電勵(lì)磁同步電機(jī)三維有限元分析

電勵(lì)磁同步電機(jī)三維有限元分析

0混合勵(lì)磁電機(jī)多采用主氣隙磁場輔助電機(jī)小永速機(jī)具有效率高、功率密度高的特點(diǎn)。經(jīng)過工藝轉(zhuǎn)型，高效無刷直流機(jī)可以形成。但是,永磁電機(jī)氣隙磁場難以調(diào)節(jié),導(dǎo)致發(fā)電狀態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)和滅磁困難,從而限制了高效永磁電機(jī)在航空主電源系統(tǒng)中的應(yīng)用;同時(shí),由于永磁電機(jī)直軸磁路中存在磁導(dǎo)率很低的永磁體,使得直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小得多,因而其固有電壓調(diào)整率低,外特性硬,對(duì)于小功率航空應(yīng)急電源系統(tǒng),由永磁同步電機(jī)和整流器構(gòu)成的無刷直流發(fā)電機(jī)可以直接向負(fù)載供電,不需要電壓調(diào)節(jié)裝置,從而大大簡化控制系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu),使電源系統(tǒng)具備高效且簡單可靠的特點(diǎn)。然而在實(shí)際應(yīng)用中,永磁電機(jī)一旦制成,由于制造工藝及永磁體工作點(diǎn)變化等原因,往往導(dǎo)致電機(jī)在負(fù)載變化范圍內(nèi)輸出電壓無法滿足需求,即因其電壓難以調(diào)整而無法適用。另外,在中大功率航空應(yīng)急電源系統(tǒng)中,因負(fù)載電樞反應(yīng)作用增強(qiáng),永磁電機(jī)要在全負(fù)載條件下保證規(guī)定的電壓輸出非常困難,也需要一定的電壓調(diào)節(jié)功能?；旌蟿?lì)磁同步電機(jī)(hybridexcitationsynchronousmachine,HESM)是由永磁和電勵(lì)磁2種磁勢源共同產(chǎn)生電機(jī)主磁場、實(shí)現(xiàn)氣隙磁場調(diào)節(jié)和控制的一類新型電機(jī)。俄羅斯學(xué)者最早提出并聯(lián)磁勢混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu),附加氣隙多,磁路長,漏磁較大。日本和美國學(xué)者的轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁電機(jī)采用中間極,主氣隙合成磁場的氣隙磁密較低。國內(nèi)對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)的研究處于起步階段[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],主要集中在對(duì)國外轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁電機(jī)的研究與改進(jìn)方面。文獻(xiàn)介紹了一種混合勵(lì)磁直線同步電機(jī),利用有限元方法對(duì)電機(jī)磁場分布和電磁推力進(jìn)行分析和計(jì)算。另有學(xué)者為克服爪極電機(jī)漏磁大的缺陷,提出了在爪極之間放置永磁體形成混合勵(lì)磁爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)。此外,混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)也受到國內(nèi)外關(guān)注,這種電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,但感應(yīng)電勢波形非正弦,難以應(yīng)用于交流場合。本文提出一種新型并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī),氣隙磁場主要由永磁電機(jī)部分產(chǎn)生,特殊結(jié)構(gòu)的電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)起調(diào)節(jié)作用。對(duì)電機(jī)靜磁場分布和輸出特性進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算,原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性和有限元計(jì)算的正確性,表明所提出的混合勵(lì)磁同步電機(jī)具有良好的磁場和輸出電壓調(diào)節(jié)能力,且電壓調(diào)整率低,為航空電源應(yīng)急電源系統(tǒng)提供了一種新型電機(jī),具有較高的研究和實(shí)用價(jià)值。1赫斯主義的結(jié)構(gòu)和原則1.1段電機(jī)同步電機(jī)所提出的并列結(jié)構(gòu)HESM由2部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示(為便于說明,采用1/4電機(jī)模型,且非磁性軸未畫出),一部分為切向磁鋼永磁同步電機(jī),由于2塊永磁體并聯(lián)提供每極磁通,電機(jī)氣隙磁密和功率密度大;另一部分為特殊結(jié)構(gòu)電勵(lì)磁同步電機(jī)。