【硕士毕业论文原稿】同步永磁混合励磁永磁电机

1、同步/永磁混合励磁永磁电机Xiaogang Luo, Member, IEEE, and Thomas A. Lipo, Fellow, IEEE摘要本文提出了一种同步/永磁混合（ SynPM ）电机结果表明，这种电机机具有良好的功率密度和效率.具有良好的调控性.工作原理、有限元分析与这台电机的仿真都在这篇文章中介绍关键词弱场，混合，永磁电机，同步电机1导言随着电力电子技术，控制技术，和微电子技术的发展，在许多应用场合中，交流电机正在取代直流电机12。同时，关于电机在交流传动系统中的运用，已经做出了大量的研究 134。各种电机广泛应用于传动系统如：感应电机、无刷永磁直流电机、可变磁阻电动机、同

2、步磁阻电机2在过去二十年中，永磁（PM）材料迅速发展。永磁电机因为其良好的功率密度大和效率高等优点，越来越受欢迎特别是对于小额定功率电机。永磁电机取消了存在于一般电机中的励磁绕组。最近，随着高矫顽力、高剩余磁通密度和高能量的永磁材料的发现，使永磁电机气隙磁通密度可进一步提高，电机的功率密度也得到了进一步增大。然而，永磁材料磁导率较低，因此要改变永磁体磁通需要一个较大的磁动势。当电机需要弱磁运行时，这样就大大限制了永磁电机在高速场合的应用。另一方面，同步电机有很好磁场调节能力。这是由于其气隙小同时电机转子上有一套励磁绕组。然而，将导致电机成励磁绕组损耗，同时电机的滑环与电刷使电机运行不稳定。本文

3、提出了一种新型的同步/永磁混合励磁永磁电机，电机转子分别有永磁体与励磁绕组，其中有四个永磁极和两励磁绕组；定子与普通的电励磁电机相同。电机内的磁场主要由四个永磁体提供，励磁绕组在电机中主要是起调节作用。通过改变转子励磁绕组的电流方向，改变两个励磁绕组所在磁极的磁势方向，电机可在增磁或去增下运行。虽然电机中仍然存在滑环与电刷，但是当电刷不能使用时也不会造成严重的问题，由于电机中永磁体仍将提供气隙磁通。当转子不通入励磁电流时，由于永磁体有较高的矫顽力，气隙中也存在较大的气隙磁密通。2工作原理同步/永磁混合励磁永磁电机结构如图1所示。电机共有6个磁极，其中4个是永磁磁极，2个是电励磁磁极。总的来讲，

4、这种电机的运行原理与普通永磁电机类似，但这种电机的气隙磁场可调A 理想磁路分析为了便于理解工作原理，假定了一个理想磁场因此有以下几点假设1.铁磁材料为线性材料2.忽略电机的边缘与端部漏抗3.在每个极下磁通均匀分布4.在两个磁极间磁通均匀分布5.定子与转子磁极表面光滑图1同步/永磁混合励磁永磁电机结构示意图图2永磁极等效电路永磁磁极等效电路：根据“诺顿”的等效电路一个永磁极可等效为一个磁通发生器与一个漏磁的并联，如图所示。式与式表示出了计算公式 (1) (2)式中：表示永磁磁极的有效磁通面积永磁磁极磁化方向长度剩余磁通密度永磁体的相对磁导率根据戴维南定理，等效电路可用磁动势m与磁阻抗的串联表示，

5、可如图2（b）所示 （3） （4）图3六极同步/永磁混合励磁永磁电机的磁路模型根据永磁体的等效电路方程，同步/永磁混合励磁永磁电机的电路模型如图3所示，图中两个环表示定子轭部与转子轭部，12个磁阻与6个磁势源。在模型中表示电励磁磁极气隙磁阻，可由下式计算得到 （5）式中表电励磁绕组的气隙长度，表示铁磁磁极磁通经过的面积。 （6）是表示永磁磁极的磁阻 （7）是表示两个磁极间漏磁磁阻，式中表示漏磁路的长度表示漏磁路的面积表示永磁磁极的磁动势表示铁磁磁极励磁绕组的磁动势磁路等效电路图如下式所示： （8）式中表示转子磁势（将定子作为零磁势参考点）表示磁动势第i条支路表示磁阻第i条支路由于永磁磁极与励磁

