图1为一台三相12/8极定子永磁型HEDS电机, 其定、转子呈双凸极结构, 转子上无绕组、无永磁体, 定子采用集中式绕组, 空间相对定子齿上的线圈两两相连, 两组线圈串联或并联形成一相电枢绕组. 定子轭部嵌入4块切向充磁的永磁体, 与永磁体相邻的定子槽内放置电励磁绕组, 永磁磁场和电励磁磁场共同形成电机气隙主磁场. 通过调节电励磁电流的大小和方向, 能实现对电机主磁场的灵活调节与控制. 电励磁绕组放置于定子, 结构紧凑, 易于冷却和散热, 同时保持了转子结构简单的优点.
另外, 在该电机的永磁体与电励磁绕组之间特别设置一定尺寸的导磁桥, 一方面使电机定子铁心不再分为多瓣, 而是保持一个整体, 便于电机的加工、制造和安装; 另一方面, 该导磁桥为电励磁绕组提供了额外的磁路, 有效地增强了电励磁绕组的磁场调节能力, 即用较小的电励磁磁势实现了较大的磁场调节能力[18,19].
该电机基本结构与开关磁阻电机类似, 但运行原理与开关磁阻电机存在明显不同. 图2给出了电机一相绕组磁链和电流随转子位置角θ 变化的波形. 如图3(a)所示, 当转子齿进入定子齿重叠区域时, 永磁和电励磁共同形成的主磁链随之增加, 此时若电枢绕组中通入正电流, 则产生正向转矩; 当转子齿由与
图1 12/8极定子永磁型混合励磁双凸极电机
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将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.
中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第9期
定子齿重叠区域离开定子齿时, 如图3(b), 主磁链随之减小, 此时若绕组中通入负电流, 仍将产生正向转矩, 因而, 二个可以用来产生转矩的区间均得到利用, 弥补了开关磁阻电机一个极距内两个产生转矩的区间只有一个区间能得到有效利用的不足, 明显提高了电机的运行效率和材料利用率. 此外, 由于定子铁心中嵌入了磁导率很低的永磁体(与空气相近) , 电机绕组的自感大为减小, 使绕组电流快速换向成为可能. 这样, 定子永磁型HEDS电机正好弥补了开关磁阻电机的不足, 具有功率密度高、效率高、结构简单和控制灵活等一系列优点[20].
2 电机数学模型
尽管HEDS 电机具有相对简单的结构, 但由于定、转子的双凸极结构和磁路饱和效应的影响, 主要参数如磁链、电感等均不是常数, 而是电流与转子位置角的非线性函数, 很难用简单解析式来表达, 给该类HEDS电机的建模和分析带来困难. 对于该12/8极电机, 在静止坐标系下, 各绕组的电压方程可表示为
式中, U=[ua
ub
U=RI+
uc
dψ
, (1) dt
Rb
Rc
Rf]T
uf]T为三相电枢绕组的相电
压和励磁绕组的端电压; R=diag[Ra
I=[ia
ib
ic
为三相电枢绕组的电阻和励磁绕组的电阻;
if]T为三相绕组中的电流和励磁绕组
的电流; ψ=[ψaψbψcψf]T为三相电枢绕组的磁链和励磁绕组的磁链.
电机中存在两种类型的绕组, 相应的磁链可表示为
ψa Laa ψ L b = ba ψc Lca ψf Lfa
LabLbbLcbLfb
LacLbcLccLfc
Laf ia ψPMa
Lbf ib +d ψPMb . (2) Lcf ic dt ψPMc Lff if 0
图2 电机磁链及理论电流波形
相应地, 电机的三相电枢绕组的空载混合励磁
反电势可示为
dif dψPMa dLaf
iLfaf dt dt dt ema
dψdLdi e = PMb + bfi + Lf mb dt dtf bfdt , (3)
emc dψ
PMc dLcfi Ldif
cff dt dt dt
式中, ψPMa, ψPMb, ψPMc为A, B, C三相空载永磁磁
链; Laa, Lbb, Lcc为电枢绕组的自感; Laf, Lbf, Lcf为电枢绕组与励磁绕组之间的互感; if为励磁绕组电流. 可以看出, 通过调节电励磁绕组电流if, 能实现电机反电势灵活调节与控制.
根据机电能量转换原理, 电机的转矩可表示为:
图3 电机定、转子不同位置下磁场方向
(a) 转子接近定子; (b) 转子离开定子
Te=
W′(ip,if,θ)
θ
=
ψPMT1 LTdWH
I+II , (4) θ2 θdθ
式中, W′(ip,if,θ)为电机的磁共能, ψPM=[ψPMa ψPMb
ψPMc 0]T为三相绕组的永磁链, ip对应着a, b, c三相
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将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.
朱孝勇等: 定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制
电枢电流, WH为永磁和电励磁磁场储能.
以A相为例, 电机的单相电磁转矩Tea可进一步表示为
Tea=ia
dLdψPMdWH1dL+iaifaf+ia2aa dθdθ2dθdθ
=TPMa+Tfa+Tra Tcog,
式中,T1=θcr/ωr,ΔT=θwr,θcr=2π/pr为转子极距角, θw=θ2 θ1=θ4 θ3, 为正、负半周通电区间, pr为转子极数, U为相电压的有效值, Im为相电流的峰值, t1~t4为与角度θ1~θ4相对应的时间. 将T和ΔT的关系代入, 则P1可进一步表示为
P1=2mUIm
(5)
式中, TPMa为电机的永磁转矩, Tf为电励磁转矩, Tr为
磁阻转矩, 一个周期内平均值近似为零. Tcog为电机的定位力矩. 可见, 在该电机中, 存在多个转矩分量, 其中永磁转矩和电励磁转矩之和称为混合励磁转矩.
θw
. (8) θcr
给定电机的效率η, 并将θcr=2π/pr代入(8)式, 则电机的输出功率P2为
P2=ηP1=2ηmUIm
3 电机参数设计
θwmpr
=ηkeEHImθw, (9) θcrπ
目前, 各国学者对定子永磁型电机, 主要围绕电
机的结构和电磁性能参数进行了分析与研究, 但对电机的设计则研究较少, 尚未建立一套较为系统、切实可行, 能得到学者普遍认可的设计方法. 该HEDS电机中, 存在永磁磁场和电励磁磁场, 在磁路结构上又明显不同于传统意义上的转子永磁型电机, 这些都增加了电机设计难度和复杂性. 下面利用等效磁路与有限元分析相结合的方法,详细介绍定子永磁型混合励磁电机设计的一般原则和方法.
式中, ke=U/EH, EH为永磁磁链与电励磁磁链在一相绕组中产生的混合励磁反电势, 该反电势可表示为
EH=N
φ φdφmΔφ
ωr≈Nmaxminωr=Nmωr, (10)
θwθwdθ
πDsi
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