碩士同步永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)畢業(yè)論文

1、. . . . 同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)摘要本文提出了一種同步/永磁混合（ SynPM ）電機(jī)結(jié)果表明，這種電機(jī)機(jī)具有良好的功率密度和效率.具有良好的調(diào)控性.工作原理、有限元分析與這臺(tái)電機(jī)的仿真都在這篇文章中介紹關(guān)鍵詞弱場，混合，永磁電機(jī)，同步電機(jī)1導(dǎo)言隨著電力電子技術(shù)，控制技術(shù)，和微電子技術(shù)的發(fā)展，在許多應(yīng)用場合中，交流電機(jī)正在取代直流電機(jī)12。同時(shí)，關(guān)于電機(jī)在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)用，已經(jīng)做出了大量的研究 134。各種電機(jī)廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)如：感應(yīng)電機(jī)、無刷永磁直流電機(jī)、可變磁阻電動(dòng)機(jī)、同步磁阻電機(jī)2在過去二十年中，永磁（PM）材料迅速發(fā)展。永磁電機(jī)因?yàn)槠淞己玫墓β拭芏却蠛托矢叩葍?yōu)點(diǎn)，越來

2、越受歡迎特別是對于小額定功率電機(jī)。永磁電機(jī)取消了存在于一般電機(jī)中的勵(lì)磁繞組。最近，隨著高矯頑力、高剩余磁通密度和高能量的永磁材料的發(fā)現(xiàn)，使永磁電機(jī)氣隙磁通密度可進(jìn)一步提高，電機(jī)的功率密度也得到了進(jìn)一步增大。然而，永磁材料磁導(dǎo)率較低，因此要改變永磁體磁通需要一個(gè)較大的磁動(dòng)勢。當(dāng)電機(jī)需要弱磁運(yùn)行時(shí)，這樣就大大限制了永磁電機(jī)在高速場合的應(yīng)用。另一方面，同步電機(jī)有很好磁場調(diào)節(jié)能力。這是由于其氣隙小同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有一套勵(lì)磁繞組。然而，將導(dǎo)致電機(jī)成勵(lì)磁繞組損耗，同時(shí)電機(jī)的滑環(huán)與電刷使電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。本文提出了一種新型的同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子分別有永磁體與勵(lì)磁繞組，其中有四個(gè)永磁極和兩勵(lì)磁繞組

3、；定子與普通的電勵(lì)磁電機(jī)一樣。電機(jī)的磁場主要由四個(gè)永磁體提供，勵(lì)磁繞組在電機(jī)中主要是起調(diào)節(jié)作用。通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的電流方向，改變兩個(gè)勵(lì)磁繞組所在磁極的磁勢方向，電機(jī)可在增磁或去增下運(yùn)行。雖然電機(jī)中仍然存在滑環(huán)與電刷，但是當(dāng)電刷不能使用時(shí)也不會(huì)造成嚴(yán)重的問題，由于電機(jī)中永磁體仍將提供氣隙磁通。當(dāng)轉(zhuǎn)子不通入勵(lì)磁電流時(shí)，由于永磁體有較高的矯頑力，氣隙中也存在較大的氣隙磁密通。2工作原理同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)共有6個(gè)磁極，其中4個(gè)是永磁磁極，2個(gè)是電勵(lì)磁磁極。總的來講，這種電機(jī)的運(yùn)行原理與普通永磁電機(jī)類似，但這種電機(jī)的氣隙磁場可調(diào)A 理想磁路分析為了便于理解工作原理，假定了

4、一個(gè)理想磁場因此有以下幾點(diǎn)假設(shè)1.鐵磁材料為線性材料2.忽略電機(jī)的邊緣與端部漏抗3.在每個(gè)極下磁通均勻分布4.在兩個(gè)磁極間磁通均勻分布5.定子與轉(zhuǎn)子磁極表面光滑圖1同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖圖2永磁極等效電路1) 永磁磁極等效電路：根據(jù)“”的等效電路一個(gè)永磁極可等效為一個(gè)磁通發(fā)生器與一個(gè)漏磁的并聯(lián)，如圖所示。式與式表示出了計(jì)算公式 (1) (2)式中：表示永磁磁極的有效磁通面積永磁磁極磁化方向長度剩余磁通密度永磁體的相對磁導(dǎo)率根據(jù)戴維南定理，等效電路可用磁動(dòng)勢m與磁阻抗的串聯(lián)表示，可如圖2（b）所示 （3） （4）圖3六極同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)的磁路模型根據(jù)永磁體的等效電路方程，

