电机调磁方便且调磁容量小和永磁同 步电机效率高、转矩质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难 的缺陷，有较大的推广应用价值。 从理论理解，混合励磁方案按电励磁与永磁体在磁力线中位置分有两种：1 、 磁路串联式，2 、磁路并联式。在磁路串联式中，虽然电机在空载时电机的磁场 可单独由永磁提供，但当负载运行时磁场同时由电励磁与永磁建立，因为永磁体 的磁导小，磁阻大，电励磁磁场将经过永磁体，这必将损耗大量的电流以改变磁 场。这将不符合上述混合励磁的目的，因此，串联方式在实际领域中是不可用 的。磁路并联式则不同，两种磁路相对独立，电励磁磁场无需经过永磁体，因 为磁路磁导大，磁阻小。建立同样大小的磁场，所需要励磁电流也将减小。所 以磁路并联更符合混合励磁的本质。 近年，h e s m 电机成为新的研究热点之一。许多欧美经济发达国家投放大量 的人力、物力和财力进行了h e s m 电机的理论和应用研究。俄罗斯于1 9 8 8 年率 先完成了混合励磁同步发电机的研制并在移动电源方面获得了应用。美国 w i s c o n s i n m a d i s o n 大学在2 0 0 0 年、2 0 0 2 年分别研制成功3 k w 、1 0 k w 两种不同结 构的h e s m t 2 0 之3 1 。日本k a n a z a w at e c h n i c a lc o l l e g e 也在2 0 0 1 年完成t o 7 5 k w h e s m 的研制【2 制。这些研究推动了h e s m 电机的技术发展。虽然我国对h e s m 电 机研究起步较晚，尚处于初期阶段，但也有取得了一定成果。国内外许多高校 和研究所已经对这种电机做了大量研究，并提出了相应方案。 2 第1 章绪论 1 2 1 混合励磁永磁电机的基本类型 文献【2 4 】表明同本m e i d e n s h a 公司的研究小组在t a k a y u k im i z u n o 博士的 带领下，研制了一种混合励磁永磁同步发电机，这种发电机同样采用永磁磁场 和电励磁磁场耦合的结构，定子结构基本上和电励磁发电机相同，但分成两半， 电励磁绕组安放在两半定子中间，如图1 1 所示，转子上的磁极也分成两半，有 一半磁极是永磁体，另一半是导磁铁芯，如图1 2 所示。从国外资料介绍的情况 看，混合励磁永磁发电机由于采用了磁场耦合的结构，用调节总磁场的方法来 调节电压，其磁路结构比较复杂，如果考虑用这种发电机在飞机电源系统中替 代电励磁发电机，则永磁电机结构简单的优势将得不到充分发挥。在沈阳工业 大学文献f 7 】牛，提出的混合永磁电机与日本的混合式永磁发电机基本相同。方案由 于直流励磁绕组在定子侧，需要大量的铜线，同时也将增加励磁损耗，此外由 于磁场变化，还将形成涡流，进一步加大电机的损耗，所以该电机效率低。 r _ l 一”_ _ ，町 l 嗍一社峨。址坤椭 h 吐1 蝉j | l t。硎离 扣i 。 i 叫艇奠 嘲_ 忡h4 _ i h _ k i h s 一蚺 k h lid 【 | i 。l 岳训 1 f i 卜j l 图1 1 混合励磁永磁发电机剖面结构简图图1 2 混合励磁永磁发电机转子结构简图 文献【l l 】将永磁双凸极电机( 简称d s p m 电机) 和电励磁双凸极电机d o u b l y s a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm a c h i n e ，简称d s e m 电机) 两者的优点结合起来，提出 并列结构混合励磁双凸极电机( d o u b l ys a l i e n th y b r i de x c i t a t i o nm a c h i n e ，简称 d s h e 电机) 图1 3 并列结构1 2 8 极d s h e 电机的结构示意图，左边为d s p m 电机，右 边为d s e m 电机。