并列结构混合励磁同步电机漏磁通耦合分析

并列结构混合励磁同步电机漏磁通耦合分析

0并列结构混合励磁电机结构组成及原理混合励磁电子秤（hybridexactionexactionmaster，hsd）是在磁体激励的基础上发展和改进的新型电机。合理改变电机结构的焊接，引入辅助电子显微镜组，努力联合电子显微气机的磁强[1.2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20]。电机由2种励磁源共同产生气隙主磁场,实现磁场的有效调节和控制,根据永磁磁势与电励磁磁势相互作用关系,混合励磁电机可分为串联磁路式和并联磁路式2大类。并列结构混合励磁电机是并联磁路式混合励磁电机的一种典型结构,实质上由永磁部分和电励磁部分构成,气隙磁场双向调节容易实现。文献提出一种具有代表性的并列结构混合励磁同步电机,并给出0.75kVA原理样机实验结果,该电机电励磁部分直流励磁绕组位于转子上,励磁电流需由滑环引入,仍然为有刷结构,使电机可靠性和维护性降低。另有学者针对新型双凸极电机提出并列结构混合励磁型式,该电机结构简单可靠,且为无刷结构,但为磁阻式工作原理,存在转矩脉动和电压纹波较大的固有问题。国内外学者仍然在努力探求并列结构混合励磁电机的合理结构型式。并列结构混合励磁同步电机结构原理相对简单,永磁部分和电励磁部分分别独立产生气隙磁场,2部分磁场在电枢绕组中的感应电势叠加。现有文献普遍认为并列结构混合励磁电机中永磁和电励磁部分磁路相互独立,不考虑两部分之间的磁路耦合及漏磁通影响作用。本文在针对航空应急电源系统提出新型并列结构混合励磁同步电机的基础上,深入研究电机内永磁部分与电励磁部分之间的轴向漏磁通耦合特性,通过3维场有限元分析验证了轴向漏磁的磁通路径和分布特性,揭示不同励磁电流方向下漏磁分布的变化特点及其对电励磁部分气隙磁场调节特性的影响作用。原理样机实验结果验证了分析结论,轴向漏磁对电机调磁特性影响的这一特殊规律对其他并列结构混合励磁电机的设计和研究有普遍的参考价值。1新型混合励磁电机的结构和原理1.1特殊结构电励磁同步电机所提出的并列结构HESM由2部分构成,结构如图1所示(为便于说明,给出1/4电机结构)。一部分为切向结构永磁同步电机;另一部分为特殊结构电励磁同步电机。2段电机同轴旋转,定子铁心及转子均相互独立,定子共用1套电枢绕组,2段电机在电枢绕组中的感应电势叠加。电励磁同步电机转子由2个特殊结构的转子导磁体和非导磁填充块构成,2个转子导磁体延伸端之间有嵌绕励磁绕组的导磁桥,导磁体和导磁桥之间各有1个附加气隙,导磁桥固定于电机端盖上,从而形成新型无刷结构,消除传统电励磁同步电机的电刷和滑环。1.2确定电励磁同步电机的励磁运作路径并列结构混合励磁电机内存在2部分主磁通路径。永磁部分主气隙磁通路径与传统切向结构永磁电机相同,不再赘述。由于2块永磁体并联提供每极磁通,因而气隙磁密高。电励磁同步电机的励磁绕组中通以直流电流时,励磁磁势产生的磁通路径如图2所示,经过导磁桥、附加气隙、转子导磁体I、主气隙Ⅱ、定子铁心II、主气隙II、转子导磁体II、附加气隙,最后回到导磁桥闭合。励磁电流方向相反,则气隙磁通也将反向。改变励磁电流大小,气隙磁通大小随之改变,而永磁部分主气隙磁通基本不变,因而整个电机合成气隙磁通将改变,电枢绕组的感应电势得到有效调节。2在双向励磁下，轴向磁强公式为2.1转子导磁体、附加气隙磁场的磁路尽管并列结构混合励磁电机内永磁部分和电励磁部分之间存在一定的轴向距离,但由于转子导磁材料的磁各向同性,不可避免存在轴向漏磁通,从而使永磁及电励磁2部分磁路之间并不完全独立,直接影响电机的调磁性能。理论上,这一问题在其他并列结构混合励磁电机内是普遍存在的。无励磁电流时,电机内永磁部分进入电励磁部分的漏磁通在电励磁部分存在2个路径,如图3所示:一部分沿径向经过转子导磁体、电励磁主气隙II、定子铁心II、主气隙II再回到转子导磁体,称为轴向漏磁在电励磁部分的径向磁路(图3虚线所示);另一部分沿轴向经过转子导磁体、附加气隙进入导磁桥,再由附加气隙回到电励磁部分转子导磁体,称为轴向漏磁在电励磁部分的轴向磁路(图3实线所示)。可见,因为轴向漏磁的存在,励磁电流为零时,电励磁部分的气隙磁场(密)并不为零。励磁绕组通以正向励磁电流时,轴向漏磁与励磁磁势在电励磁部分产生的磁通路径如图4(a)所示。