寧銀行，劉 闖，姜仁華,2，張 磊，朱姝姝

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 210016) (2.中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇 無錫 214063)

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混合勵(lì)磁同步電機(jī)的技術(shù)方案分析

寧銀行1，劉 闖1，姜仁華1,2，張 磊1，朱姝姝1

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 210016) (2.中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇 無錫 214063)

介紹了設(shè)計(jì)混合勵(lì)磁同步電機(jī)(HESM)時(shí)，涉及的主要技術(shù)問題及其方案選擇，包括原型電機(jī)方案、永磁/電勵(lì)磁磁勢串并聯(lián)關(guān)系、勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案、定轉(zhuǎn)子槽/極匹配原則和諧波抑制方案等。提出了一個(gè)勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子的HESM樣機(jī)模型，以該模型為例，計(jì)算了調(diào)磁特性，研究了斜槽方案對諧波抑制的有效性，分析了電勵(lì)磁對電感的影響，對于HESM電感的非線性，為簡化轉(zhuǎn)矩控制的復(fù)雜性，宜采用id=0控制。研究了永磁/電勵(lì)磁比重對調(diào)磁特性的影響，以凸極同步發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加永磁，設(shè)計(jì)得到的另一新型HESM，具有較強(qiáng)的勵(lì)磁能力，且故障發(fā)生時(shí)可實(shí)現(xiàn)有效滅磁。

混合勵(lì)磁同步電機(jī)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；諧波抑制；電感特性；調(diào)磁特性

0 引 言

永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)靈活，具有轉(zhuǎn)矩密度大，損耗小，效率高，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。但主極磁場不可調(diào)的特點(diǎn)，限制了永磁電機(jī)在諸如發(fā)電和寬范圍調(diào)速等場合中的應(yīng)用?；旌蟿?lì)磁電機(jī)是在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，引入電勵(lì)磁繞組，在繼承永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，確保氣隙磁場可調(diào)。

美國學(xué)者M(jìn)ccarty F B[1]、俄羅斯學(xué)者[2]和美國學(xué)者Radomski T A[3]分別較早地提出了磁極分割式、磁分路式和爪極式等結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電機(jī)，影響較為深遠(yuǎn)。各國學(xué)者將應(yīng)用需求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，探索了混合勵(lì)磁電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性，涉及到航空航天[4]、電動(dòng)汽車、風(fēng)能利用、艦船推進(jìn)等，經(jīng)濟(jì)前景廣闊。

早在20世紀(jì)70年代，美國、以色列、法國等國著手開展電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載雷達(dá)，國內(nèi)也在90年代中期開展了電機(jī)伺服系統(tǒng)取代液壓伺服系統(tǒng)的研究工作。以永磁同步電機(jī)為電機(jī)原型的混合勵(lì)磁同步電機(jī)(HESM)，轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、功率因數(shù)可控性好，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性。HESM用于伺服電機(jī)，能夠適應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)所要求的力矩大、響應(yīng)快、可控精度高等特點(diǎn)。

本文介紹了設(shè)計(jì)HESM時(shí)，涉及的主要技術(shù)問題，包括原型電機(jī)的轉(zhuǎn)子方案、勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案、定轉(zhuǎn)子匹配原則、諧波抑制方案和轉(zhuǎn)矩控制策略選擇等方面。以一個(gè)勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子的HESM樣機(jī)為例，介紹了HESM的基本特性。

1 HESM的拓?fù)浞桨阜治?/h2>

1.1 電機(jī)原型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

HESM是以永磁同步電機(jī)為電機(jī)原型進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整得到的新型電機(jī)。在設(shè)計(jì)HESM時(shí)，電機(jī)原型的選擇對HESM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)影響較大。圖1給出了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的典型結(jié)構(gòu)。按照永磁體磁化方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，分為徑向式、切向式和軸向式。

