（电机与电器专业论文）混合励磁双凸极电机的发电技术研究.pdf

乞 k 卜 a a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nz h i h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 一： j 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： f 盔l 煎 e l 期：型竺：至：! i p 一一 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 混合励磁双凸极电机是双凸极电机领域又一新的研究方向，它是永磁双凸极电机与电励磁 双凸极电机的有机结合，综 电机的一种新结构，这种电 切向磁钢混合励磁双凸极电机是混合励磁双凸极 向磁路和附加气隙，结构优化设计更为方便，是 一种很有发展前途的新型电机，具有广阔的应用前景 本文首先对切向磁钢混合励磁双凸极电机的构成方式和空载特性进行了分析基于单元电 机的概念阐述了该电机的结构特点和组成条件。利用a n s y s 有限元分析软件建立电机的空载 仿真模型，分析得到切向磁钢混合励磁双凸极电机的不同工作模态，并根据仿真和实验结果对 比分析了不同条件下的空载特性。 其次，对切向磁钢混合励磁双凸极电机的负载特性进行了分析。建立了实验样机的a n s o f t m a x w e l l 2 d 场路耦合模型并进行仿真研究，得到负载情况下电枢电流对气隙磁场的影响 通过实验测试了样机负载性能，给出阻性负载时电机电势电流波形，并结合仿真进行对比分析 通过负载实验得到切向磁钢混合励磁双凸极实验样机在不同发电方式、励磁电流、转速和阻容 性负载情况下的外特性 最后，设计了基于浮点数字处理芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 和c p l d 的数字调压器并进行实验验证 分别介绍了数字调压器的控制电路、功率电路结构和相关软件程序功能搭建数字调压平台并 对调压系统性能作了实验研究，结果表示系统在不同负载电流、电机转速情况下均能达到较好 性能 关键诃l 混合励磁双凸极电机，有限元仿真，a n s y s ，a n s o f tm a x w e l l2 d ，数字调压控 制，浮点d s p ，c p l d 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 a b s t r a c t an o v e ld o u b l ys a l i e n th y b i r de x c i t a t i o nm a c h i n eh a db e e nd e v e l o p e di nt h e8 , t e ao fc l o u b l y s a l i e n tm a c h i r l e , i td r a w s 也eb e n e f i t so ft h eo t h e rt w od o u b l ys a l i e n tm a c h i n e s 。a n daf l e w s t r u c t u r o h a st a n g e n t a l - s e tm a g n e t , c a no f f e rt h ea d v a n t a g e so fl i o na d d i t i o n a la i r - g a pa n da x i a lm a g n e t i c c i r c u i t , o p t i m i z a t i o ne a s i l ya n dh i 曲e f f i c i e n c yo fe l e c t r i c a le x c i t a t i o n t h e s ef e a t u r e sm a k et h i sf l e w s m a c t u r ea p o t e n t i a lc a n d i d a t ei nt h ef u t u r ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r a lp r i n c i p l ea n dn o - l o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sh y b i r de x c i t a t i o nd o u b l y s a l i e n tg e n e r a t o rw i t l lt a n g e n t i a l - s e tm a g n e th a sb e e na n a l y z e da tf i r s t i t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o