5、同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)的電路模型如圖3所示，圖中兩個(gè)環(huán)表示定子軛部與轉(zhuǎn)子軛部，12個(gè)磁阻與6個(gè)磁勢源。在模型中表示電勵(lì)磁磁極氣隙磁阻，可由下式計(jì)算得到 （5）式中表電勵(lì)磁繞組的氣隙長度，表示鐵磁磁極磁通經(jīng)過的面積。 （6）是表示永磁磁極的磁阻 （7）是表示兩個(gè)磁極間漏磁磁阻，式中表示漏磁路的長度表示漏磁路的面積表示永磁磁極的磁動(dòng)勢表示鐵磁磁極勵(lì)磁繞組的磁動(dòng)勢磁路等效電路圖如下式所示： （8）式中表示轉(zhuǎn)子磁勢（將定子作為零磁勢參考點(diǎn)）表示磁動(dòng)勢第i條支路表示磁阻第i條支路由于永磁磁極與勵(lì)磁繞組都是成對的關(guān)系，因此總是為零。求解方程（8）令因此第條支路的磁通為所以，勵(lì)磁繞組的磁通為永磁磁極的磁

6、通為由方程（11）表明，由于鐵磁磁極的氣隙磁阻小，改變鐵磁磁極的磁動(dòng)勢可很容易改變氣隙磁密的大小。但是由于永磁磁極的磁阻較大，因此永磁磁極的氣隙磁密變化較小。圖4 一相繞組的反電動(dòng)勢同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)的電樞繞組連接方式，假定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速衡定，勵(lì)磁繞組改變電流，即可變化繞組電壓的反電動(dòng)勢。2）一相繞組的反電勢：一相繞組感應(yīng)電壓 （13）隨著轉(zhuǎn)子繞組，每一相繞組經(jīng)過兩個(gè)永磁磁極與一個(gè)鐵磁磁極，由于鐵磁磁極中電流方向可調(diào)，一相繞組反電動(dòng)勢波形如圖4所示，圖4（a）中表示勵(lì)磁繞組為增磁作用時(shí)反電動(dòng)勢波形，圖4（b）中表示勵(lì)磁繞組不通入電流時(shí)反電動(dòng)勢波形，圖4（c）中表示勵(lì)磁繞組為弱磁作用時(shí)反電動(dòng)

7、勢波形。圖4表示一相繞組在三種工況下的反電勢波形，但電機(jī)繞組由三相繞組組成，其它兩相反電動(dòng)勢波形與其類似。所以在任何時(shí)刻總有兩個(gè)永磁磁極和一個(gè)鐵磁磁極的影響。圖5,6,和7分別表示三相繞組反電動(dòng)勢在鐵磁磁極勵(lì)磁電流為正，勵(lì)磁電流為零，勵(lì)磁電流為負(fù)時(shí)電動(dòng)勢波形。在三種工況下，假定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衡定，為一相繞組感應(yīng)的反電動(dòng)勢，在第一種工況下通入正向的勵(lì)磁電流，鐵磁磁極的磁勢方向與相鄰的永磁磁極的磁勢方向相反，則繞組的反電動(dòng)勢為： (14)如圖5所示。在第二種工況下，勵(lì)磁電流為零，繞組反電動(dòng)勢為 (15)如圖6所示。第三種工況勵(lì)磁電流為負(fù)，鐵磁磁極的磁勢方向與相鄰的永磁磁極的磁勢方向一樣，繞組反電動(dòng)勢為

8、(16)圖5通入正向勵(lì)磁電流時(shí)反電動(dòng)勢圖6通入勵(lì)磁電流為零時(shí)反電動(dòng)勢圖7通入負(fù)向勵(lì)磁電流時(shí)反電動(dòng)勢如果機(jī)電通入一個(gè)正弦波反電勢 (17)因?yàn)?電路反電勢也可以寫成這表示為 (18)式中可通過，但是永磁磁極下的氣隙磁密幾乎保持不變。3電路模型從同步/永磁混合電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看出，這種新型電機(jī)結(jié)合了永磁機(jī)與同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使之不同于普通同步電機(jī)與永磁電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)一同步/永磁混合電機(jī)與永磁電機(jī)相比氣隙磁場可調(diào)，優(yōu)點(diǎn)二同步/永磁混合電機(jī)的電樞反應(yīng)比普通的同步電機(jī)小，電機(jī)的端電壓圍較大A：穩(wěn)態(tài)模型同步電機(jī)和永磁電機(jī)通入正弦波形時(shí)，電壓方程是 (19)功率方程是 （20）式中是反電動(dòng)勢和端電壓的向