圖1 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖1a)中永磁體沿軸向插入槽中，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；漏磁少，但氣隙磁密偏?。粓D1b)中電感凸極率大，磁阻轉(zhuǎn)矩大，同一磁極的磁通由相鄰永磁體提供，適用于極數(shù)多且要求氣隙磁密大的電機(jī)；圖1c)是由兩個(gè)帶爪的法蘭盤和一個(gè)圓環(huán)狀的永磁體構(gòu)成，左右法蘭盤的爪極數(shù)相同，沿圓周相互均勻錯(cuò)開，該類電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是永磁體的形狀簡單、磁性能好、磁化均勻；電樞反應(yīng)對永磁體的去磁作用小，永磁體的抗去磁能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是：爪極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難；爪極自身的離心力大，需要專門的緊固措施，爪極和法蘭盤占轉(zhuǎn)子的比重大，質(zhì)量偏大。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定后，通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，增設(shè)電勵(lì)磁繞組，使電勵(lì)磁磁通和永磁磁通共同作為HESM的轉(zhuǎn)子主極磁通。文獻(xiàn)[5]介紹了磁鋼軸向磁化型混合勵(lì)磁同步電機(jī)。

1.2 電勵(lì)磁/永磁磁勢的串并聯(lián)方案

HESM中包括永磁磁勢和電勵(lì)磁磁勢，兩者的相對關(guān)系主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和并列型，如圖2所示。其中，F(xiàn)pm和Fmf分別是永磁磁勢、電勵(lì)磁磁勢；Rpm和Riron分別是永磁磁阻、鐵芯磁阻，Rmf特指(磁勢并聯(lián)型HESM中)電勵(lì)磁支路的鐵芯磁阻；“外部”指主磁極之外的氣隙和定子部分。

圖2 電勵(lì)磁和永磁磁勢的磁路關(guān)系

對于磁勢串聯(lián)型HESM，電勵(lì)磁直接作用在永磁體上，對永磁體的工作點(diǎn)影響較大。此外，由于永磁磁阻較大，勵(lì)磁經(jīng)濟(jì)性差。

對于磁勢并聯(lián)型HESM，電勵(lì)磁磁勢和永磁磁勢分別位于不同的磁支路，其中電勵(lì)磁磁通經(jīng)“支路2”-“外部”構(gòu)成磁回路，磁阻相對較小，勵(lì)磁能力提高。就電樞磁勢(位于定子側(cè)，圖中未示出)而言，“支路2”對“支路1”具有旁路作用，降低了永磁體發(fā)生不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

對于磁勢并列型HESM，電勵(lì)磁磁勢和永磁磁勢有各自獨(dú)立的磁回路，因此，電勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，相互影響程度小，電感參數(shù)變化小。目前來看，為了實(shí)現(xiàn)磁勢并列型，通常是將相互獨(dú)立的永磁轉(zhuǎn)子和電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)軸上組合而成，體積較大。

1.3 勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

根據(jù)勵(lì)磁繞組的位置，主要有兩類方案：(1)勵(lì)磁繞組固定在靜止部件上；(2)勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子上，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

第一類勵(lì)磁方案，易于實(shí)現(xiàn)無刷勵(lì)磁，具體實(shí)施方法：

以圖1所示的轉(zhuǎn)子為例，不同極性的磁極交替出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子周向上。為分析方便，使用圖3表示轉(zhuǎn)子磁極，存在N磁極組和S磁極組。將轉(zhuǎn)子的磁極組沿軸向引出，然后，借助導(dǎo)磁部件構(gòu)成閉合的磁路，定義該新增磁路為附加磁路，勵(lì)磁繞組纏繞在附加磁路上。

圖3給出了S磁極組和N磁極組分別引出到①端和②端，圖4給出了繼續(xù)延伸①端和②端的幾種方法，以便構(gòu)成閉合磁路。

圖3 磁極分組

在圖1b)所示永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用圖4所示的勵(lì)磁拓?fù)浞桨?，得到相?yīng)的切向磁鋼型混合勵(lì)磁同步電機(jī)[6-8]，永磁體位于相鄰磁極之間，勵(lì)磁繞組纏繞在延伸的附加磁路上。

圖4a)是雙端調(diào)磁型的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案[6]，利用導(dǎo)磁的端蓋和機(jī)殼作為附加磁路，軸向兩端各存在一套勵(lì)磁繞組。

圖4b)是磁分路式混合勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案[7]。將N磁極組和S磁極組分別按照圓環(huán)狀沿軸向同側(cè)延伸，然后，圓環(huán)狀部件之間設(shè)置導(dǎo)磁部件，該部件一是用于導(dǎo)磁，二是用于嵌放勵(lì)磁繞組。