m p o s i t i o nc o n d i t i o ni sd e s c r i b e db a s e do i lt h ec o n c e p t i o no fu n i tm a c h i n e w i t ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h en o - l o a ds i m u l a t i o nr e s e a r c hh a v eb e e nc o n d u c t e d , w h i c ha 托 h e l p f u lt od i s c u s st h ed i f f r e n t i a lo p e r a t i o nm o d e so ft h em a c h i n e ，e o n t r a s t i v ea n a l y s i st h en o - l o a dd a t a a n dw a v e f o r mb e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tu n d e rd i f f e r e n tg e n e r a t i o nm o d e s s e c o n d l y , t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a t o rh a v eb e e na n a l y z e d t h em a x w e l l2 d f i e l d e i r e u i tc o u p l e dm o d e lo ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e nb u i l dt or e s e a r c ha n dd i s c u s st h e i n f l u e n t i o nf r o ma r m a t u r ec u r r e n tt oa i r - g a pm a g n e t i cf i e l d t h r o u g he x p e r i m e n t , t h ew a v e f o r mo f i n d u c t i v ep o t e n t i a la n dc u r r e n ta 糟p r e s e n t e dw i t har e s i s t i v el o a d , a n dc o m p a r i s o nh a sb e e nm a d et o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e nt h ec 1 1 r v e $ o fe x t e m a lc h a r a c t e r i s t i cw i t hd i f f e r e n tg e n e r a t i o nm o d e s ， e x c i t a t i o nc u r l c n t , r o t a t i o ns p e e d ，a n dc a p a c i t i v el o a dr e s i s t a n c eh a v eb e e no b t a i n e da n d a n a l y z e d f i n a l l y , ad i 舀t a lv o l t a g er e g u l a t o rb a s e do i lt h ef l o a t i n gd i e 酉t a ls i g n a lp r o f e s s o rt m s 3 2 0 v c 3 3 a n dc p l dh a sb e e nd e s i g n e da n de x p e r i m e n t a lv e r i f i e d a f t e rt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h e h a r d w a r ec i r c u i t sw e 他d e s i g na n dt e s t e dn o r m a l l y , a n dt h es o f t w a r es y s t e mw e 他s u c c e s s f u l l y d e b u g g e d , t h ee x p e r i m e n t sh a wb e e nd o n e0 1 1t h eg e n e r a t i o ns y s t e m , t h r o u g hw h i e l at h eb e t t e r p r o p e r t yo f v o l t a g er e g u l