6、绕组都是成对的关系，因此总是为零。求解方程（8）令因此第条支路的磁通为所以，励磁绕组的磁通为永磁磁极的磁通为由方程（11）表明，由于铁磁磁极的气隙磁阻小，改变铁磁磁极的磁动势可很容易改变气隙磁密的大小。但是由于永磁磁极的磁阻较大，因此永磁磁极的气隙磁密变化较小。图4 一相绕组的反电动势同步/永磁混合励磁永磁电机的电枢绕组连接方式，假定转子的转速衡定，励磁绕组改变电流，即可变化绕组电压的反电动势。2）一相绕组的反电势：一相绕组感应电压 （13）随着转子绕组，每一相绕组经过两个永磁磁极与一个铁磁磁极，由于铁磁磁极中电流方向可调，一相绕组反电动势波形如图4所示，图4（a）中表示励磁绕组为增磁作用时反

7、电动势波形，图4（b）中表示励磁绕组不通入电流时反电动势波形，图4（c）中表示励磁绕组为弱磁作用时反电动势波形。图4表示一相绕组在三种工况下的反电势波形，但电机绕组由三相绕组组成，其它两相反电动势波形与其类似。所以在任何时刻总有两个永磁磁极和一个铁磁磁极的影响。图5,6,和7分别表示三相绕组反电动势在铁磁磁极励磁电流为正，励磁电流为零，励磁电流为负时电动势波形。在三种工况下，假定转子转速衡定，为一相绕组感应的反电动势，在第一种工况下通入正向的励磁电流，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相反，则绕组的反电动势为： (14)如图5所示。在第二种工况下，励磁电流为零，绕组反电动势为 (15

8、)如图6所示。第三种工况励磁电流为负，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相同，绕组反电动势为 (16)图5通入正向励磁电流时反电动势图6通入励磁电流为零时反电动势图7通入负向励磁电流时反电动势如果机电通入一个正弦波反电势 (17)因为=电路反电势也可以写成这表示为 (18)式中可通过，但是永磁磁极下的气隙磁密几乎保持不变。3电路模型从同步/永磁混合电机的结构可以看出，这种新型电机结合了永磁机与同步电机的优点，电机两点优点使之不同于普通同步电机与永磁电机，优点一同步/永磁混合电机与永磁电机相比气隙磁场可调，优点二同步/永磁混合电机的电枢反应比普通的同步电机小，电机的端电压范围较大A：稳

9、态模型同步电机和永磁电机通入正弦波形时，电压方程是 (19)功率方程是 （20）式中是反电动势和端电压的向量夹角，由电机的磁势源不同，因此它不同于同步电机和永磁电机。在式（19）中，相量图表示了弱磁工况,电压为常数,由于反电动势可以由励磁电流控制,电枢电流向量可假定它垂直，仅有q轴电流。在弱磁进，电流与电压，由于假定电流只有q轴方向，因此电压方程是 （21）相应的相量图所示图8。由于电压为常值，垂直于电压向量， （22）等式（22）除以，可得 （23）设额定转速为，为保证电流，最大转转速为在最小磁链为1/k时转速为 （24）图8忽略绕组电阻时电路电压方程最大速度时方程 （25）经过一些代数之间

10、的关系最大速度和额定转速的关系 （26）式中当速度为时，q轴电抗。当和，则速度范围约为理想情况下的2.29的情况。结果表明转速不超过3为了达到更宽的调节范围，将减小。B.暂态模型同步/永磁混合电机的瞬态模型结合了同步电机的瞬态模型与永磁电机的瞬态模型，当转子没有阻尼条时电机的方程如下所示。 （27） （28）4耦合电路仿真交流电机的d-q模型是已经确定并已经广泛应用电机分析中。它是基于定子绕组正弦排布与气隙磁密为正弦分布的假设。但是这些假设并合适于所有电机如凸极永磁电机，感应电机，同步磁阻电机，在一相短路或开路时。同步/永磁混合电机的电路方程可以写成 （29） （30） （31） （32）定子

11、电阻的对角矩阵转子电阻的对角矩阵定子电感矩阵转子电感矩阵定子对转子互感矩阵转子对定子互感矩阵定子电流矢量转子电流矢量定子电压矢量转子电压矢量由永磁体产生的磁链与定子绕组相耦合由永磁体产生的磁链与转子绕组相耦合电机的转矩为 （33）机械平衡转矩 （34） （35）式中为机械角度为机械转速为负载转矩电机转子的转动惯量图9倒数气隙在和图10 4极电机的绕组函数法A计算电感显然，在准备阶段准确计算电机所有电感矩阵时电机仿真的关键，有很多方法用来计算电机电感，如有限元法，磁路法。但是绕组函数法是一种最常用的方法，假定电机定子与转子的铁磁为线性材料。根据绕组函数法，互感是两个绕组和在电机中的互感，可用下面