圖4 混合勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案

圖4c)是爪極式混合勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案[8]。將N磁極組和S磁極組分別從軸向不同側(cè)，沿著內(nèi)部收縮，使用導(dǎo)磁部件將兩者連接起來，勵(lì)磁繞組繞制在該導(dǎo)磁部件上。

第二類勵(lì)磁方案是將勵(lì)磁繞組直接放在轉(zhuǎn)子上，為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁，具體實(shí)施方法：

一是采用有刷勵(lì)磁；二是借鑒航空發(fā)電機(jī)中常用的三級(jí)式方案(永磁副勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)電樞式交流勵(lì)磁機(jī)、主電機(jī))；同時(shí)，考慮到混合勵(lì)磁電機(jī)中固有的永磁磁場，省去三級(jí)式方案中的永磁副勵(lì)磁機(jī)，保留交流勵(lì)磁機(jī)，以混合勵(lì)磁電機(jī)作為主電機(jī)，采用兩級(jí)式方案實(shí)現(xiàn)無刷化勵(lì)磁。

綜上，第一類方案易于實(shí)現(xiàn)無刷化勵(lì)磁，但存在軸向磁路，轉(zhuǎn)子等部件為塊狀實(shí)體鐵芯，磁路長，漏磁大，勵(lì)磁效率低；第二類方案中，磁路短，勵(lì)磁效率高。

結(jié)合應(yīng)用需求，完成上述技術(shù)問題(原型電機(jī)結(jié)構(gòu)，磁勢串并聯(lián)關(guān)系，勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等)的方案選擇，HESM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本確定。

圖5為一個(gè)混合勵(lì)磁型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)實(shí)例，是在切向永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上形成的，勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁磁路短，不涉及軸向磁路。

圖5 混合勵(lì)磁型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)定子，表1中給出了相關(guān)參數(shù)值。使用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)忽略定子開槽的影響，磁場分布如圖6所示，F(xiàn)mf為每極電勵(lì)磁磁動(dòng)勢，單位為A·T?？梢钥闯?，施加電勵(lì)磁之前，永磁磁場的一部分在轉(zhuǎn)子中閉合，另一部分進(jìn)入定子。施加電勵(lì)磁后，極身中合成總磁通方向發(fā)生變化，氣隙磁通增大，定子軛部磁密由0.74 T變化為1.21 T。

表1 HESM的主要參數(shù) mm

參數(shù)值參數(shù)值電機(jī)長度95永磁體磁化長度6定子外徑174永磁體寬度29定子內(nèi)徑112.8勵(lì)磁繞組每極匝數(shù)180轉(zhuǎn)子外徑112電樞繞組每相匝數(shù)16

圖7為施加電勵(lì)磁前的氣隙磁密波形，呈方波特征，除基波分量B1外，還存在大量的諧波分量(諧波抑制問題見后文分析)?；ǚ至緽1是交流電機(jī)的有效分量，圖8為勵(lì)磁電流變化時(shí)，B1的變化特征。在施加電勵(lì)磁前，氣隙磁場不為零，隨著勵(lì)磁的增強(qiáng)，氣隙磁密由0.68 T增大到1.11 T，調(diào)磁范圍約為0.63%。

圖7 氣隙磁密波形(Fmf=0 A·T)

圖8 調(diào)磁特性(基波分量B1)

1.4 定轉(zhuǎn)子的槽/極匹配

圖5所示的混合勵(lì)磁型轉(zhuǎn)子，本質(zhì)仍然是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子。因此，為混合勵(lì)磁型轉(zhuǎn)子(圖5所示)選擇定子方案時(shí)，理論上講，與永磁同步電機(jī)或電勵(lì)磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子匹配原則相同，可設(shè)計(jì)成整數(shù)槽，也可設(shè)計(jì)為分?jǐn)?shù)槽，可設(shè)計(jì)成分布繞組，也可設(shè)計(jì)成集中繞組。圖9為基于混合勵(lì)磁型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)而成的混合勵(lì)磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為4，采用120°相帶，每對極每相槽數(shù)q=4，其他主要參數(shù)見表1。以圖9所示的混合勵(lì)磁同步電機(jī)為主電機(jī)，采用兩級(jí)式無刷勵(lì)磁方案的樣機(jī)如圖10所示，其電磁特性參見文獻(xiàn)[9]。