a t i o ns y s t e mc a l lb ep r o v e du n d e l r d i f f e r e n tl o a dc u l t c n ta n dr o t a t i o ns p e e d 1 畸w o r d s ：d o u b l ys a l i e n th y b i r de x c i t a t i o nl l l a e h i r l e , f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n , a n s y $ ，a n s o f t m a x w e l l 2 d ，i ) i g i t a lv o l t a g er e g u l a t i o nc o n t r o l ，f l o a t i n gd s p , c p l d 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景及研究意义l 1 2 混合励磁双凸极电机研究现状2 1 3 数字调压技术的特点。3 1 4 本文研究的主要内容4 第二章切向磁钢d s h e m 的空载分析6 2 1 弓l 言6 2 2 切向磁钢d s h e m 结构。6 2 2 1 单元电机6 2 2 2 切向磁钢d s h e m 结构组成7 2 3 切向磁钢d s h e m 发电方式：9 2 4 基于a n s y s 的切向磁钢d s h e m 空载模型1 0 2 5 切向磁钢d s h e m 的工作模态1 3 2 5 1 绕组定义1 3 2 5 2 工作模态1 4 2 6 切向磁钢d s h e m 的空载特性1 6 2 7 本章小结。l9 第三章切向磁钢d s h e m 的负载分析2 0 3 1 弓i 言2 0 3 2 场路耦合模型2 0 3 3 负载磁场与气隙磁密2 2 3 4s r g 发电方式磁链与电势。 3 5 外特性2 9 3 5 1 不同发电方式下外特性2 9 3 5 2 不同励磁电流时外特性3 0 3 5 3 不同转速下外特性3l 3 5 4 阻容性负载时外特性3l 3 6 本章小结3 2 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 第四章切向磁钢d s h e m 数字调压系统的设计与实验验证3 3 4 i 引言。 4 2 切向磁钢d s i - i e m 发电系统结构3 3 4 3 数字调压器的控制电路3 4 4 3 1 主控芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 。3 4 4 3 2 外部扩展资源。3 5 4 3 3c p l d 电路设计3 7 4 4 检测调理及保护电路4 0 4 4 1 励磁电流检测调理与保护4 0 4 4 2 输出电压及输出电流检测调理电路4 2 4 5 功率电路设计4 2 4 5 1 主功率电路4 2 4 5 2 功率驱动电路4 4 4 5 3 数字调压器电源系统：4 4 4 6 双向数字调压器的软件程序设计- 。4 5 4 6 1v c 3 3 地址空间分配4 5 4 6 2 系统软件设计4 6 4 6 3 程序流程图4 7 4 7 双向数字调压实验结果与分析5 0 4 8 本章小结5 2 第五章总结与展望5 3 5 1 工作总结5 3 5 2 后续研究工作展望5 3 参考文献。5 5 致谢5 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 0 在学期间所获荣誉6 0 图2 4 切向磁钢混合励磁双凸极电机示意( 捌) 9 图2 5 磁链与反电势示意图9 图2 6 三种发电方式绕组连接1 0 图2 7 a n s y s 电磁设计流程1 2 图2 8 有限元模型和网格划分1 2 图2 9 不同气隙的网格划分1 3 图2 1 0 样机结构划分1 3 图2 1 1 单输出时绕组连接展开图( 局部) 1 4 图2 1 2 切向磁钢d s 阿! m 工作模态l 1 4 图2 1 3 切向磁钢d s 旺m 工作模态2 1 5 图2 1 4 切向磁钢d s h e m 工作模态3 。1 5 图2 1 5 切向磁钢d s 髓m 工作模态4 1 5 图2 1 6 励磁电流6 a 时各部分磁链1 6 图2 1 7 三相电势及输出电压的仿真与实验波形1 7 图2 1 8 不同发电方式及不同转速下电机空载特性1 8 图3 1 场路耦合模型建立流程2 l 图3 2 样机场路耦合模型。2 2 图3 3 样机负载磁场和气隙磁密。2 4 图3 4 转过6 0 度电角度时局部结构放大图2 4 图3 5s r g 发电方式仿真与实验波形2 7 图3 6 负载时s r g 发电方式工作区间 v 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 图3 7s r g 发电方式二极管导通状态2 8 图3 8 不同发电方式下外特性波形。