在d s p m 电机的导磁壳体和定子冲片之间装有一四块瓦形永 磁体，对称分布于电机圆周上。两部分电机的齿高不同，d s e m 电机的定子极 高大于d s p m 电机，以放置d s e m 电机的励磁绕组，转子上无绕组，转子极宽、 齿高相同。 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 3 第1 章绪硷 磁体的磁通尽量的从定子齿和转子对齐的位置通过( 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，转子位雹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( 当完牟对齐) 和一个晟小值( 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。 j 4 ：l l ( 由制i h i | m 言 、- ( 协“【i l i m 懈* ，知oo 图i3 混合励磁敢凸极电机 永磁部分与电励磁部分之间用气隙隔开一段距离，以放置励磁绕组，并使 两部分电机磁势建立的磁通互不关联，经各自的磁路闭台。由于并列结构混合 励磁坝凸极电机中电励磁与永磁两部分电机的磁路是分开的，两者间仅有电路 的联系，因此混合励磁双凸极电机的磁链、感应电势、电感均可出于两部分电 机的磁链、感应电势和电感分别叠加而成。由于永磁体采用了晶大磁能积、剩 磁、撮大矫顽力都较大的衫钴永磁材料，因而有高的功率密度。电励磁部分定 子上的励碰绕组，起励磁调节的作用，它与一般的的电励磁双凸极电机相比， 励磁绕组的功率和损耗较小，同时还具有较小的励磁时日j 常数，可实现职向快 速励磁电流控制。因此，混合励磁般凸极电机继承了水磁双凸极电机的优点 又增加了励磁可调的优点，结构简单，控制灵活，可高速运行。但由于电机分 段电机中存在附加气隙，电机的功率密度低，漏磁大。 1 2 2 径向混合励磁永磁电机的研究现状 两向混合励磁无刷电机阱i 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 电机弱磁控制难、恒功率调速范围较小的4 i 足。由于引入了轴向电励磁磁 第l 章绪论 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 下也能较好的达到忸功率调速。 双向混合励磁无刷电机结构如图l4 所示，由定子外轭、定子内轭、电枢绕 组、承磁体、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、转予外轭、转轴等部分构成。永磁体和电励磁的磁路箨异，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 i 十施加了电励磁磁场i 灯导致永磁体的退磁，但电励磁轴向励磁导致 电机的励磁散率低。 1 0r 抛设z 矗f f r 捆“ 6 j 州【徘7 德畦h 融什 l 牡j 她咄蛆j “ f 1 1 “托呐“1 - 4 尉他| 目 i f h m 托ii 水融仆hn r 矬向啊越绕自i”# 向+ 蹦l f j “乐 1 3 蝻0 蚓14 烈向泓台励 i 琏电机结构示意幽 径i | j 磁通的主要通路：承磁体n 极畸定子轭部- + 定子齿寸径气隙- 转 子齿呻转子轭部呻转子齿呻径向气隙呻定于齿呻定子轭部寸永磁体s 极； 轴向磁通f | 勺j | 要通路：电励磁磁极n 极( 或s 极，取决于励磁电流方向) 呻励磁 磁板极靴定子外轭呻定子内轭呻定子齿斗径向气隙_ 转了齿呻转了外 轭呻转子内轭呻轴向气隙呻导磁融极- + 侧面导磁钢板呻电励磁磁极s 极 ( 或n 极1 。 