混合励磁同步电机

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【作者】 赵朝会  严仰光 

【关键词】混合励磁 永磁 励磁绕组 同步电机 

【出版日期】2005-04-28

【摘要】简述了混合励磁同步电机的工作原理、分类以及研究现状和特点,并指出了应用前景。

【刊名】微电机(伺服技术)

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0 引 言SynchronousMachine-HESM)是上个世纪80年代由俄罗斯学者最早提出的一种新型电机结构形式[1]。与传统的电励磁同步电机以及永磁同步电机结构不同。HESM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。近年,HESM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HESM电机的理论和应用研究。。俄罗斯于1988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Wisconsin-Madison大学在2000年、2002年分别研制成功3kW、10kW两种不同结构的HESM[2][3]。日本KanazawaTechnicalCollege也在2001年完成了0.75kWHESM的研制[4]。这此研究推动了HESM电机的技术发展。我国对HESM电机研究起步较晚,尚处于初期阶段。本文较系统阐述了该电机的原理、分类、现状及特点,并指出了其应用前景。1 工作原理HESM电机两个磁势源,一是永磁体,它在气隙中产生一个基本不变的磁通,另一个是直流励磁绕组。工作时,通过调节励磁绕组上的电流大小和方向,使得气隙中的磁通发生变化。图1是英国学者1989年提出的一种HESM结构[5]。定子电枢绕组为三相对称绕组,被定子环形直流励磁绕组分成两部分,定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接;转子也分成N极端和S极端两部分,每极端由同极性永磁体极和铁心极交错排列,且两端的N、S永磁体极和铁心极相互错开。转子铁心和转轴间为导磁性能好的转了背轭。工作时,若直流励磁电流为零,则气隙磁场只由永磁体产生,工作磁通从N极的永磁体发出,经气隙和定子铁心回到S极永磁体。若直流励磁电流与图1a)所示电流方向相反时,则同一极端永磁体极和铁心磁场方向相同。对定子绕组而言,同一线圈下既有N极又有S极,从而使气隙有效磁场减弱。当励磁电流大到一定值时,气隙合成磁场变为零;若直流励磁电流与图1a)所示电流方向相同时,则同一极端永磁极和铁心极磁场方向相反。对定子绕组而言,同一线圈下磁场极性相同,气隙合成磁场增强。因此,通过调节励磁电流的大小和方向,即可使得气隙磁通发生变化,达到调磁—07—的目的。a)截面图b)转了结构2 分类及发展现状根据对E1、INSPEC、CNK1数据库的检索,目前,HESM大约在10种方案,从拓扑结构上可归纳为6种拓扑,如表1。表1 HESM的拓扑及方案拓 扑方 案爪极电励磁永磁同步电机磁势并联转子混合励磁电机[1]磁路独立转子混合励磁电机[6]轴向磁场混合励磁电机[3]混合励磁爪极电机混合励磁爪极电机[7]组合转子混合励磁电机混合励磁磁阻同步电机[9]混合励磁径向磁通同步电机[4]混合励磁切向磁通同步电机同步/永磁混合电机同步/永磁混合电机[10]环形定子横向磁通电机环形定子横向磁通电机[5]2.1 爪极电励磁永磁同步电机这种拓扑是在永磁同步电机的基础上加一爪极结构的电励磁部分而构成的。它有两种方案,如图2所示。图2a)为俄罗斯学者提出的混合励磁同步电机[1]。它的转子部分与径向磁化结构稀土永磁转子类似。稀土永磁体7外装有由导磁体9和非导磁体8间隔焊成的紧圈。它是爪极转子的一部分,爪极部分的电励磁绕组5及其导磁支架3固定不动,由于是励磁磁路存在非工作气隙δ1和δ2,从而实现了无刷励磁。