3 0 图3 9 不同励磁电流时外特性波形，3l 图3 i o 不同工作模态下外特性波形。3 l 图3 1l 容性负载实验波形。3 2 图4 1 切向磁钢d s h e m 发电系统结构框图3 3 图4 2v c 3 3 双电源供给电路3 5 图4 3 外扩h a s h 存储器连接图3 6 图4 4 外扩a d 模块连接图3 6 图4 58 通道模拟输入电压保护电路3 6 图4 6 时钟分频时序仿真波形图3 7 图4 7 地址片选时序仿真波形图3 8 图4 8i o 扩展时序仿真波形图3 9 图4 9 励磁电流检测电路4 0 图4 10 励磁电流保护电路4l 图4 11 输出电压检测电路图4 2 图4 1 2 主功率电路4 3 图4 ：1 3 功率驱动电路4 4 图4 1 4 微计算机引导方式下存储器映射图4 5 图4 15 主程序流程图4 8 图4 1 6a d 采样保护及p i 控制算法。：4 8 图4 1 7 定时器0 中断程序流程图4 8 图4 1 8 定时器l 中断程序流程图4 8 图4 1 9 混合励磁电枢绕组s r g 发电方式下的空载特性。5 0 图4 2 0 数字调压稳态输出波形5 l 图4 2 1 励磁电流随负载变化曲线 表2 1 切向磁钢混合励磁双凸极电机示例8 表2 2 实验样机结构尺寸。9 表2 3 励磁电流与电机磁密及电势极性关系 表2 a s r g 空载特性数据 表3 1 不周发电方式外特性仿真与实验数据 1 8 2 9 壹室堕窒塾丕盔兰塑主堂垡鲨塞 一 表4 1 雨湎西而的有效范围3 4 表4 2 外部资源地址映射表”4 6 表4 3 数字调压稳态实验数据5 l 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 一、缩略词 略写 v r m s i u 厦 d s m d s p m d s e m d s h e m s r g d s g l d s g 2 f e m a p d l d s p c p l d p 、m 注释表 英文名称 v 撕a b l er e l u c t a n c em a c h i n e s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e d o u b l ys a l i e n tm a c h i n e 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 a c h i n e d o u b l ys 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 h y b r i de x c i t a t i o nd o u b l ys a l i e n tm a c h i n e s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t i o nm o d e d o u b l ys a l i e n tg e n e r a t i o nm o d el d o u b l ys a l i e n tg e n e r a t i o nm o d e2 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e d 酒t a ls i g n a lp r o c e s s o r c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e p l u s ew 记t hm o d u l a t i o n 二、 基本符号与名称 基本符号 雪 d e - ，e b 、岛 ，毛屯 矗 厶 厶厶、工c 矗 名称 磁感应强度 占空比 三相感应电势 三相相电流 励磁电流 负载电流 三相电枢绕组自感 转速 中文名称 变磁阻电机 开关磁阻电机 双凸极电机 永磁双凸极电机 电励磁双凸极电机 混合励磁双凸极电机 开关磁阻发电方式 双凸极发电方式l 双凸极发电方式2 有限元法 a n s y s 参数化设计语言 数字信号处理器 复杂可编程逻辑器件 脉冲宽度调制 名称 输出电压 磁滞比较器门限电压 输出电压检测电压值 主功率电路电源电压 p i 算法控制量 1 1 s 3 2 0 v c 3 3 内核电压 励磁电流保护参考电压 磁链 号 二 杵昕仉：； y 基 u 堕室堕窒堕垂盔堂堡主堂垡鲨塞 一 _ - - _ - _ _ _ - - - _ _ - 一一 ，砘，l 。 