文献6 1 提出一种定了双馈双凸极混合励磁水磁 u 机，蚓l5 是这种三相6 4 极新型定子烈馈双凸极混合励磁永磁电机( s t a t o rd o u b l y f e dd o u b l y - s a l i e n t 第1 章绪论 p e r m a n e n t m a n e tm a c l l i n e s - d f d s p m ) 的结构示意图，图中l 为直流励磁绕 组，f 1 和f 2 表示直流励磁绕组的首端和尾端；2 为永磁体；3 为电枢绕组，a x ， b y 和c z 表示三相电枢绕组的首端和尾端；4 为定子铁心；5 为转子铁心；6 为辅助气隙；7 为定子铁心外轭 2 i 图1 5 三相6 4 极d f d s p m 结构不恿图 这种新型电机的定、转子铁心均是双凸极的，而且在定子上放置了永磁体， 因此是一种双凸极永磁电机( d o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n t m a g n e tm a c h i n e s 一一 d s p m ) 但是与现有的d s p m 电机结构不同，在该电机的定子侧，除了三相电枢 绕组3 外，增加了直流励磁绕组1 ，因此是一种定子双馈的结构形式：特别地， 还在定子永磁体2 的旁侧，增加了辅助气隙6 ，辅助气隙6 的存在改变了传统 d s p m 的特性，这也成为这种新型电机的主要设计特点。 电机在空载时的工作情况。这时又分为两种情况：第一种是仅永磁体励磁 时的情况，此时一方面大部分永磁磁通将流经定、转子主气隙成为主磁通；另一 方面由于辅助气隙的存在，部分永磁磁通将流经辅助气隙而不经过主气隙，也 就不匝链电枢绕组，而成为漏磁通，因此辅助气隙起到旁路永磁磁通的作用， 称为并联磁支路。 但是由于辅助气隙和直流励磁绕组的引入，d f d s p m 电机的气隙磁通成为 可调的，即第二种情况。当直流励磁绕组中通入励磁电流，时，直流励磁磁势 产生的磁通与永磁体主磁通作用一样，也将匝链电枢绕组，成为主磁通。所以 当直流励磁磁势与永磁磁势同向时，直流励磁磁势将使主气隙磁通增加，与之 6 第1 章绪论 相反，当直流励磁绕组中通入反向电流，产生与永磁磁势反向的直流励磁磁势 时，辅助气隙中会有更大的漏磁通流过，主气隙磁通会进一步减少。但定子双 馈双凸极混合励磁永磁电机的功率密度低。 1 2 3 混合磁极永磁电机的研究现状 文献吲提出一种六极的混合磁极永磁电机其中四极为永磁体磁极，两极为 电励磁磁极，用于调节电机磁场。在文献中对这种电机进行了电机参数计算并 简化了电机的磁路。如下图所示： 图1 6 混合磁极电机结构图图1 7 混合磁极电机磁路模型 同时对永磁混合电机在不同工况下进行了分析，即分析了电机中电励磁极 在去磁，助磁与单独永磁体作用时电机内磁场的二维分布。该种电机永磁体提 供气隙磁场的主要部分，电磁磁极主要用于改变气隙磁场，因此这种电机不但 可以达到节能的目的，而且可以满足电机电压在一定范围的调节。从磁路分布 可以看出在两个永磁体及电励磁极共同下，电机可成为四极电机也可以成为六 极电机，因此可以大范围调节发电机的电压。该方案电机结构简单，但是转子 电励磁绕组与外部的连接仍需要滑环和电刷，不能实现无刷化，电机运行可靠 性不高。 7 第1 章绪论 图1 8 电励磁去磁性图1 9 电励磁助磁图1 1 0 永磁体单独作用 为了解决无刷化的问题，同时保留上述混合磁极永电机的各种优良性能。 课题组前期已经提出一种无刷双馈混合磁极永磁电机，文酬2 8 】已经对该种电 机进行了大量研究。该电机定子上有两套绕组，一套为功率绕组，用于机电 能量转换；另一套为控制绕组，用于励磁。转子无绕组因此为无刷电机。作 发电机运行时，功率绕组接电网输出功率，控制绕组接变频器输入功率；作 电动机运行时，功率绕组与控制绕组同时输入功率。 