工作时,励磁绕组产生的磁通经导磁支架3的a)b)图2 爪极电励磁永磁同步电机内圆筒(轴向)→导磁支架底部(径向)→导磁支架外圆筒(轴向)→非工作气隙δ1(径向)→水平磁极(轴向)→气隙δ(径向)→定子转心(径向)→气隙δ(径向)→爪极磁极2(径向)→导磁轴套(轴向)→非工作气隙δ2(径向)→导磁支架内圆筒形成磁路。永磁体产生的磁通经爪极磁极2→气隙δ(径向)→定子铁心→气隙δ(径向)→爪极水平磁极→永磁体→转子铁心→永磁体S。励磁绕组产生的磁势是增强或减弱气隙磁通。在这种结构中,两种磁势是并联关系。励磁绕组放置在定子上,少去了滑环、电刷。但它的电励磁部分为爪极结构,附加了气隙,磁路长,漏磁大,永磁磁路和电励磁磁路耦合较强。电励磁的磁通路径中既存在轴向磁路,又存在径向磁路,因此在这种结构中,电机不宜细长。图2b)是中国学者本相同。两种结构的不同之处在于b)中存在隔磁环7,使得电励磁部分和永磁部分各自独立,减少了a)中存在的永磁和电励磁间的耦合。2.2 顺极式混合磁同步电机(CPPM)CPPM是英国学者E.Sponer提出的一种电机拓扑。日本、美国者随后对这种新的结构进行了研究。定子电枢绕组为三相对称绕组。定子被环形直充励磁绕组分成两部分,定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接;转子分成N极端和S极端两部分。每极端由同极性永磁体极和铁心极交错排列,且两端的N、S永磁体极和铁心极也相互错开。转子铁心和转轴间导磁性能好的转子背轭,用于—17—转子的轴向导磁。径向/轴向磁场CPPM电机[2]中,永磁体产生的磁通路径为:N极磁体(径)→气隙(径)→定子铁心(径)→定子背轭(轴)→定子铁心(径)→气隙(径)→S极磁体(径)→转子铁心(径)气隙(径)→S极磁体(径)→转子铁心(径)→转子背轭(轴)→转子铁心(径)→N极磁体(径)→;当励磁绕组通电流时,励磁电流所产生的电励磁磁通路径为:定子铁心(径)→定子背轭(轴)→定子铁心(径)→气隙(径)→转子铁心极(径)→转子铁心(径)→转子背轭(轴)→转子铁心(径)→转子铁心极(径)→气隙(径)→定子铁心(径)→定子背轭。这两个磁势源的磁路相对独立,两者并联提供工作磁,共同作用形成电机的主磁场。由上分析可知,这种结构的电机为径向/轴向混合结构磁路,附加气隙多,磁路磁阻较大,故适宜为短而粗的结构。2002年,美国学者T.A.Lipo提出轴向磁通环形永磁电机(AxialfluxToroidalPMMachine)该电机由2个环形定子铁芯(其中嵌有多相电枢绕组)、2个盘式转子和1个直流励磁绕组构成。直流励磁绕组放置在内外环形定子之间。两个盘式转子表面被分成内圈和外圈,上面交错排列着永磁极和铁芯形成的中间极。NdFeB永磁极被轴向安装在两片转子的内表面,永磁极的N极如果被放在转子的内圈,那么S极就被放在转子的外圈。通过调节励磁绕组的电流,气隙中的磁场就可以发生改变。分析可知,两种磁势是并联关系,磁路为轴向磁路,电机不宜细长。2.3 混合励磁爪极电机[7](HECP)HECP主要有定子、转子爪极、转子磁轭、永磁体和励磁绕组组成。其中定子含内、外两部分。外定子与普通电机的定子类似,槽中嵌有多相对称绕组,内定上放有环形直流励磁绕组,在相邻的两个爪极之间放置永磁体。励磁绕组是一个环形线圈,通电后所产生轴向磁通经转子轭到达爪极,然后流经气隙、定子铁心、气隙和爪极。回到转子磁轭,如此形成一个回路,在爪极表面上形成N、S间隔的极性。爪极式混合励磁电机中存在轴向和径向磁通,但以径向磁通为主,结构上适宜短粗,不宜细长。励磁电流所产生的磁通与永磁磁在磁路上呈并联关系,气隙磁场为两者之和。通过控制励磁绕组中电流的大小和方向,可灵活地调节气隙磁场。爪极结构因为极数可做得多,所以适合于容量小、转速低的电机。其缺点是有轴向磁路、漏磁大。2.4 组合转子混合励磁电机(HECR)图3是英国学者B.J.Chalmers等在1998年提出的组合转子混合励磁电机[9]。电机采用普通交流电机定子,转子则由ALA(Axially-LaminatedAnisotriopic)转子和表贴式永磁转子两部分构成。在这种结构中,永磁磁通和“弱磁”磁通各自具有不同的磁路,永磁通只在永磁段的磁路中流通(径向),“弱磁”磁通只在磁阻段中流通(径向)。