三相相电势 磁通 研 励磁电压0 电角度 陆 励磁电流检测电压 三、主要下标符号及意义 下标符号 a 、b 、c f p m l 、p m 2 意义 三相电枢绕组 励磁绕组 永磁励磁单元电机 下标符号 脏1 、砸2 、髓3 m a x r n i n 意义 混合励磁单元电机 最大值 最小值 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 变磁阻电机( v a r i a b l er e l u c t a n c em a c h i n e ，简称蝴) 概念的形成已经很久，虽然这 类电机结构简单，但其控制却非常复杂到了最近几十年，随着微电子和电力电子等相 关技术的发展，这类电机才被广泛应用于工程领域，涌现出如步进电机、开关磁阻电机 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 、双凸极电机( d o u b l ys a l i e n tm a c h i n e ，简称d s m ) 等较有特色的电机 永磁双凸极电机( 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 a c h i n e ，简称d s p m ) 的概念最 初由r a u c h 和j o h n s o n 于1 9 5 5 年提出，但由于当时永磁材料等技术限制，一直未得以重视 在1 9 9 2 年，美国著名电机专家t a l i p o 等人重新提f l d s p m 的概念，此后国内外学者相继 对其进行了研究。d s p m 的定转子均为凸极结构，电枢绕组位于定子，转子无绕组。利于 散热。该电机具有结构简单稳固、控制灵活、转矩，电流比大等优点，且绕组端部短、用 铜省，功率密度和效率高但采用永磁励磁使得电机气隙磁场调节困难，限制了d s p m 的 应用范围如作为发电机使用时，存在调压和故障灭磁困难的问题，特别是电机内部短路 后必须立即停机，以免短路故障扩大；作为电动机使用时，无法弱磁升速，难以扩展速度调 节范围【1 】f 5 1 南京航空航天大学于1 9 9 8 年提出一种新型双凸极电机，即电励磁双凸极电机( d o u b l y s a l i e n te l e c t r o - m a g n e tm a c h i n e ，简称d s e m ) 它是在永磁双凸极电机的基础上，用励磁线 圈代替永磁磁钢作为电机励磁源，该电机同样具有结构简单、制造方便，可靠性高的特 点，即可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行通过改变励磁绕组电流，可以方 便地调节气隙磁场强度，如作为发电机使用时，可实现宽范围调压，故障时可断开励磁 电路进行灭磁，实现电机系统故障保护但d s e m 因励磁损耗的存在而难以实现高功率密度 限制了其在很多场合的应用f 刚3 】 针对以_ k d s p m 和d s e m 的优缺点，如何扬长避短具有较重要的研究意义。为此有学者提出 了一种综合这两种电机优点的新电机结构，即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 d e x c i t a t i o nm a c h i n e ，简称d s h e m ) 。这种电机除采用永磁体提供励磁外，还采用励磁绕组产生 磁通，通过调节励磁电流可调节合成气隙磁场大小它是永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机 的有机结合，是一种很有发展前途的新型电机，正日益受到重视它可与电力电子变换器和数 字控制器结合形成一类新的高效率电机系统，在航空航天、风力发电以及电动汽车驱动等领域 l 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 具有广阔的应用前景。对混合励磁双凸极电机及其控制系统进行研究不仅具有重要的理论意义， 而且具有重要的工程应用价值【9 h 1 1 1 。 1 2 混合励磁双凸极电机研究现状 混合励磁双凸极电机较好地解决了永磁双凸极电机磁场调节困难以及电励磁双凸极 电机效率低的问题，与永磁双凸极电机比较，它具有调整气隙磁密的能力；与电励磁双 凸极电机相比，它的效率较高。d s h e m 已成为近年来的研究热点之一，针对它的结构形 式，国内外学者进行了有益的探索和研究 在永磁双凸极电机的基础上，l i p 0 教授等提出如图1 1 所示的混合励磁双凸极电机【1 2 1 1 3 1 该 电机定子上装有永磁磁钢和直流励磁绕组，通过控制励磁电流的方向和大小来调节气隙磁场。 但由于电励磁磁路和永磁磁路为串联结构，永磁体存在不可逆退磁的风险而且电励磁回路穿 越永磁体，电励磁效率低。 永 图1 1 串联磁路混合励磁双凸极电机 东南大学程明教授等针对电动汽车应用场合，提出磁桥式混合励磁双凸极电机【l | 1 。如图1 2 所示，在电机的永磁体与电励磁绕组之间特别设置了一定尺寸的导磁桥，一方面可使电机定子 铁心保持一个整体。简化了电机装配；另一方面为电励磁提供额外通路。