9、量夾角，由電機(jī)的磁勢源不同，因此它不同于同步電機(jī)和永磁電機(jī)。在式（19）中，相量圖表示了弱磁工況,電壓為常數(shù),由于反電動(dòng)勢可以由勵(lì)磁電流控制,電樞電流向量可假定它垂直，僅有q軸電流。在弱磁進(jìn)，電流與電壓，由于假定電流只有q軸方向，因此電壓方程是 （21）相應(yīng)的相量圖所示圖8。由于電壓為常值，垂直于電壓向量， （22）等式（22）除以，可得 （23）設(shè)額定轉(zhuǎn)速為，為保證電流，最大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為在最小磁鏈為1/k時(shí)轉(zhuǎn)速為 （24）圖8忽略繞組電阻時(shí)電路電壓方程最大速度時(shí)方程 （25）經(jīng)過一些代數(shù)之間的關(guān)系最大速度和額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系 （26）式中當(dāng)速度為時(shí)，q軸電抗。當(dāng)和，則速度圍約為理想情況下的2.29的

10、情況。結(jié)果表明轉(zhuǎn)速不超過3為了達(dá)到更寬的調(diào)節(jié)圍，將減小。B.暫態(tài)模型同步/永磁混合電機(jī)的瞬態(tài)模型結(jié)合了同步電機(jī)的瞬態(tài)模型與永磁電機(jī)的瞬態(tài)模型，當(dāng)轉(zhuǎn)子沒有阻尼條時(shí)電機(jī)的方程如下所示。 （27） （28）4耦合電路仿真交流電機(jī)的d-q模型是已經(jīng)確定并已經(jīng)廣泛應(yīng)用電機(jī)分析中。它是基于定子繞組正弦排布與氣隙磁密為正弦分布的假設(shè)。但是這些假設(shè)并合適于所有電機(jī)如凸極永磁電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)，同步磁阻電機(jī)，在一相短路或開路時(shí)。同步/永磁混合電機(jī)的電路方程可以寫成 （29） （30） （31） （32）定子電阻的對角矩陣轉(zhuǎn)子電阻的對角矩陣定子電感矩陣轉(zhuǎn)子電感矩陣定子對轉(zhuǎn)子互感矩陣轉(zhuǎn)子對定子互感矩陣定子電流矢量轉(zhuǎn)子電

11、流矢量定子電壓矢量轉(zhuǎn)子電壓矢量由永磁體產(chǎn)生的磁鏈與定子繞組相耦合由永磁體產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子繞組相耦合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 （33）機(jī)械平衡轉(zhuǎn)矩 （34） （35）式中為機(jī)械角度為機(jī)械轉(zhuǎn)速為負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量圖9倒數(shù)氣隙在和圖10 4極電機(jī)的繞組函數(shù)法A計(jì)算電感顯然，在準(zhǔn)備階段準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)所有電感矩陣時(shí)電機(jī)仿真的關(guān)鍵，有很多方法用來計(jì)算電機(jī)電感，如有限元法，磁路法。但是繞組函數(shù)法是一種最常用的方法，假定電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的鐵磁為線性材料。根據(jù)繞組函數(shù)法，互感是兩個(gè)繞組和在電機(jī)中的互感，可用下面等式計(jì)算 （36）式中表示轉(zhuǎn)子位置與定子參考量之間的夾角表示特定的角位置沿定子表面在位置和時(shí)氣隙長度的倒角表示

12、繞組長度氣隙平均半徑矩陣是繞組函數(shù)法，它表示第個(gè)繞組通入單位電流時(shí)電機(jī)的磁動(dòng)勢分布，圖9，圖10分別給出了兩個(gè)例子說明。一個(gè)繞組在位置時(shí)繞組分布。計(jì)算線圈電感與轉(zhuǎn)子角位置曲線圖中顯示如圖11（a）（b）和（c）。從曲線可以看到，在鐵磁磁極下的位置線圈自感達(dá)到其最大價(jià)值。結(jié)果說明，在這兩個(gè)鐵磁磁極下阻磁相對較小圖11（d）的計(jì)算表明，電路自感曲線與轉(zhuǎn)子角位置有關(guān)。有6個(gè)地方的電感達(dá)到最大值由于串聯(lián)成線圈電路相關(guān)。圖11計(jì)算繞組與電路電感 圖12 永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密B.永磁磁極產(chǎn)生的磁鏈計(jì)算永磁磁極產(chǎn)生磁鏈的計(jì)算問題是在仿真另一個(gè)重要的問題，完成仿真模型的建立后，即可計(jì)算氣隙磁密的大小，如圖12

