碩士畢業(yè)論文原稿同步永磁混合勵磁永磁電機

1、同步/永磁混合勵磁永磁電機Xiaogang Luo, Member, IEEE, and Thomas A. Lipo, Fellow, IEEE摘要本文提出了一種同步/永磁混合（ SynPM ）電機結(jié)果表明，這種電機機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、有限元分析與這臺電機的仿真都在這篇文章中介紹關(guān)鍵詞弱場，混合，永磁電機，同步電機1導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，在許多應用場合中，交流電機正在取代直流電機12。同時，關(guān)于電機在交流傳動系統(tǒng)中的運用，已經(jīng)做出了大量的研究134。各種電機廣泛應用于傳動系統(tǒng)如：感應電機、無刷永磁直流電機、可變磁阻電動機、同步

2、磁阻電機2在過去二十年中，永磁（PM）材料迅速發(fā)展。永磁電機因為其良好的功率密度大和效率高等優(yōu)點，越來越受歡迎特別是對于小額定功率電機。永磁電機取消了存在于一般電機中的勵磁繞組。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)，使永磁電機氣隙磁通密度可進一步提高，電機的功率密度也得到了進一步增大。然而，永磁材料磁導率較低，因此要改變永磁體磁通需要一個較大的磁動勢。當電機需要弱磁運行時，這樣就大大限制了永磁電機在高速場合的應用。另一方面，同步電機有很好磁場調(diào)節(jié)能力。這是由于其氣隙小同時電機轉(zhuǎn)子上有一套勵磁繞組。然而，將導致電機成勵磁繞組損耗，同時電機的滑環(huán)與電刷使電機運行不穩(wěn)定。本文提

3、出了一種新型的同步/永磁混合勵磁永磁電機，電機轉(zhuǎn)子分別有永磁體與勵磁繞組，其中有四個永磁極和兩勵磁繞組；定子與普通的電勵磁電機相同。電機內(nèi)的磁場主要由四個永磁體提供，勵磁繞組在電機中主要是起調(diào)節(jié)作用。通過改變轉(zhuǎn)子勵磁繞組的電流方向，改變兩個勵磁繞組所在磁極的磁勢方向，電機可在增磁或去增下運行。雖然電機中仍然存在滑環(huán)與電刷，但是當電刷不能使用時也不會造成嚴重的問題，由于電機中永磁體仍將提供氣隙磁通。當轉(zhuǎn)子不通入勵磁電流時，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/永磁混合勵磁永磁電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機共有6個磁極，其中4個是永磁磁極，2個是電勵磁磁極?？偟膩碇v，這

4、種電機的運行原理與普通永磁電機類似，但這種電機的氣隙磁場可調(diào)A 理想磁路分析為了便于理解工作原理，假定了一個理想磁場因此有以下幾點假設(shè)1.鐵磁材料為線性材料2.忽略電機的邊緣與端部漏抗3.在每個極下磁通均勻分布4.在兩個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/永磁混合勵磁永磁電機結(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)“諾頓”的等效電路一個永磁極可等效為一個磁通發(fā)生器與一個漏磁的并聯(lián)，如圖所示。式與式表示出了計算公式 (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率根據(jù)戴維南定理，等效電路可用磁動勢m與磁阻抗的串聯(lián)表

5、示，可如圖2（b）所示 （3） （4）圖3六極同步/永磁混合勵磁永磁電機的磁路模型根據(jù)永磁體的等效電路方程，同步/永磁混合勵磁永磁電機的電路模型如圖3所示，圖中兩個環(huán)表示定子軛部與轉(zhuǎn)子軛部，12個磁阻與6個磁勢源。在模型中表示電勵磁磁極氣隙磁阻，可由下式計算得到 （5）式中表電勵磁繞組的氣隙長度，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勢表示鐵磁磁極勵磁繞組的磁動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）表示磁動勢第i條支路表示磁阻第i條支路由于永磁磁極與勵

6、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，勵磁繞組的磁通為永磁磁極的磁通為由方程（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 一相繞組的反電動勢同步/永磁混合勵磁永磁電機的電樞繞組連接方式，假定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速衡定，勵磁繞組改變電流，即可變化繞組電壓的反電動勢。2）一相繞組的反電勢：一相繞組感應電壓 （13）隨著轉(zhuǎn)子繞組，每一相繞組經(jīng)過兩個永磁磁極與一個鐵磁磁極，由于鐵磁磁極中電流方向可調(diào)，一相繞組反電動勢波形如圖4所示，圖4（a）中表示勵磁繞組為增磁作用時