12、等式计算 （36）式中表示转子位置与定子参考量之间的夹角表示特定的角位置沿定子内表面在位置和时气隙长度的倒角表示绕组长度气隙平均半径矩阵是绕组函数法，它表示第个绕组通入单位电流时电机内的磁动势分布，图9，图10分别给出了两个例子说明。一个绕组在位置时绕组分布。计算线圈电感与转子角位置曲线图中显示如图11（a）（b）和（c）。从曲线可以看到，在铁磁磁极下的位置线圈自感达到其最大价值。结果说明，在这两个铁磁磁极下阻磁相对较小图11（d）的计算表明，电路自感曲线与转子角位置有关。有6个地方的电感达到最大值由于串联成线圈电路相关。图11计算绕组与电路电感 图12 永磁体产生的气隙磁密B.永磁磁极产生的

13、磁链计算永磁磁极产生磁链的计算问题是在仿真另一个重要的问题，完成仿真模型的建立后，即可计算气隙磁密的大小，如图12所示计算了气隙磁密的分布。计算出永磁体产生的气隙磁密之后，可画出由永磁磁极产生的磁密曲线，得出每一个绕组的磁链如下公式所示 （37）式中为永磁体的气隙磁密，绕组位置第1条边，绕组位置第2条边。绕组匝数，气隙平均长度，铁心有效长度。该电路所有的线圈磁链的总和计算公式如下： （38）式中为线圈号数，为联接线圈方式 图13电路与线圈的计算磁链图 14.不通入励磁电流时同步/永磁混合电机的仿真图13（d)所示曲线可以看出电路的磁链曲线当转子旋转某一位置时，曲线表明电路的端口，有6个极，在同

14、一相下线圈联接通过所有极C仿真采用电路方程对同步/永磁混合电机进行仿真可得出电机的各方面性能。转子各独立参数如电感，可查找根据转子的位置如前所述。图14和图15分别仿真结果。从图中曲线可以看出，同步/永磁混合电机输入可调节电流，在提高转矩时，有更高的功率与速度调节范围比相同的永磁电机。计算机控制电流调节脉宽用于控制定子与转子电流。在弱磁时电机的可达到1.3到2.7倍或更大比没有电流调节的电机5有限元分析为验证理想的磁路分析的结果正确性，分别对各种工况做了有限元计算，在ANSOFT的二维模型中计算，图16表明了励磁绕组通入正向电流时电机内的磁场分布，属于磁场增磁。图17表明励磁电流为零时电机内的

15、磁场分布，图18表明励磁绕组为负即去磁作用时电流为去磁时磁场分布。从有限元计算结果可以看出励磁绕组确实可以改变气隙磁场的分布。 图16六极磁场分布通入正向电流 图17六极磁场分布励磁电流为零 图18六极磁场分布通入负向电流6结论本文介绍了一种新的同步/永磁混合励磁永磁电机并分析了它的工作原理，它既能作为电动机运行又能作为发电机运行，本文虽然只介绍了6极电机，电机也可以设计为8极电机运行其中4极为电励磁4极为永磁磁极。同步/永磁混合励磁永磁电机在磁场有较强的调节能力，电机弱磁时可在高速下运行，由于永磁体作用电机的效率高，功率密度大。同时与普通的永磁电机相比气隙磁场变得可调。但是仍需要电刷与滑环。

16、当电机弱磁高速运行时，在两个永磁磁极之间的定子轭部磁密仍然较高，因此也将导致定子铁损耗。考虑到电机功率密度大，效率高，气隙磁场可调等优点，同步/永磁混合励磁永磁电机在传统的交流电机的应用领域具有较大的发展前景。两极的励磁绕组所需功率减小，因此电机外接整流器的容量也将减小，但是4极的永磁磁极与2极的电励磁，在电机弱磁时6极电枢绕组的谐波含量将增大，同时产生的变化的电磁转矩和脉正转矩。分析这个问题需要更深入的分析这个电机内部运行情况，全面了解电机的运行情况。参考文献1 T. A. Lipo, “Recent Progress in the Developmcnt of Solid-State AC