“弱磁”表现为一种合成的效果,在定子铁心的硅钢片中,并不存在真正的磁场削弱。因此,在低速运行时,磁阻部分基本上不产生转矩,从而导致了较低的电机转矩密度,而高速“弱磁”运行时,永磁段的磁通基本不变,磁阻段的磁通则随“弱磁”程度的增大而增大,从而导致铁磁损耗随速度几何级数增大。永磁体直接暴露在电枢之下,也容易产生不可恢复的去磁。KL—磁阻部分 KP永磁部分图3 组合转子混合励磁电机为了克服上述方案的缺陷,日本学者把图3中的磁阻部分换成了电励磁[4]。组合转子混合励磁电机转子的两个部分之间用空气隙隔开,相当于隔磁环,使得两部分磁路彼此独立,每一部分的磁路均为径向,两部分磁势并联,长度视电机要求适当选取。2.5 同步/永磁混合励磁电机[10](SynPM)SynPM电机是美国学者T.A.Lipo2000年提出的,如图4所示。它的转子上既有永磁极(4极),又有励磁极(2极),定子仍为传统的多相电机。通过调节励磁电流,SynPM电机不仅气隙磁场发生变化,而且极数也可以从6极变为2极。在这种结构中,两种磁势为并联关系。永磁体产生的磁通有两条路径,一是通过与它相邻的永磁体,另一条是通过与它相邻的电励磁绕组之间流通。但不管是永磁体还是励磁绕组,两者产生的磁场均为—27—径向磁场。由于励磁绕组在转子上,故电机中有电刷和滑环。2.6 环形定子横向磁通电机环形定子横向磁通电机是英国学者1989年提出的一种HESM拓扑,结构如图5所示[5]。图4 同步永磁(SynPM)混合励磁电机图5 环形定子横向磁通电机在这种结构中,永磁体和励磁绕组产生的均为轴向磁场,两种磁势为并联关系。励磁绕组在定子上,省去了滑环和电刷,结构上宜短粗。2.7 各类HESM的比较6种HESM拓扑中,两种磁势源采用并联联接方式,励磁绕组产生的磁通不会通过永磁体,用较小的励磁电流就可以改变气隙磁通,并且永磁体没有去磁风险。结构上,SynPM、HECR两种电机相对简单,易于加工制造,并且磁路短,转矩密度大。但励磁绕组放置在转子上,有电刷和滑环,增加了机械结构的复杂性,并使得可靠性和效率有所降低。磁通路径上,CPPM、HECR、爪极电励磁永磁同步电机、环形定子横向磁通电机都含有轴向磁场,使得它们只能做成短粗状。通过对10种方案的比较,可以看出:爪极电励磁永磁同步电机、HECP由于采用了爪极结构,因此附加气隙多,磁路长,漏磁大,结构复杂,功率密度低;CPPM、环形定子横向磁通电机虽然控制方便,但电励磁磁路附加气隙多,轴向磁场受电机直径的制约,且电机结构复杂;SynPM电机功率密度、效率和可靠性方面虽有所提高,但在弱磁方面把4极或2极励磁磁同电枢反应的6极磁通结合起来,将导致一定数量的谐波成份,产生不希望的转矩脉动;HECR中的切向磁通电机,结构简单,出力性能最佳,并且由于聚磁作用,这种电机能在气隙中产生较大的磁密,通以一定的电流可以提供较大的转矩密度和功率密度,因此应是未来更加重视的研究方向。对其存在的滑环、电刷,可通过技术手段来改善。3 HESM的特点同其他电机相比,HESM有如下特点:1)电机中同时存在两个磁势源,两者的磁通路径相互耦合、相互影响,电磁参数关系复杂;2)电机磁路中除传统电机的径向磁场外,多数还有轴向磁场;3)设计的自由度大,励磁绕组可以在定子上,也可在转子上;也可根据需要变化转子结构;4)励磁电流为双向变化的。正是具有如上的结构特点,HESM电机工作可靠稳定,气隙磁密调节方便,能够提供比电励磁同步电机大的转矩密度和功率密度,因而特别适合输出电压要求稳定、调速范围大、转矩大及功率大的场合。4 HESM电机的应用前景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,具有广阔的应用前景。1)作为直流发电机,它可以在飞机、舰艇、车辆中作为独立的发电系统使用,可用来供诸如直流电动机、电镀、电冶炼等负载,也可作为充电等所需要的直流电源。2)作为交流发电机,它可以作为备用电源或独立的供电电源使用,尤其适合高山、海岛等远离电网的地方,当然也可以并网运行。3)作为直流电动机,它可以用在高性能、高可靠性的运动伺服

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