7、反電動勢波形，圖4（b）中表示勵磁繞組不通入電流時反電動勢波形，圖4（c）中表示勵磁繞組為弱磁作用時反電動勢波形。圖4表示一相繞組在三種工況下的反電勢波形，但電機繞組由三相繞組組成，其它兩相反電動勢波形與其類似。所以在任何時刻總有兩個永磁磁極和一個鐵磁磁極的影響。圖5,6,和7分別表示三相繞組反電動勢在鐵磁磁極勵磁電流為正，勵磁電流為零，勵磁電流為負時電動勢波形。在三種工況下，假定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衡定，為一相繞組感應的反電動勢，在第一種工況下通入正向的勵磁電流，鐵磁磁極的磁勢方向與相鄰的永磁磁極的磁勢方向相反，則繞組的反電動勢為： (14)如圖5所示。在第二種工況下，勵磁電流為零，繞組反電動勢為 (1

8、5)如圖6所示。第三種工況勵磁電流為負，鐵磁磁極的磁勢方向與相鄰的永磁磁極的磁勢方向相同，繞組反電動勢為 (16)圖5通入正向勵磁電流時反電動勢圖6通入勵磁電流為零時反電動勢圖7通入負向勵磁電流時反電動勢如果機電通入一個正弦波反電勢 (17)因為=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/永磁混合電機的結(jié)構(gòu)可以看出，這種新型電機結(jié)合了永磁機與同步電機的優(yōu)點，電機兩點優(yōu)點使之不同于普通同步電機與永磁電機，優(yōu)點一同步/永磁混合電機與永磁電機相比氣隙磁場可調(diào)，優(yōu)點二同步/永磁混合電機的電樞反應比普通的同步電機小，電機的端電壓范圍較大A：

9、穩(wěn)態(tài)模型同步電機和永磁電機通入正弦波形時，電壓方程是 (19)功率方程是 （20）式中是反電動勢和端電壓的向量夾角，由電機的磁勢源不同，因此它不同于同步電機和永磁電機。在式（19）中，相量圖表示了弱磁工況,電壓為常數(shù),由于反電動勢可以由勵磁電流控制,電樞電流向量可假定它垂直，僅有q軸電流。在弱磁進，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時轉(zhuǎn)速為 （24）圖8忽略繞組電阻時電路電壓方程最大速度時方程 （25）經(jīng)過一些代數(shù)之

10、間的關(guān)系最大速度和額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系 （26）式中當速度為時，q軸電抗。當和，則速度范圍約為理想情況下的2.29的情況。結(jié)果表明轉(zhuǎn)速不超過3為了達到更寬的調(diào)節(jié)范圍，將減小。B.暫態(tài)模型同步/永磁混合電機的瞬態(tài)模型結(jié)合了同步電機的瞬態(tài)模型與永磁電機的瞬態(tài)模型，當轉(zhuǎn)子沒有阻尼條時電機的方程如下所示。 （27） （28）4耦合電路仿真交流電機的d-q模型是已經(jīng)確定并已經(jīng)廣泛應用電機分析中。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)并合適于所有電機如凸極永磁電機，感應電機，同步磁阻電機，在一相短路或開路時。同步/永磁混合電機的電路方程可以寫成 （29） （30） （31） （32）定

11、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)子繞組相耦合電機的轉(zhuǎn)矩為 （33）機械平衡轉(zhuǎn)矩 （34） （35）式中為機械角度為機械轉(zhuǎn)速為負載轉(zhuǎn)矩電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量圖9倒數(shù)氣隙在和圖10 4極電機的繞組函數(shù)法A計算電感顯然，在準備階段準確計算電機所有電感矩陣時電機仿真的關(guān)鍵，有很多方法用來計算電機電感，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，互感是兩個繞組和在電機中的互感，可用下

12、面等式計算 （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內(nèi)表面在位置和時氣隙長度的倒角表示繞組長度氣隙平均半徑矩陣是繞組函數(shù)法，它表示第個繞組通入單位電流時電機內(nèi)的磁動勢分布，圖9，圖10分別給出了兩個例子說明。一個繞組在位置時繞組分布。計算線圈電感與轉(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到其最大價值。結(jié)果說明，在這兩個鐵磁磁極下阻磁相對較小圖11（d）的計算表明，電路自感曲線與轉(zhuǎn)子角位置有關(guān)。有6個地方的電感達到最大值由于串聯(lián)成線圈電路相關(guān)。圖11計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