u 电网v v 承磁磁阻转子 图1 11 无刷舣馈混合永磁电机系统框图 从上述混合励磁方案看，混合磁极永磁电机与其它方案相比，结构简单、 漏磁小、通过径向磁励，没有附加气隙，电励磁损耗小，电机效率高。 总之，混合励磁同步电机较好地解决了永磁电机励磁调节困难以及电励磁 电机效率低的问题，是很有发展前途的一种新型电机。它的开发将为我国节能 电机和高性能电机的发展开辟一条新的途径。因此，具有广阔的应用f j 景。 1 3 本论文主要内容 从前面介绍可知，国内外学者已对混合励磁永磁发电机的研制开发进行了 8 第1 章绪论 大量的工作，并开发出了许多样机，但没有投入生产使用，主要原因是电机的 性价比还没有达到令人满意的程度。在混合励磁方面提出了许多方案可分为以 下两类：一类是采用轴向径向磁路混合励磁的永磁电机，它是通过改变电机轴 向磁路的磁通来控制电枢绕组的电压，其励磁绕组为环形线圈，可实现无刷化。 但这种轴向混合励磁，存在附加气隙，电励磁效率低，材料利用率及功率密度 不高。另一类是采用分离磁路混合励磁的永磁电机，它是将电机分为两段，使 永磁磁路和电励磁磁路完全分开，通过改变电机电励磁部分磁路的磁通来控制 电枢绕组的电压。但是这种电机实质是一般永磁发电机与电励磁发电机的复合， 其结构复杂，电励磁效率，材料利用率及功率密度也不高。 针对上述情况，课题组前期已经提出了种新型电机，并且对其进行了初 步的理论分析，本课题从混合磁极永磁电机入手开展了如下几个方面的工作， 并取得了某些创新性的研究成果。 1 从磁路的角度介绍有刷混合磁极永磁电机、无刷双馈混合磁极永磁电机 基本原理，对影响电机性能的重要尺寸进行分析。分别建立了两种电机数学模 型，分析了这两种电机的运行特性。 2 对电机的设计特点进行分析，根据设计特点提出这种电机的设计方案。 为这两种电机的研究奠定基础。由于混合磁极永磁电机与电励磁电机磁路以及 永磁电机磁路有着重大区别，传统磁路分析已经不能满足电机的精度要求，本 文利用有限元法对电机从场的角度进行了准确分析。本文采用有限元法计算这 种电机的磁场分布，介绍了齿磁通法在这种电机中的应用，并利用a n s y s 所提 供的a p d l 和u i d l 语言编写了混合磁极永磁电机计算分析的二次丌发程序，实 现了电机转子自动旋转、自动网格剖分、自动分配材料、自动施加边界条件和 载荷、自动求解和自动保存计算结果的功能。本程序实现了界面化操作，具有 通用性强、操作简单、计算速度快等优点。 3 采用有限元法计算这种电机的磁场分布，分析普通电机冲片应用于所研 究的电机时的磁场分布情况，并对各部分尺寸对电机性能的影响进行了分析， 得出了这种电机各部分的尺寸选择比例，证实普通电机冲片可用于研究的电机， 给出一系列不同容量的电机可选择的冲片尺寸。 4 采用有限元法计算电机冲片的二维磁场分布情况，得出电机单位长度的 电压，确定电机的铁芯长度。利用齿磁通法并计算这两种电机空载电压波形和 负载电压波形，运用齿磁通法可准确电压波形的优点，分析绕组排法对绕组电 9 第1 章绪论 压波形的影响，证明正弦绕组可很好的优化绕组电压波形，并计算电机的空载 特性曲线与负载特性曲线。采用基于电磁场分析的绕组函数法计算绕组的电感 波形，分析电感波形变化的原因。 5 在全面了解与计算分析了有刷混合磁极永磁电机、无刷双馈混合磁极永 电机后，课题组试制这两种样机并对其进行测试。对两种电机的电压波形、调 压范围、电机的电压特性曲线进行测试。将实测值与计算值相比较，验证理论 分析的正确性，通过实验证实了设计方案的可行性和j 下确性，以及计算方法的 准确性，为今后这种电机的系列化设计和优化设计奠定良好的基础。 1 0 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 第2 章混合磁极永磁电机的原理分析 本章介绍有刷混合磁极永磁电机与无刷双馈混合磁极永磁电机的原理，分 析了电机各种工况时，电机磁路的磁场分布情况。