圖9 混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖10 兩級(jí)式無刷混合勵(lì)磁電機(jī)

2 HESM的諧波抑制方案分析

為提高電壓波形品質(zhì)，通常從槽口、槽形、極槽配合、磁極形狀、斜槽或斜極等方面入手[10]。

(1)半閉口槽或用磁性槽楔

磁性槽楔可以減弱氣隙磁導(dǎo)的波動(dòng)，緩和齒槽效應(yīng)，半閉口槽的槽口有效尺寸小，效果上類似于磁性槽楔。但是從圖7可以看出即使定子未開槽，氣隙磁密中仍然存在大量的諧波，因此，該方案僅可作為輔助措施。

(2)增大每極每相槽數(shù)q

每極每相槽數(shù)q越大，諧波抑制效果越好，但是q越大，意味著定子總槽數(shù)越多，電機(jī)成本提高。而且，q>6時(shí)，高次諧波的分布因數(shù)下降不再明顯，因此，通常選用2≤q≤6。實(shí)際上，對于特定次數(shù)的諧波(如齒諧波)，增大q值也難以獲得理想的諧波抑制效果。

(3)分?jǐn)?shù)槽繞組

每極每相槽數(shù)q為非整數(shù)時(shí)，稱之為分?jǐn)?shù)槽。對于多極的HESM，過大的q不太現(xiàn)實(shí)，而采用分?jǐn)?shù)槽繞組是一個(gè)較為理想的選擇，通過選擇合理的極槽配合，減小空載電動(dòng)勢中的高次諧波。采用分?jǐn)?shù)槽時(shí)，從其分布因數(shù)的表達(dá)式上看，分?jǐn)?shù)槽實(shí)際上是等效放大了q值。

(4)合理設(shè)計(jì)磁極形狀

在凸極同步電機(jī)中，為削弱諧波分量，可設(shè)法改變主極的極靴形狀和極弧長度，例如將極弧系數(shù)設(shè)計(jì)在0.7～0.75。但是對于諸如圖9所示的HESM，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，極弧系數(shù)難以調(diào)整。文獻(xiàn)[9]借鑒隱極同步電機(jī)磁極形狀的優(yōu)化方法，控制最大氣隙和最小氣隙，來改善主極磁場的分布。

(5)斜槽或斜極

從定性的角度看，如果一個(gè)導(dǎo)體傾斜的范圍正好等于v次諧波磁場的周期，那么在任意時(shí)刻，該v次磁場略過導(dǎo)體上的磁力線總和始終為定值(一般為0)。因此，該次諧波不產(chǎn)生電勢，表明此時(shí)導(dǎo)體的傾斜程度正好抑制了該v次諧波。

采用斜槽后，導(dǎo)體各小段在磁場中的位置各不相同，即存在空間相位差，因此，各段的感應(yīng)電勢表現(xiàn)為時(shí)間上的相位差。一個(gè)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢相當(dāng)于無數(shù)個(gè)小段感應(yīng)電勢的矢量合成。因此，繞組的“斜槽因數(shù)”的求解類似于繞組的“分布因數(shù)”的求解，具體細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[10]。

大型電機(jī)中采用斜槽時(shí)，鐵芯疊壓工藝復(fù)雜，傾向于采用斜極方案，斜槽主要用于中小型電機(jī)。以圖9所示的HESM為例，節(jié)距r1=5π/6，q=4，優(yōu)化前的相電勢計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前的相電勢(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

采用整數(shù)槽時(shí)，v=Kz/p±1次的高次諧波表現(xiàn)突出，工程中將其稱之為齒諧波，其中，z為電樞槽數(shù)，p為極對數(shù)，K為整數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)(z=24，p=2)可知，圖11中較大的諧波(11、25、35、47次)正是齒諧波，這表明通過“分布”和“短距”繞組設(shè)計(jì)對齒諧波的抑制不夠理想，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖12為斜過1個(gè)齒距(對應(yīng)的機(jī)械角度為360°/24=15°)時(shí)相電勢的計(jì)算結(jié)果，諧波含量大大降低，總的諧波畸變率計(jì)算值約為2.28%。