13、磁鏈計算永磁磁極產(chǎn)生磁鏈的計算問題是在仿真另一個重要的問題，完成仿真模型的建立后，即可計算氣隙磁密的大小，如圖12所示計算了氣隙磁密的分布。計算出永磁體產(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電路與線圈的計算磁鏈圖 14.不通入勵磁電流時同步/永磁混合電機的仿真圖13（d)所示曲線可以看出電路的磁鏈曲線當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)某一位置時，曲線表明電路的端口，有6個極，在同一

14、相下線圈聯(lián)接通過所有極C仿真采用電路方程對同步/永磁混合電機進行仿真可得出電機的各方面性能。轉(zhuǎn)子各獨立參數(shù)如電感，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/永磁混合電機輸入可調(diào)節(jié)電流，在提高轉(zhuǎn)矩時，有更高的功率與速度調(diào)節(jié)范圍比相同的永磁電機。計算機控制電流調(diào)節(jié)脈寬用于控制定子與轉(zhuǎn)子電流。在弱磁時電機的可達到1.3到2.7倍或更大比沒有電流調(diào)節(jié)的電機5有限元分析為驗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算，在ANSOFT的二維模型中計算，圖16表明了勵磁繞組通入正向電流時電機內(nèi)的磁場分布，屬于磁場增磁。圖17表明勵磁電流為零時電機內(nèi)的磁

15、場分布，圖18表明勵磁繞組為負即去磁作用時電流為去磁時磁場分布。從有限元計算結(jié)果可以看出勵磁繞組確實可以改變氣隙磁場的分布。圖16六極磁場分布通入正向電流 圖17六極磁場分布勵磁電流為零 圖18六極磁場分布通入負向電流6結(jié)論本文介紹了一種新的同步/永磁混合勵磁永磁電機并分析了它的工作原理，它既能作為電動機運行又能作為發(fā)電機運行，本文雖然只介紹了6極電機，電機也可以設(shè)計為8極電機運行其中4極為電勵磁4極為永磁磁極。同步/永磁混合勵磁永磁電機在磁場有較強的調(diào)節(jié)能力，電機弱磁時可在高速下運行，由于永磁體作用電機的效率高，功率密度大。同時與普通的永磁電機相比氣隙磁場變得可調(diào)。但是仍需要電刷與滑環(huán)。當電

16、機弱磁高速運行時，在兩個永磁磁極之間的定子軛部磁密仍然較高，因此也將導致定子鐵損耗?？紤]到電機功率密度大，效率高，氣隙磁場可調(diào)等優(yōu)點，同步/永磁混合勵磁永磁電機在傳統(tǒng)的交流電機的應用領(lǐng)域具有較大的發(fā)展前景。兩極的勵磁繞組所需功率減小，因此電機外接整流器的容量也將減小，但是4極的永磁磁極與2極的電勵磁，在電機弱磁時6極電樞繞組的諧波含量將增大，同時產(chǎn)生的變化的電磁轉(zhuǎn)矩和脈正轉(zhuǎn)矩。分析這個問題需要更深入的分析這個電機內(nèi)部運行情況，全面了解電機的運行情況。參考文獻1 T. A. Lipo, “Recent Progress in the Developmcnt of Solid-State ACMo

17、tor Drives,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp.105117, April 1988.2 B. K. Bose, “Power Electronics and Motion ControlTechnologyStatus and Recent Trends,” IEEE Trans. Ind. Applic., vol. IA-29, no. 5,pp. 902909, Sep/Oct 1993.3 T. J. E. Miller, Brushless Permanent-Magnet and Reluctance M

18、otorDrives. Oxford: Clarendon Press, 1989.4 T. A. Lipo, “Synchronous Reluctance MotorA Viable Alternative forAdjustable Speed Drive?,” ElectricalMachines and Power Systems, vol.19, no. 6, pp. 659671, Sept. 1991.5 Y. Liao, F. Liang, and T. A. Lipo, “A Novel Permanent Magnet Motorwith Doubly Salient S

19、tructure,” in IEEE Industry Applications Soc.Conf. Rec., vol. 1, 1992, pp. 308316.6 X. Luo, Y. Liao, H. Toliyat, A. El-Antably, and T. A. Lipo, “MultipleCoupled Circuit Modeling of Induction Machines,” IEEE Trans. Ind.Applic., vol. IA-31, no. 2, pp. 311318, March/April 1995.7 X. Luo, A. El-Antably,