分析表明，两种电机都具有 较宽的主磁场调节范围，可以很好的实现永磁电机的混合励磁。本章还建立了 两种混合磁极永磁电机的数学模型，论述了这两种电机的运行特点，为这两种 电机的控制和运行奠定了理论基础。 2 1 有刷混合磁极永磁电机的原理分析 2 1 1 有刷混合磁极永磁电机的结构与磁路分析 有刷混合磁极永磁电机由定子和转子构成。定子与普通的同步电励磁电机 相似，有一套电枢绕组，用于机电能量转换；转子表面分布铁磁磁极与永磁磁 极，其中在铁磁磁极极身上绕有励磁绕组用于对铁磁磁极励磁。在该电机内气 隙磁场主要由永磁磁极提供，铁磁磁极中的励磁绕组在电机中主要是起调节气 隙磁场的作用。改变励磁电流的大小可改变铁磁磁极中励磁磁势的大小：改变 励磁电流方向，可改变励磁绕组的磁势方向，使电机可在增磁或弱磁工况下运 行。 电机可设计为六极、八极电机，可根据要求对电机进行极数的选择， 图2 1 为循环一次的6 极电机的示例，转子磁极的安排顺序为：永磁n 极一。铁 磁s 极一永磁n 极呻永磁s 极一铁磁n 极_ 永磁s 极，依次循环。但是由 于转子上有电励磁绕组与外部联接仍需要滑环和电刷，不能实现无刷化，以致 电机维护工作量大。 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 图2 1 有刷混合磁极电机结构 文献【2 7 】对有刷混合磁极电机进行了磁路简化分析，但是没有考虑铁芯磁阻 的影响，这显然是不合理的。下面在考虑电机铁芯磁阻影响的条件下，分析电 机磁路的磁场分布情况。 在电机中，永磁体对外表现为磁动势和磁通。但在负载不同时，两者都是变 化量，计算量较大。由永磁体的性能可知其内禀磁通，对于给定的永磁体性能 和尺寸，是一个常数；根据“诺顿”的等效电路永磁体可以等效为一个恒定磁 通源和一个磁导的并联，也可以等效为一个恒定磁动势和一个磁阻的串联i 。7 1 ， 这样就大大简化了磁路计算，如图2 3 所示 n 图2 2 永磁体的等效磁路图2 3 混合磁极电机磁路回路模型 其中r p m 为永磁体内磁阻，f p m 永磁体磁动势，f 。为电励磁磁势，r g 为气 隙磁阻，r s 为漏磁磁阻，r f e 为电机铁磁材料磁阻。 图2 3 中有两环分别代表转子铁心和定子铁心；共有1 2 个磁阻分别为气隙 磁阻与永磁体磁阻；6 个磁势源分别为电励磁磁势源和永磁体磁势源。下面按三 1 2 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 种情况说明其磁场分布： ( 1 ) 励磁电流i ，= 0 时，气隙磁场只由永磁磁极产生，磁场分布如图2 4 所示，由于定子轭部磁阻的影响，即使励磁电流为零时，也将有一部分永磁极 产生的磁通从铁磁磁极形成闭合回路。永磁体单独作用的等效磁路如图2 5 所 示，从图中可以看出，改变定子轭部磁阻时，显然会影响磁通在定子轭部的分 布。当定子轭变宽，则定子轭部磁密降低，磁阻降低，两个永磁磁极间的定子 轭磁通大，只有少部分磁通在永磁磁极与铁磁磁极之间的定子轭部；当定子轭 变窄，则轭部磁密上升，磁阻上升，两个永磁磁极间的定子轭磁通变少，而在 永磁磁极与铁磁磁极之间的定子轭部磁通增大。同理，铁磁磁极极身对铁磁磁 极气隙磁通也有较大影响。磁势相同时，极身加宽，极身磁阻减小，则磁通增 大；极身减小，极身磁阻增加，则磁通减小。 图2 4 永磁体单独作用时磁场分布图2 5 永磁体单独作用等效磁路 ( 2 ) 励磁电流， 0 时，气隙磁场由永磁磁极与铁磁磁极助磁作用的直流 励磁绕组的共同产生，磁场分布、直流电流方向如图2 6 ，永磁磁极产生的磁通 仍分为两个部分。随着直流励磁电流增大，永磁磁极的气隙磁通变化较小，而 铁磁磁极的气隙磁通变化较大，气隙有效磁场增强。当，增大到一定数值时， 铁磁磁极磁通与永磁磁极磁通大小相等，方向相反。