有效地增强了电励磁 绕组的弱磁功能，即用较小的直流励磁磁势可以获得较大的弱磁能力，实现了气隙磁场的有效 控制，提高了直流励磁的效率 2 图1 2 磁桥式混合励磁双凸极电机图1 3 三相定子双馈双凸极电机 南京航空航天大学硕士学位论文 上海大学江建中教授等提出了一种新型定子双馈双凸极电机嗍【1 6 1 ，电机结构如图1 3 所示 在永磁体旁边附加了一条并联磁分路，当该磁分路磁阻为永磁体磁阻的三分之一时，仅需永磁 体磁势八分之一的直流去磁磁势和四分之一的直流增磁磁势，就可使主气隙磁通变化四倍，从 而达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调节范围的目的 文献【1 0 】和【1 7 】对一种并列结构混合励磁电机进行了研究，如图1 4 所示，该电机由两部分 组成，左边为普通永磁双凸极电机，右边为电励磁双凸极电机永磁部分电机与电励磁部分电 机问用气隙或非导磁材料隔开一段距离，这样可以减少两部分不同磁势源产生的轴向磁通间的 交链，减少两部分电机的耦合，从而使永磁部分和电励磁部分的磁路互相独立通过控制励磁 绕组电流的大小和方向，即可调节输出电压。电机效率介于电励磁双凸极电机和永磁双凸极电 机之间 图1 4 三相并列结构混合励磁电机 ， 文献【1 8 】提出了一种切向磁钢混合励磁双凸极电机。与现有的混合励磁电机相比，这种电 机取消了轴向磁路和附加气隙，永磁磁路和电励磁磁路作用于不同的极，漏磁小，电励磁效率 高，周时便于电机结构的优化设计，可达到最佳的应用和节能效果，适合作可调压发电机和宽 调速电动机使用，并在风力发电及高可靠性驱动等领域具有很大的应用潜力 综上所述，混合励磁双凸极电机是双凸极电机领域一新的研究方向，目前针对它及其控制 系统的研究尚处于起步阶段，主要集中在基础理论研究上尤其是文献【1 8 】提出的切向磁钢混 合励磁双凸极电机，是一种新的电机结构，对它的研究基本上还是空白，相关参考文献极少 为此，本文致力于这种电机作发电机使用时特性的研究，并设计了相关实验样机的调压控制系 统 1 3 数字调压技术的特点 电压调节系统用以控制发电系统的输出电压，目的使系统具有良好的稳态和动态品质调 压系统是发电系统的重要组成部分，现代调压系统可以分为模拟调压系统和数字调压系统采 用模拟控制技术具有动态响应快、无量化误差、价格低廉等优点，但其控制规律体现在硬件电 3 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响， 而且由于模拟器件的分散性使系统调试困难，输出电压点不易准确地调整到设定值。 - 近年来，随着数字控制芯片和控制技术的迅速发展，调压系统采用数字控制器是今后发展 的必然趋势。数字调压系统能够简化系统硬件设计、减少分立元件的数量、改善系统可靠性。 与模拟调压系统相比，数字调压控制技术的优点在于【1 9 1 - 2 1 l ： ( 1 ) 在数字控制中采用数字信号传送信息，不易受到温度的影响，稳定性好、可靠性高，控 制参数调整方便。 ( 2 ) 数字控制技术能够充分发挥出软件技术的优势，其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运 算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制策略，提高控制 性能。 ( 3 ) 数字控制器还拥有信息存储、数据通信、系统监视预警和记录功能，便于实现信息共享 和维护。 1 4 本文研究的主要内容 课题在对切向磁钢d s h e m 实验样机的结构、空载和负载特性等基本理论进行仿真和实验 分析的基础上，搭建了基于d s p 和c p l d 的数字调压器并进行实验研究。主要内容包括以下几 个部分： 第一章绪论部分，阐述了课题研究的背景和意义，对双凸极电机的发展历史和混合励磁双 凸极电机的研究现状作了简要的介绍，对比了模拟和数字调压控制技术的特点，确定了本文的 研究对象- 切向磁钢混合励磁双凸极电机。 第二章对切向磁钢d s h e m 的构成原理和空载特性进行了分析。利用单元电机的概念介绍 了该电机的结构组成；利用有限元分析软件a n s y s 建立了实验样机空载仿真模型，根据气隙 磁场分析了不同的工作模态；并对样机进行了实验研究，结合仿真结果对比分析了切向磁钢 d s h e m 在不同条件下的空载特性 第三章研究了切向磁钢d s h e m 的负载特性利用有限元软件a n s o f tm a x w e l l2 d 建 立电机的场路耦合模型。分析了不同励磁电流时的负载磁场与气隙磁密分布：测试样机在s r g 与d s g 2 发电方式下的负载特性，给出了电势电流的仿真实验波形对比图：最后给出切向磁钢 d s h e m 在不同条件下的外特性曲线。 