13、所示計(jì)算了氣隙磁密的分布。計(jì)算出永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密之后，可畫出由永磁磁極產(chǎn)生的磁密曲線，得出每一個(gè)繞組的磁鏈如下公式所示 （37）式中為永磁體的氣隙磁密，繞組位置第1條邊，繞組位置第2條邊。繞組匝數(shù)，氣隙平均長度，鐵心有效長度。該電路所有的線圈磁鏈的總和計(jì)算公式如下： （38）式中為線圈號數(shù)，為聯(lián)接線圈方式 圖13電路與線圈的計(jì)算磁鏈圖 14.不通入勵(lì)磁電流時(shí)同步/永磁混合電機(jī)的仿真圖13（d)所示曲線可以看出電路的磁鏈曲線當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)某一位置時(shí)，曲線表明電路的端口，有6個(gè)極，在同一相下線圈聯(lián)接通過所有極C仿真采用電路方程對同步/永磁混合電機(jī)進(jìn)行仿真可得出電機(jī)的各方面性能。轉(zhuǎn)子各獨(dú)立參數(shù)如電感

14、，可查找根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置如前所述。圖14和圖15分別仿真結(jié)果。從圖中曲線可以看出，同步/永磁混合電機(jī)輸入可調(diào)節(jié)電流，在提高轉(zhuǎn)矩時(shí)，有更高的功率與速度調(diào)節(jié)圍比一樣的永磁電機(jī)。計(jì)算機(jī)控制電流調(diào)節(jié)脈寬用于控制定子與轉(zhuǎn)子電流。在弱磁時(shí)電機(jī)的可達(dá)到1.3到2.7倍或更大比沒有電流調(diào)節(jié)的電機(jī)5有限元分析為驗(yàn)證理想的磁路分析的結(jié)果正確性，分別對各種工況做了有限元計(jì)算，在ANSOFT的二維模型中計(jì)算，圖16表明了勵(lì)磁繞組通入正向電流時(shí)電機(jī)的磁場分布，屬于磁場增磁。圖17表明勵(lì)磁電流為零時(shí)電機(jī)的磁場分布，圖18表明勵(lì)磁繞組為負(fù)即去磁作用時(shí)電流為去磁時(shí)磁場分布。從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出勵(lì)磁繞組確實(shí)可以改變氣隙磁場的

15、分布。圖16六極磁場分布通入正向電流 圖17六極磁場分布勵(lì)磁電流為零 圖18六極磁場分布通入負(fù)向電流6結(jié)論本文介紹了一種新的同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)并分析了它的工作原理，它既能作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行又能作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，本文雖然只介紹了6極電機(jī)，電機(jī)也可以設(shè)計(jì)為8極電機(jī)運(yùn)行其中4極為電勵(lì)磁4極為永磁磁極。同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)在磁場有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，電機(jī)弱磁時(shí)可在高速下運(yùn)行，由于永磁體作用電機(jī)的效率高，功率密度大。同時(shí)與普通的永磁電機(jī)相比氣隙磁場變得可調(diào)。但是仍需要電刷與滑環(huán)。當(dāng)電機(jī)弱磁高速運(yùn)行時(shí)，在兩個(gè)永磁磁極之間的定子軛部磁密仍然較高，因此也將導(dǎo)致定子鐵損耗。考慮到電機(jī)功率密度大，效率高，氣隙

16、磁場可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，同步/永磁混合勵(lì)磁永磁電機(jī)在傳統(tǒng)的交流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有較大的發(fā)展前景。兩極的勵(lì)磁繞組所需功率減小，因此電機(jī)外接整流器的容量也將減小，但是4極的永磁磁極與2極的電勵(lì)磁，在電機(jī)弱磁時(shí)6極電樞繞組的諧波含量將增大，同時(shí)產(chǎn)生的變化的電磁轉(zhuǎn)矩和脈正轉(zhuǎn)矩。分析這個(gè)問題需要更深入的分析這個(gè)電機(jī)部運(yùn)行情況，全面了解電機(jī)的運(yùn)行情況。參考文獻(xiàn)1 T. A. Lipo, “Recent Progress in the Developmcnt of Solid-State ACMotor Drives,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, no. 2, p

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