此时：铁磁磁极磁势起助磁 作用，其等效磁路如图2 7 所示。从上述可知，轭部变宽，则永磁磁极与铁磁磁 极之间的定子轭部磁密低小，磁阻小，因此只需要较小的励磁电流，则对铁磁 磁极的气隙磁通有较大的增加；反之，则永磁磁极与铁磁磁极之间的定子轭部 磁密高，磁阻大，因此励磁电流对铁磁磁极的影响小。显然，前者电机的磁场 1 3 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 调节能力比后者的大。同理，铁磁磁极极身宽也将影响电机的磁通调节范围， 铁磁磁极产生的磁通需经过铁磁磁极极身，当极身宽时，极身磁密低，磁阻小， 相同的励磁电流，可产生较大的铁磁磁极磁通；当极身窄时，极身磁密高，磁 阻大，相同的励磁电流，只能产生较小的铁磁磁极磁通。因此，铁磁磁极极身 宽时，电机的气隙磁通调节范围大。从分析可知电机的定子轭宽与铁磁磁极极 身宽均对电机的磁场调节范围有较大影响。 i | | 臻掣簿 窖、，萼i i ：、简。| ，弋誊曩 、筠j 澎， 图2 7 电励磁助磁作用时等效磁路 ( 3 ) 励磁电流， 0 产生的6 极 气隙磁密为励磁电流，= o 的1 5 倍，励磁电流， 0 两种工况之间。 2 1 2 有刷混合磁极永磁电机的数学模型 其中：【甲】_ ，】7 【，】_ 易，乇，妇r m = 睇芝 组d 轴与励磁绕组互感系数，如励磁绕组自感系数，妙转子永磁体对电枢绕 组的恒定磁链，转子永磁体对励磁绕组的恒定磁链。 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 其中：【u 】= ，“r 【r = a i o g ，o 】 l 0 一c o0 o d = l ( - 0 00 l 1 0 0 0 j 式中，国分别为电枢绕组电流角频率，厂、一分别为电枢绕组和励磁绕组电阻。 利用磁链方程消去电压方程中的磁链，可以得到以下电压方程： u d = ( l u p + r ) i a o , l q i q + l m u p 妇 g 口= ( l q p + r ) i q + ( 厶+ 厶d t f d + 沙) ( 2 3 ) u f a = l m d p i d + l d p i f + r f i f d 电磁转矩的表达式如下所示： t = p p ( l a l q ) g i q 七p 倒i q + p p l 喇i 掰i q q _ 式中：p 。为电机的电枢绕组极对数，第一项为转子凸极效应产生的电磁转 矩，第二项为永磁体产生的磁场在功率绕组中产生的电磁转矩，第三项为电磁 励绕组产生的电磁转矩。 2 1 3 有刷混合磁极永磁电机的运行分析 有刷混混合磁极永磁电机既可用作发电机，也可用作电动机。用作发电机时， 电枢绕组接在负载或固定频率的电网上；用作电动机时，电枢绕组则接在电压 幅值、频率和相位可按调速要求分别进行调节的变频电源上。不论是用作发电 机还是电动机，励磁绕组都用于电机的磁场调节。 电机运行时，则电枢绕组的稳态电压方程为： = r i a o , l q f q u q = r i q + 国厶+ e o ( 2 - 5 ) 毛= 缈( 乙d t 。f a + 5 u g a ) 从上式可以看出，该电机功率绕组的电压方程与一般的同步电机的电压方 程是一致的，只是励磁电动势昂产生的方法不同。一般的同步电机的励磁电动 势只由励磁绕组的电流产生，这种电机则是由励磁绕组的电流和永磁材料共同 1 6 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 产生。因此，这种电机既有永磁电机的节能特性，又有一般同步电机的励磁调 节特性。 当电机用作发电机时，励磁绕组的电流随着功率绕组的电枢反应而变化， 以保持发电机端电压的稳定，其调节原理与一般同步电机相同。 