电励磁磁势产生的磁通(外圈虚线所示)与轴向漏磁在电励磁部分的轴向磁通是反向的,励磁磁势将抵消轴向漏磁在轴向的分量,当正向励磁电流增大到一定值时,励磁磁势完全抵消轴向漏磁在电励磁部分轴向的磁分路。正向励磁继续增大,则对电励磁部分主气隙起进一步增磁作用。负向励磁电流作用下,磁通路径如图4(b)所示。电励磁磁势产生的磁通(外圈虚线所示)与轴向漏磁在电励磁部分的轴向磁通是同向的,而在径向的磁通方向则是相反的,励磁磁势将阻止轴向漏磁在电励磁部分的径向分量。负向励磁足够大时,励磁磁势完全抵消轴向漏磁在径向的磁分路,此时电励磁部分的主气隙磁密为零。负向励磁继续增大,则电励磁部分的主气隙磁通也将反向。可见,轴向漏磁的存在影响了电励磁部分气隙磁场调节特性。2.2在不同的励磁下，轴向散射磁的三维场分析2.2.1电机内磁通分布考虑所提出混合励磁电机的特殊结构和轴向漏磁的3维分布特性,对并列结构混合励磁电机进行3维场有限元分析计算。图5是计算得到的励磁电流为零时并列结构混合励磁电机内的磁密矢量图。可以清晰地看到,电机内存在明显的轴向漏磁,使无励磁电流时电励磁部分即有磁通分布。为更清晰地观测电励磁部分磁通分布特点,图6单独给出了励磁电流为零时轴向漏磁在电励磁部分的磁密矢量图。可见,轴向漏磁通在电励磁部分存在2个磁通路径,与第2.1节的理论分析完全一致。2.2.2轴向漏磁通大小的计算图7是计算得到的双向励磁下并列结构混合励磁电机内电励磁部分的磁密矢量图。可见,励磁电流为1A时,电励磁部分磁通主要分布在径向磁路中(图7(a)所示),因为电励磁磁势已抵消轴向漏磁在电励磁部分轴向的分量。而励磁电流为-1A时,电励磁部分磁通主要分布在轴向磁路中(图7(b)所示),且饱和程度明显比图7(a)的径向磁路高,此时轴向漏磁在电励磁部分的径向分量基本被全部抵消,所以电励磁部分的主气隙磁密几乎为零。上述结果与图4的分析是完全吻合的。另外,由图7可见,若负向励磁电流继续增大,电励磁部分的轴向磁路更容易饱和,气隙磁密值将不再线性增加;而同样的正向励磁电流作用并不会使电励磁部分的径向磁路饱和,气隙磁密值仍然随励磁电流线性增加。这将造成励磁电流增大后对应的气隙磁场(输出电压)双向调节不对称。为进一步量化励磁电流大小和方向对轴向漏磁大小变化的影响,在电机内永磁部分和电励磁部分对应转子导磁体之间的空气隙内,取一个极面,计算其磁通大小,也即轴向漏磁通的大小。图8是不同励磁下轴向漏磁通大小的计算结果。可见,正向励磁下的轴向漏磁通比负向励磁下小,这是由于正向励磁磁势阻碍了轴向漏磁通进入电励磁部分,而励磁越大,阻碍作用越强,轴向漏磁越小。2.3轴向漏磁的调磁性能由前面分析可见,由于轴向漏磁的存在,并列结构混合励磁同步电机中正向和负向励磁磁势对气隙磁场的调节作用不对称。为系统对比轴向漏磁的影响作用,对单独电励磁同步电机(无轴向漏磁)及其在并列结构混合励磁同步电机中(存在轴向漏磁)2种情况进行调磁性能的3维有限元计算。[-4A,4A]内的8个典型励磁电流下气隙磁密计算值如图9所示。可见,励磁电流为-0.9A时,气隙磁密接近零,轴向漏磁使气隙磁密调节曲线整体偏移。轴向漏磁的存在确实使励磁电流对电励磁部分主气磁密的双向调节作用变得不对称。3不同转速时输出电压的调节特性设计并研制了2kW,3000r/min的并列结构混合励磁同步电机原理样机,定、转子实物如图10所示。关键设计参数如表1所示。图11是不同转速下电机空载特性实验曲线。由图计算可得,转速3000r/min时,正向励磁下输出电压调节范围(1.435V)明显大于负向励磁下电压调节范围(1.035V),转速为2000和2500r/min时具有同样调节特性,这与前面的分析结论是一致的。对未装配电励磁部分的单独永磁电机和完整的并列结构混合励磁同步电机(励磁电流为零)分别进行外特性实验。外特性曲线如图12所示,可见,同一负载下,并列结构混合励磁同步电机的输出电压明显小于单独永磁电机的输出电压。这也验证了轴向漏磁的存在使永磁部分的气隙磁密下降,对应的感应电势也下降,而轴向漏磁在电励磁部分并不完全经过径向磁路产生有效的气隙磁密。4双向励磁特性不对称问题本文阐述了新型并列结构混合励磁同步电机的结构原理,指出电机内永磁部分与电励磁部分间存在轴向漏磁通耦合。利用3维场有限元计算得到双向励磁电流下电机内轴向漏磁通大小