圖12 斜槽后的相電勢(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

3 HESM的控制策略和電感特性分析

HESM的本質(zhì)仍是同步電機(jī)，從定子端看，可以將由永磁和電勵(lì)磁激勵(lì)的轉(zhuǎn)子磁場統(tǒng)一看成一個(gè)合成磁場，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)褂梅?hào)Ψr表示，HESM的電磁轉(zhuǎn)矩Te方程為

(1)

式中：p為極對數(shù)；iq和id分別為q軸電流分量、d軸電流分量；Ld和Lq分別是d軸、q軸電感。

永磁同步電機(jī)的電流矢量轉(zhuǎn)矩控制方法主要有：id=0控制、cosφ=1控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制和最大輸出功率控制等。上述控制策略與Ψr、Ld和Lq等因素密切相關(guān)。在永磁同步電機(jī)中，上述參數(shù)變化波動(dòng)小，通常認(rèn)為是恒值，控制策略易于實(shí)施，但是對于HESM，電感呈現(xiàn)出新的特性。以并聯(lián)磁路型HESM為例，分析電感特性，如圖13所示。

圖13 磁路并聯(lián)型HESM磁通工作模式

圖13a)中，在未施加電勵(lì)磁時(shí)，磁通主要由永磁體產(chǎn)生，永磁磁通分別在支路1和支路2中閉合，永磁磁勢較大時(shí)，支路2常處于反向磁飽和狀態(tài)；圖13b)中施加正向電勵(lì)磁后，電勵(lì)磁磁通Ф3和永磁磁通Ф2在支路2中方向相反，因此，正向調(diào)磁過程中支路2的磁飽和程度先減小后增大。以圖9所示的混合勵(lì)磁同步電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子極身對應(yīng)于圖13中的支路2。在調(diào)磁過程中轉(zhuǎn)子極身處磁密的變化如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)子極身的磁密

圖15為HESM的交直軸電樞反應(yīng)磁路。交軸電樞反應(yīng)經(jīng)定子鐵芯、氣隙、永磁體及轉(zhuǎn)子外緣，形成閉合回路。直軸電樞反應(yīng)經(jīng)定子鐵芯、氣隙及電勵(lì)磁極身，形成閉合回路。磁路1中僅存在交軸電樞反應(yīng)磁通，而磁路2則同時(shí)受永磁、電勵(lì)磁和直軸電樞反應(yīng)等因素的影響。

圖15 電樞反應(yīng)磁路

由上述定性分析可知，永磁和電勵(lì)磁影響轉(zhuǎn)子極身飽和程度，進(jìn)而影響電感參數(shù)。電樞相電流ia分別是10 A、20 A、30 A、40 A、50 A時(shí)，電勵(lì)磁對直交軸電樞電感的影響如圖16所示。

圖16 勵(lì)磁電流對直交軸電感的影響

可以看出：1)直軸電樞電感的變化較大，說明勵(lì)磁電流對直軸磁路飽和程度的影響較大，與圖13、圖14和圖15的定性分析相一致。

2)與直軸電感相比，交軸電樞電感相對穩(wěn)定。但是，以ia=40 A為例，圖中，Lq的最小值為0.56 mH，最大值為0.62 mH，也變化了10.7%。

根據(jù)電感的計(jì)算結(jié)果可知：1)Ld和Lq均是變化的(尤以Ld為甚)。

2)凸極率ρ=Lq/Ld，存在>1、=1和<1等情況，因此，根據(jù)式(1)可知，相對于Ld和Lq通常為定值或變化不大的永磁同步電機(jī)而言，對HESM采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制、最大功率控制、cosφ=1和最小銅損控制等難度較大。推薦采用id=0的控制策略，有利于減小電感參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的進(jìn)一步探討

在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)，增設(shè)勵(lì)磁繞組，得到圖9所示的混合勵(lì)磁電機(jī)，以永磁為主，電勵(lì)磁為輔，在電勵(lì)磁為0時(shí)，存在一定大小的氣隙磁場(如圖6所示)，不利于故障滅磁。相反，在電勵(lì)磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，增設(shè)永磁體，形成的HESM，以電勵(lì)磁為主，以永磁為輔。