2段電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn),定子鐵心及轉(zhuǎn)子均相互獨(dú)立,定子共用1套電樞繞組,2段電機(jī)在電樞繞組中的感應(yīng)電勢迭加,在磁路上相互獨(dú)立。切向磁鋼永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)本文不再贅述。電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由2個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體(如圖2所示)和非導(dǎo)磁填充塊構(gòu)成,2個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體延伸端之間有嵌繞勵(lì)磁繞組的導(dǎo)磁橋,2個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體和導(dǎo)磁橋之間各有一個(gè)附加氣隙,導(dǎo)磁橋固定于電機(jī)端蓋上,從而形成新型無刷結(jié)構(gòu),消除傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)的電刷和滑環(huán)。轉(zhuǎn)子及導(dǎo)磁橋結(jié)構(gòu)如圖3所示。為保證電機(jī)內(nèi)2部分氣隙磁場對(duì)稱、一致,永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)極數(shù)相同,且極弧系數(shù)相等。1.2電機(jī)電樞兩組的磁通大小應(yīng)當(dāng)?shù)玫接行д{(diào)節(jié)并列結(jié)構(gòu)HESM內(nèi)同時(shí)存在2部分主氣隙磁路。永磁部分磁路如圖4所示。由于2塊永磁體并聯(lián)提供每極磁通,因而氣隙磁密高。當(dāng)電勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組中通以直流電流時(shí),勵(lì)磁磁勢產(chǎn)生的磁通路徑如圖5所示,經(jīng)過導(dǎo)磁橋、附加氣隙、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體I、主氣隙Ⅱ、定子鐵心II、主氣隙II、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體II、附加氣隙,最后回到導(dǎo)磁橋閉合。勵(lì)磁電流方向相反,則氣隙磁通也將反向。改變勵(lì)磁電流大小,氣隙磁通大小隨之改變,而永磁部分主氣隙I磁通基本不變,因而整個(gè)電機(jī)合成氣隙磁通將改變,電樞繞組的感應(yīng)電勢能夠得到有效調(diào)節(jié)?？梢?并列結(jié)構(gòu)HESM的電壓調(diào)節(jié)范圍由電勵(lì)磁同步電機(jī)部分電樞繞組感應(yīng)電勢大小決定,而電勵(lì)磁同步電機(jī)的感應(yīng)電勢又主要由其定子鐵心有效長度和氣隙大小決定,因此,合理設(shè)計(jì)永磁和電勵(lì)磁電機(jī)的鐵心長度比和主氣隙長度比能滿足不同調(diào)節(jié)范圍需求。對(duì)于航空應(yīng)急電源系統(tǒng),主要由永磁同步電機(jī)部分發(fā)電,電勵(lì)磁部分起輔助調(diào)節(jié)作用。2三維場的三維模擬分析2.1結(jié)構(gòu)hesm的有限元模型為驗(yàn)證所提出的電勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)合理性,對(duì)其進(jìn)行靜磁場分析計(jì)算。有限元法是目前公認(rèn)能夠準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)電磁特性的有效手段。并列結(jié)構(gòu)HESM的電勵(lì)磁部分結(jié)構(gòu)特殊,軸向不對(duì)稱,磁場分布呈明顯的三維特性,基于平行平面場的二維有限元方法無法適用,本文利用三維有限元軟件包Maxwell3D對(duì)電機(jī)內(nèi)磁場分布及不同勵(lì)磁下空載氣隙磁場變化情況進(jìn)行計(jì)算?？紤]并列結(jié)構(gòu)HESM的徑向磁場對(duì)稱分布,為減小計(jì)算量,設(shè)置主從邊界,建立電機(jī)1/4有限元模型,網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖6所示。圖7為典型勵(lì)磁磁勢(magneticmotiveforce,MMF)下,三維有限元法計(jì)算得到的空載狀態(tài)電勵(lì)磁同步電機(jī)部分的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體和導(dǎo)磁橋磁密矢量圖。對(duì)比圖7(a)和7(b)可見,勵(lì)磁磁勢(電流)改變方向后,導(dǎo)磁體內(nèi)的磁通方向也完全相反,而磁密大小分布不變;由圖7(b)和7(c)可見,隨著勵(lì)磁磁勢的增加,電機(jī)內(nèi)飽和程度明顯增加,導(dǎo)磁體內(nèi)磁通密度增大。