17、 Motor Drives,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp.105117, April 1988.2 B. K. Bose, “Power Electronics and Motion ControlTechnology Status and Recent Trends,” IEEE Trans. Ind. Applic., vol. IA-29, no. 5,pp. 902909, Sep/Oct 1993.3 T. J. E. Miller, Brushless Permanent-Magnet and Reluctan

18、ce Motor Drives. Oxford: Clarendon Press, 1989.4 T. A. Lipo, “Synchronous Reluctance MotorA Viable Alternative for Adjustable Speed Drive?,” ElectricalMachines and Power Systems, vol.19, no. 6, pp. 659671, Sept. 1991.5 Y. Liao, F. Liang, and T. A. Lipo, “A Novel Permanent Magnet Motor with Doubly Sa

19、lient Structure,” in IEEE Industry Applications Soc.Conf. Rec., vol. 1, 1992, pp. 308316.6 X. Luo, Y. Liao, H. Toliyat, A. El-Antably, and T. A. Lipo, “Multiple Coupled Circuit Modeling of Induction Machines,” IEEE Trans. Ind.Applic., vol. IA-31, no. 2, pp. 311318, March/April 1995.7 X. Luo, A. El-A

20、ntably, and T. A. Lipo, “Multiple Coupled CircuitMod-eling of Synchronous ReluctanceMachines,” in IEEE Industry Applica-tions Soc. Conf. Rec., vol. 1, 1994, pp. 281289.8 T. A. Lipo, “Theory and Control of Synchronous Machines,” ECE De-partment, University of Wisconsin-Madison, Course Notes for ECE 5

21、ll,1995.附录资料：不需要的可以自行删除玻璃幕墙安装施工工艺流程1、施工准备设计方案送甲方审核，明确钢板、钢拉杆材断面，以便备料；送材料样品供甲方认可，以便设计、加工；协调处理现场施工相关事项；与土建交接基准线；编制详细的可行的材料计划、加工计划和施工进度计划，并保证实施；根据现场情况和设计要求，编制局部分项施工方案（如钢架等），并进行交底；确定水平和垂直运输路线以及施工临时堆放处；了解施工用电分布情况，确定电源的走道方式；检查安装所需用机具及安全设施；10、附件及其他物资准备。11、根据现场情况和施工方案提出脚手架方面的配合要求；12、进行现场办公、加工、材料存放保管、食宿、通讯等安排

22、布置；13、做好技术交底工作。2、测量放线放线时，测量人员必须熟悉有关的施工图纸和甲方给出的现场基准轴线控制网和水平基准线，选择合适的测设方法进行测设。轴线放测时首先应找出相关建筑轴线与轴线的交点，找出所需的楼层控制标高位置，以此为依据进行放线。测量放线使用的测量仪器和测量工具应经检定合格结构使用。水平线的放测采用LNA10激光水准仪，垂直线的放测应采用JD2激光经纬仪，在异形部位可采用电脑辅助方法进行。测量时风力不应大于四级，放线应沿楼板及屋架定出幕墙平面的基准线，从基准线外反一定距离作为幕墙平面，以此线为基准确定桁架构件及玻璃的前后位置，确定整片幕墙位置。 3、预埋件检查、连接件安装测量放

23、线完成后，应对事先做好的预埋件进行检查，对补充的预埋件进行安装，预埋件安装应确保预埋件标高偏差：；表面深浅偏差；表面平整偏差：。在预埋件处理完毕后，即可进行连接件安装。连接件除了不锈钢和轻金属材料以外，其他金属材料必须经过热镀锌防腐处。4、现场焊接工艺流程坡口检查记录坡口检查记录焊接安全设施的准备、检查焊接设备、材料准备定位焊接衬垫、引弧板坡口检查坡口表面清理预 热焊 接焊接外观及超声波探伤检查检查、验收记录焊接施工记录焊接时应采取有效措施，避免或减少焊接变形，消除积累误差。焊接完成后，依照有关焊接标准对焊缝进行检查验收，验收时现场监理工程师应在场并签署验收意见，作为中间隐蔽工程验收。6、施工