第四章介绍了以1 r i 公司t m s 3 2 0 v c 3 3 为核心的数字调压器并给出相应实验结果对系统 中控制电路和功率驱动电路的功能和硬件设计进行了详细的介绍，并用c 语言编写了相关调压 程序，绘制了软件流程图结合样机搭建调压系统，对系统在不同发电条件下的调压特性进行 了实验研究，验证了调压器的性能 4 5 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 2 1 引言 第二章切向磁钢d s h e m 的空载分析 本章首先给出双凸极单元电机的概念，在此基础上介绍切向磁钢混合励磁双凸极电机的结 构组成方式；其次分析了电机的三种发电方式，根据已有样机的结构尺寸，利用a n s y s 有限 元仿真软件，建立电机空载仿真模型，得到磁链、电势波形和空载特性曲线，并根据气隙磁密 给出电机的工作模态；最后对切向磁钢混合励磁双凸极电机在不同发电方式下的空载特性进行 了仿真与实验对比分析 2 2 切向磁钢d s 脏m 结构 2 2 1 单元电机 双凸极电机主要由定子、转子、励磁磁源、电枢绕组和转轴等部件组成【6 】其中，定转子 均为凸极结构，由硅钢片叠制而成，定子上有绕组，转子无绕组；励磁磁源有永磁体和电励磁 绕组两种，也可以是两者的组合，电枢绕组和励磁绕组均为集中绕组。6 4 结构( 定子极数为6 ， 转子极数为4 ) 为三相双凸极电机的基本结构型式，称为单元电机。图2 1 所示为三种不同励磁 方式的双凸极单元电机。 ( a ) 永磁双凸极单元电机 ( b ) 电励磁双凸极单元电机( c ) 混合励磁双凸极单元电机 图2 1 三相6 4 极双凸极电机结构 图2 1 ( a ) 为d s p m 单元电机，励磁磁源为永磁体。d s p m 具有无励磁损耗，功率密度高 的优点，但其磁场不能调节，因此无法实现弱磁升速及故障灭磁：图2 1 ( b ) 为d s e m 单元电 机，励磁磁源为电励磁绕组d s e m 具有气隙磁密调节方便的优点，但励磁损耗较大，电机效 率难以提高；图2 1 ( c ) 为d s 冈三m 单元电机，励磁磁源同时包含了电励磁绕组和永磁体，因 此d s h e m 综合了前两者的优点，既保留了d s p m 高效率的特点，又添加了d s e m 磁场调节的 6 南京航空航天大学硕士学位论文 能力 与开关磁阻电机不同，双凸极电机具有独立的励磁激励。为使励磁产生的定位力矩理论上 为零，励磁磁路磁导不受转子位置影响，三相双凸极单元电机定子极的宽度应为极距的一半【7 1 ， 转子极宽等于或大于定子极宽 2 2 2 切向磁钢d s h e m 结构组成 实际使用的三相混合励磁双凸极电机大部分采用多极结构，多极结构是多个6 4 极单元电 机的重复组合但是，利用图2 1 ( c ) 中的d s h e m 单元电机构成多极混合励磁双凸极电机时， 由于其永磁励磁和电励磁磁路串联，当电励磁起弱磁作用时可能导致永磁体的不可逆退磁。然 而若利用图2 1 中的电励磁及永磁双凸极单元电机共同组合成多极混合励磁双凸极电机，就可 以避免前面所述混合励磁双凸极电机结构复杂或弱磁困难的缺点这种多极结构的d s h e m 永 磁磁钢沿n 、s 极切向放置，所以称为切向磁钢混合励磁双凸极电机，下面给出其具体构成原 理。 切向磁钢混合励磁双凸极电机由七( 七为正整数) 个电励磁或永磁励磁的单元电机组成，定 转子极数比为6 k 4 k ( 七为正整数) 以图2 2 所示电机为例，k = - 3 ，电机由4 块永磁体和l 副线 圈励磁，磁场交错分布，如图中深色箭头所示。 图2 2 切向磁钢混合励磁双凸极电机( 扣3 ) 因为永磁体的磁导率约等于空气磁导率，电励磁对a l 、b l 、c l 、b 、c 相磁链影响甚 小a l 、b l 、c i 、凡、b 4 、c 4 相构成永磁双凸极部分l 其余a 2 、b 2 、c 2 、a 3 、b 3 、c 3 相由永 磁磁钢和励磁线圈共同励磁，构成混合励磁双凸极部分 这种d s h e m 做发电机使用时，输出方式有两种：单输出和多输出如上述1 8 1 2 极混合 励磁双凸极电机，以a 相为例，单输出时，a l 、a 2 、a 3 、a 4 相电枢绕组串联；多输出则a l 、 相串联，a 2 、a 3 相串联构成双输出电机 切向磁钢混合励磁双凸极电机中，永磁和混合励磁部分可任意组合但为了保持电机磁场 7 混合励磁双凸极电机的发电技术研究 交错分布和磁拉力平衡，永磁和电励磁分布需保持对称同时，永磁磁钢数必须为偶数，且相 邻两块永磁体间单边电励磁数为偶数( 包括o ) 时，永磁体必为同极相对；相邻两块永磁体间 单边电励磁数为奇时，永磁体必为异极相对。此外，要构成混合励磁双凸极电机，还必须优先 满足电励磁线圈的放置，如按照图2 3 ( b ) 的方式排布，则电励磁线圈双边电流同向，这是必 须避免的。切向磁钢混合励磁双凸极电机的结构构成非常灵活，但为了避免电励磁影响永磁励 磁过多永磁体通常情况下集中摆放 ( a ) 结构1( b ) 结构2 图2 3 多极混合励磁双凸极电机( k - - - 4 ) 切向磁钢混合励磁双凸极电机中永磁励磁和电励磁的比例决定电机磁场调节范围。l 副励 磁线圈在作用上等效于1 对永磁体，以发电运行单输出方式为例，永磁励磁部分气隙磁场基本 不变，当相同相全部串联时，电势叠加，若永磁和电励磁比例小于等于l ，则整流后输出电压 可从0 调节至最大；比例大于l ，