圖8為典型勵(lì)磁磁勢下電勵(lì)磁同步電機(jī)的主氣隙磁密分布波形。由圖8計(jì)算得,當(dāng)勵(lì)磁磁勢為125和-125A?T時(shí),主氣隙II的平均磁密大小均為0.097T;當(dāng)勵(lì)磁磁勢為250A?T時(shí),主氣隙II的平均磁密為0.206T。可見,磁路未飽和,氣隙磁密平均值隨勵(lì)磁磁勢線性增加,且雙向可調(diào)節(jié)。由于三維有限元分析計(jì)算量很大,難以選取較多狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,針對(duì)-500~500A?T內(nèi)的8個(gè)典型勵(lì)磁磁勢值分別進(jìn)行三維有限元計(jì)算,得到主氣隙II磁密大小的平均值變化曲線如圖9所示,進(jìn)一步說明勵(lì)磁電流能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣隙磁場良好的雙向調(diào)節(jié)作用,驗(yàn)證了所提出電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的正確性。2.2發(fā)電效率分析并列結(jié)構(gòu)HESM外接整流電路即構(gòu)成無刷直流發(fā)電機(jī),為系統(tǒng)研究其輸出特性,在Maxwell3D中建立電機(jī)與外電路的瞬態(tài)場仿真模型,如圖10所示,圖中LLICI、LA1~LZ2為電機(jī)的勵(lì)磁繞組和十二相電樞繞組,整流電路采用新型十二相零式半波整流電路結(jié)構(gòu)。圖11是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min、負(fù)載電阻0.25Ω下,勵(lì)磁磁勢Ff為-250、0、250A?T時(shí)的相電勢仿真波形。由圖可見,相電勢為梯形波,這是由于為滿足12相半波整流要求,電樞繞組采用了整距設(shè)計(jì)。相電勢的大小和波形取決于永磁和電勵(lì)磁2部分氣隙合成磁場,其梯形波的平頂值決定了整流輸出電壓大小。隨著勵(lì)磁磁勢的正負(fù)變化和增加,相電勢變化規(guī)律與理論分析及前述靜磁場計(jì)算結(jié)果是一致的。本文研究的并列結(jié)構(gòu)HESM由于針對(duì)航空應(yīng)急電源系統(tǒng),電勵(lì)磁部分主要起輔助調(diào)節(jié)作用,其鐵心有效長度短(如表1所示),因而相電勢及輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍小。3相電勢測試波形根據(jù)2節(jié)的分析計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)并研制了2kW,3000r/min的并列結(jié)構(gòu)HESM原理樣機(jī)(設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示),構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。圖13是并列結(jié)構(gòu)HESM的相電勢實(shí)驗(yàn)波形,與仿真結(jié)果是吻合的。相電勢實(shí)測波形的平頂處脈振量較小是由于瞬態(tài)場仿真中網(wǎng)格剖分精度有限以及實(shí)驗(yàn)電機(jī)采用定子斜槽等原因造成。圖14是不同勵(lì)磁電流(If)下并列結(jié)構(gòu)HESM原理樣機(jī)外特性曲線的瞬態(tài)場計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢?計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果變化趨勢是一致的,實(shí)測值比計(jì)算值要低主要是定子斜槽及計(jì)算忽略電樞繞組阻抗的原因。由圖13可見,所提出的并列結(jié)構(gòu)HESM外特性較“硬”,電壓調(diào)整率低,與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的輸出特性接近,而且勵(lì)磁電流可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行正負(fù)雙向調(diào)節(jié)。4新型并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的特性本文提出并研究了一種新型并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī),闡述了電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與磁場調(diào)節(jié)原理,基于電機(jī)的非對(duì)稱特殊結(jié)構(gòu),利用三維有限元法詳細(xì)分析計(jì)算了電機(jī)空載狀態(tài)靜磁場分布、不同勵(lì)磁下主氣隙磁密變化規(guī)律以及瞬態(tài)場外特性曲線。設(shè)計(jì)并制造了原理樣機(jī),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原理分析及有限元計(jì)算吻合,表明這種新型