圖17為凸極電勵(lì)磁同步電機(jī)(EESM)轉(zhuǎn)子，圖18為在凸極EESM的相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間增設(shè)永磁體形成的新型同步電機(jī)(EESM-add)轉(zhuǎn)子。從工作原理上看，圖17中氣隙磁場全部由電勵(lì)磁產(chǎn)生，圖18中氣隙磁場也全部由電勵(lì)磁提供，但是在EESM-add的轉(zhuǎn)子極身上，永磁磁通與電勵(lì)磁磁通方向相反，削弱了轉(zhuǎn)子極身的飽和程度，從而提高電勵(lì)磁的勵(lì)磁能力。

圖17 EESM

圖18 EESM-add

為了進(jìn)行對比，EESM和EESM-add統(tǒng)一采用表1中的尺寸參數(shù)和繞組參數(shù)。采用有限元法對其計(jì)算，得到的磁場分布和空載特性，分別如圖19和圖20所示，圖中，E0為相感應(yīng)電勢。在零勵(lì)磁時(shí)，EESM-add的轉(zhuǎn)子磁場分布如圖19所示，幾乎所有的永磁磁通在轉(zhuǎn)子中閉合。

圖19 勵(lì)磁分布(Fmf=0 A·T)

圖20 空載特性

從圖20可以看出，除數(shù)值大小不同之外，EESM-add和EESM具有相似的調(diào)磁特性。與EESM相比，EESM-add的氣隙磁場較大；在勵(lì)磁電流為0時(shí)，EESM-add的空載電壓近似為0 V，表明故障發(fā)生時(shí)，切除電勵(lì)磁可實(shí)現(xiàn)有效滅磁。

5 結(jié)束語

本文介紹了設(shè)計(jì)混合勵(lì)磁同步電機(jī)HESM時(shí)，涉及的主要技術(shù)問題，包括如下方面：

1)分析了HESM的電機(jī)原型方案，永磁/電勵(lì)磁磁勢的串并聯(lián)關(guān)系，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案和定轉(zhuǎn)子槽/極匹配原則等。

2)為提高HESM的電能品質(zhì)，以空載電壓波形為例，討論了HESM的諧波抑制方案，如主磁極形狀優(yōu)化和定子斜槽設(shè)計(jì)。

3)研究了HESM中電勵(lì)磁對電感的影響。HESM的電感波動(dòng)相對較大，針對HESM的轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，采用id=0控制策略，有利于簡化控制的復(fù)雜性。

4)研究了永磁/電勵(lì)磁比重對調(diào)磁特性的影響。以凸極同步發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)得到的新型HESM，以電勵(lì)磁為主，永磁為輔。計(jì)算結(jié)果表明該新型HESM的勵(lì)磁能力有較大提高，同時(shí)具有故障發(fā)生時(shí)有效滅磁的能力。

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寧銀行 男，1982年生，博士生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

劉 闖 男，1973年生，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹娇针娫聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)，特種電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

姜仁華 男，1981年生，博士生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

Analysis on Technology Scheme of Hybrid Excitation Synchronous Machines

NING Yinhang1，LIU Chuang1，JIANG Renhua1,2，ZHANG Lei1，ZHU Shushu1

(1.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) (2.Radar and Avionics Institute of Aviation Indus Corporation of China,Wuxi 214063,China)

Some technological issues in designing hybrid excitation synchronous machine(HESM) are presented,including the rotor base of HESM,the topology structure for electrical excitation,the matching rule of stator slot to rotor pole,the harmonic suppression methods,and so on.A HESM with the exciting coils in its rotor (HESM-E-R) is proposed.Besides the flux-regulating characteristic of HESM-E-R,the effectiveness of the skewed-slot method in reducing the harmonic order is studied with the finite element method(FEM).In addition,the influence of the exciting current on the inductance is also analyzed and calculated.Because of the non-linear variation of HESM's inductance,id=0 controlling strategy is recommended for the simplification of the system.Finally,a salient pole synchronous generator combining with the permanent magnet(another novel HESM) is presented.This novel HESM has an excellent ability of flux excitation and flux extinction when electrical failures occur.

hybrid excitation synchronous machine; topology structure; harmonic suppression; inductance characteristic; flux-regulating feature

??伺系統(tǒng)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.013

國家自然科學(xué)基金(50977044)；國家自然科學(xué)基金(51377076)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151574)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻項(xiàng)目(BY2014003-09)

寧銀行 Email：nyh4711343@126.com

2016-07-13

2016-09-26

TM35

A

1004-7859(2016)10-0054-07