当电机用作变频调速电动机时，电机的电磁转矩为： t = p p ( l d z q ) i d i q + p 倒i q + p l m d i f d i q ( 2 - 6 - 式中：p 。表示电机的极对数 从上式可以看出，在变频调速中，采用矢量控制，以功率绕组的q 轴电流 为转矩控制电流，以励磁绕组电流为磁场控制电流，可以使电机获得很好的调 速性能。当电机采用恒转矩控制时，励磁绕组电流保持额定值；当电机采用恒 功率控制时，励磁绕组电流随着转速上升而减小，甚至变为负值；因此，这种 永磁电机具有极好的弱磁调节性能，使电机达到较高的转速。 2 2 无刷双馈混合磁极永磁电机的原理分析 2 2 1 无刷双馈混合磁极永磁电机的结构与磁路分析 无刷双馈混合磁极永磁电机由定子和转子构成。定子上安放有两套绕组， 一套为功率绕组，用于机电能量转换；另一套为控制绕组，用于励磁控制，控 制绕组为三相绕组。转子上没有绕组，极对数与主绕组的极对数相同，一部分 为永磁磁极，另一部分为铁磁磁极。转子上没有设置绕组，因此电机为无刷， 减少了维护的时间与成本。通过改变定子侧控制绕组电流从而实现气隙磁场的 控制。图2 1 0 为循坏一次的6 极电机的示例，转子磁极的安排顺序为：永磁n 极一。铁磁s 极寸永磁n 极专永磁s 极寸铁磁n 极_ 永磁s 极，依次循环。 1 7 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 ( a )( b ) 1 、机壳；2 、定子铁心；3 、主绕组；4 、控制绕组；5 、永磁磁极；6 、铁磁磁极； 7 、转轴；8 、转子铁心 图2 10 无刷双馈混合磁极永磁电机结构 永磁体产生的磁通路径有两种，一种是经过两个永磁体磁极构成回路；另 一种是经过一个永磁体磁极和一个铁磁磁极构成回路。显然，由两个永磁体磁 极构成的回路的磁通大于由一个永磁体构成的回路的磁通，经过铁磁磁极的磁 通的大小与电机轭部磁路有关，当轭部磁路较窄时，铁磁磁极的磁通较大，反 之则较小。也就是说，电机无励磁电流的工作点可通过对电机的轭部设计来调 整。 电机运行时，定子控制绕组的电流频率为功率绕组同步频率的1 3 ，产生的 谐波磁势随转子同步旋转，其极对数与转子铁磁磁极的极对数相同。由图2 1 1 、 图2 1 2 和图2 1 3 可知，定子控制绕组产生的谐波磁场主要通过定子铁心、铁磁 磁极气隙，转子铁心、到达另一个铁磁磁极的气隙。当谐波磁势作用在铁磁磁 极上产生的磁场方向与铁磁磁极的极性相同时，谐波磁势起助磁作用，使铁磁 磁极的磁通量达到甚至超过永磁磁极的磁通量，电机的基波磁场可以被增强到 最大值，谐波磁场可以被减小到最小值；反之则起去磁作用，使铁磁磁极的磁 通量减小甚至反向增大，电机的基波磁场可以被减小到最小值，谐波磁场可以 被增强到最大值。因此，只要控制绕组电流的大小和相位就可以有效调节的无 刷双馈混合磁极永磁电机的气隙磁场。从分析可以看出，电机可以进行较大范 围的气隙磁场调节，且磁路短。 无刷双馈混合磁极永磁电机与有刷混合磁极永磁机相比虽然采用定子侧的 1 8 第2 章混合磁极永磁电机的基本原理和设计特点 控制绕组励磁，但两者均采用径向励磁方式，因此两者的磁场分布与等效磁路 回路相似，此处不再重复。 s 霪 ! n n 霪 s 图2 1 1 混合磁极永磁极磁通图2 1 2 混合磁极电励磁助磁图2 1 3 混合磁极电励磁玄磁 控制绕组为三相绕组j 电流经过交流励磁控制器，按要求调节励磁电流， 使电机主绕组的电压符合运行要求。转子旋转时，定子上的控制绕组会产生感 应电压，其频率正好符合交流励磁频率控制的要求，因此只需控制电流的相位， 使其产生感性或容性无功电流，从而达到增磁或弱磁的目的。 2 2 2 无刷双馈混合磁极永磁电机数学模型 双馈混合励磁永磁电机与磁阻式双馈电机有许多共同之处，但有以下两点 不同：第一，前者d 轴和q 轴参数是不相