24、顺序：脚手架搭设测量放线钢结构安装拉杆安装、调整玻璃安装、调整打胶玻璃清洁工程验收成品保护。7、施工方法1）、脚手架搭设在玻璃内、外面各搭设双排钢管脚手架。外架距离玻璃面450mm；内架距离玻璃面650mm。等玻璃清洁完并经过验收后，脚手架才可以拆除。拆除脚手架时要注意成品的保护。2）测量放线测量放线前要求甲方提供有关的轴位线、水平标高等基准线。根据图纸提供的尺寸，放出玻璃的进出控制线及标高线；再根据各钢立柱的轴线放出玻璃分格线及各钢板铰接座的控制线，同时测量各立柱的垂直度，以便铰接座加工时可以预留调整量。3）预埋件安装质量支承结构屋面（楼板）梁（悬梁）上的预埋件应重点检测预埋标高。地锚预埋件

25、，应重点检测标高以保证地锚底板面上的地坪装饰层厚牢的要求，并作必要的拉拨试验。4）支承钢柱、梁安装质量纵向钢柱：检测纵横轴线位置，尤其应检查上锚墩及地锚位置偏差，以保证日后安装钢杆桁架的垂直精度及幕墙立面定位精度。钢杆施加预应力将使梁产生挠曲，在控制主梁标高时，应予以反变形预调控制，以保证幕墙安装完成后，索桁架上端在同一水平位置上。5）地锚的安装质量检查其轴线位置及其与上锚墩间位置偏差以保证索桁架的垂直精度及墙体定位；检查地锚筋板孔的标高是否致；检查地锚底板与预埋件、底板与筋板的焊接质量。c. 玻璃提升就位玻璃的提升采用汽车吊辅以电动吸盘进行，对于汽车吊无法达到的部位，可以利用结构设专用导轨架

26、设电动葫芦，利用电动葫芦辅以电动吸盘进行提升。玻璃的就位采用人工方法进行就位。夹具不能直接和玻璃接触，应加设橡胶垫圈。对于最底下一层玻璃，在安装前应在驳接玻璃底部的U型槽中放入氯丁橡胶垫块后，才可将玻璃插入。d.调整、固定玻璃初步固定后应进行板块调整。玻璃调整的标准为“横平、竖直、面平”，横平即横向胶缝应水平，竖直即竖向胶缝应垂直，面平即各玻璃处于同一平面上。另外还应检查胶缝大小是否一致，如不一致应进行调整。玻璃板块调整完成后应马上进行固定，之后进行玻璃外竖缝铝合金片竖向装饰线条安装。8、铝合金玻璃幕墙安装安装程序如下：1）连接铁件安装为了保证幕墙安装后处在规定的平面上，准确地焊接安装连接件很

27、重要。一般要求连接件位置精确度为标高偏差不大于3mm，左右位置偏差不大于3mm，平面外偏差不应大于2mm，为了保证上述安装准确度，在焊接固定连接角钢之前，需在幕墙的上下两端之间用经纬仪或重型线锤定位，确定出控制用垂直平面的上下两条边线。用以控制、检测安装尺寸，在确定的上下边线位置设置固定悬挑点，拉设铅丝位置线，用以控制一列连接角钢的位置。在连接角钢的安装中应随时依据控制铅丝测量铁件位置，使所有连接的安装孔或安装平面做到垂直、平整，误差在允许的范围以内。连接角钢焊接时，应先点焊，找正后再焊接固定。2）横梁安装A、连接角钢准确安装就位后，即可安装铝合金立柱，安装时将已加工、钻孔后的立柱嵌入连接角钢

28、内，并且在角钢与立柱接触处设PVC衬垫隔离，防止电位差腐蚀。用不锈钢螺栓初步固定立柱，螺母与角钢间要加设足够强度的不锈钢弹簧垫圈。根据控制通线对立柱进行复核，调整立柱的垂直、平整度，达到要求后再将螺母最终拧紧固定。立柱每段之间的接头应有一定的空隙，不要顶紧，采用套筒连接法，以适应和消除建筑受力变形和温度变形的影响。立柱的安装应下自上逐层进行，每安装完一层，均应进行检查校正。B、安装横梁时可根据设计位置，在立柱外面拉横线，控制安装质量，但由于横梁的安装偏差主要取决于立柱的加工精度和安装精度，立柱上固定横梁的定位螺孔位置基本上已决定了横梁的位置，所以必须在立柱制作及安装时严格控制各项偏差，才能保证横梁安装的准确。同一层横梁的安装应由下向上进行。当安装完一层时，应进行检查、调整、校正后再固定，以保证达到质量