混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)感應(yīng)磁性電動(dòng)勢(shì)分析

混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)感應(yīng)磁性電動(dòng)勢(shì)分析

1齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)混合磁強(qiáng)計(jì)的特點(diǎn)是，電機(jī)中同時(shí)存在兩種磁力源：磁性磁力和電磁性磁力。電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要是對(duì)永磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前,混合勵(lì)磁永磁電機(jī)已經(jīng)成為電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),現(xiàn)有的混合勵(lì)磁永磁電機(jī)方案中,有些方案的永磁磁動(dòng)勢(shì)和電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)在磁路上是串聯(lián)的,電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通路徑要經(jīng)過(guò)永磁體,導(dǎo)致勵(lì)磁損耗增大,電機(jī)效率降低,并且永磁體容易發(fā)生不可逆去磁。文獻(xiàn)提出的混合勵(lì)磁永磁電機(jī)方案,可以看成是一臺(tái)永磁同步電機(jī)和一臺(tái)電勵(lì)磁同步電機(jī)的復(fù)合,通過(guò)調(diào)節(jié)輸入到環(huán)形勵(lì)磁繞組中的電流,方便地實(shí)現(xiàn)了氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié),并取消了電刷和集電環(huán)。由于永磁磁動(dòng)勢(shì)和電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁路上相互獨(dú)立,降低了電機(jī)材料利用率,難以保證永磁電機(jī)高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)電機(jī)中還存在軸向磁場(chǎng)和附加氣隙,從而會(huì)降低電機(jī)的效率。但還有一類混合勵(lì)磁永磁電機(jī)方案,其結(jié)構(gòu)與普通永磁同步電機(jī)類似。不足之處在于仍保留了電刷和集電環(huán)等機(jī)械裝置,因此,研究和解決該類混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)無(wú)刷化的問(wèn)題具有非常重要的意義。利用氣隙中的齒諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)整流后提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組,可以方便地解決這一問(wèn)題。圖1是一臺(tái)齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)的截面圖和原理圖。定子與普通交流電機(jī)相同,只有一套電樞繞組;轉(zhuǎn)子上既有永磁體,又有齒諧波繞組和勵(lì)磁繞組。齒諧波繞組用于獲取電機(jī)中齒諧波磁場(chǎng)的能量,勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)用于調(diào)節(jié)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)。齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面均開(kāi)有槽,使得氣隙磁場(chǎng)中既有定子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波磁場(chǎng),又有轉(zhuǎn)子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波磁場(chǎng)。這些齒諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)整流后給勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,但在定子電樞繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì),將會(huì)導(dǎo)致定子電樞繞組電動(dòng)勢(shì)波形畸變。因此,一方面需要保證轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)足夠大,另一方面希望定子電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)盡可能小,如何正確處理這一矛盾是利用齒諧波實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁的關(guān)鍵。本文首先分析了定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中齒諧波電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,找到了影響定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小的主要因素,并進(jìn)行了詳細(xì)的討論,得出了一些有益的結(jié)論。2齒諧波磁通密度的確定對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī),定轉(zhuǎn)子表面均開(kāi)槽。當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用在定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽引起的齒諧波磁導(dǎo)上時(shí),氣隙中的齒諧波磁通密度為式中α—電角度;t—時(shí)間;vs,vr—定、轉(zhuǎn)子齒諧波磁導(dǎo)的階數(shù);ω—電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電角速度;p—電機(jī)基波極對(duì)數(shù);Λsνs,Λrνr—定、轉(zhuǎn)子各階齒諧波磁導(dǎo)幅值;Fmv—v次諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值,v為奇數(shù)。由式(1)可得,氣隙中的齒諧波磁通密度由三部分組成:一是定子開(kāi)槽產(chǎn)生的vsZ1/p±v次齒諧波磁通密度,將在定子電樞繞組中感應(yīng)v次齒諧波電動(dòng)勢(shì)以及在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)vsZ1/p次齒諧波電動(dòng)勢(shì);二是轉(zhuǎn)子開(kāi)槽產(chǎn)生的vrZ2/p±v次齒諧波磁通密度,將在定子電樞繞組中感應(yīng)vrZ2/p±v次齒諧波電動(dòng)勢(shì),在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中不會(huì)感應(yīng)齒諧波電動(dòng)勢(shì);三是定轉(zhuǎn)子同時(shí)開(kāi)槽產(chǎn)生的vsZ1/p±vrZ2/p±v次和vsZ1/p-vrZ2/p±v次齒諧波磁通密度,將在定子電樞繞組中感應(yīng)vrZ2/p±v次齒諧波電動(dòng)勢(shì)以及在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)vsZ1/p次齒諧波電動(dòng)勢(shì),由于與之相對(duì)應(yīng)的齒諧波磁導(dǎo)較小,因此,這部分齒諧波磁通密度相對(duì)較小,感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)也小。3電動(dòng)勢(shì)減弱的措施對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī),定子電樞繞組中的vsZ1/p±1次以及vrZ2/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)相對(duì)較強(qiáng),其大小主要取決于定轉(zhuǎn)子齒諧波磁導(dǎo)、定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極以及定子電樞繞組的節(jié)距和分布。因此,要使定子電樞繞組中齒諧波電動(dòng)勢(shì)盡可能小,可以從這些方面采取相應(yīng)的措施。對(duì)于定子開(kāi)槽產(chǎn)生的vsZ1/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)通?？刹捎脺p小定子齒諧波磁導(dǎo)、分?jǐn)?shù)槽繞組、定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極等方法削弱。因此,本文主要結(jié)合定子電樞繞組齒諧波電動(dòng)勢(shì)的影響因素討論削弱轉(zhuǎn)子開(kāi)槽在定子電樞繞組中產(chǎn)生的vrZ2/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)的措施。3.1磁通密度的影響當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一定時(shí),轉(zhuǎn)子齒諧波磁導(dǎo)越大,則氣隙中由于轉(zhuǎn)子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波磁通密度也越大,相應(yīng)地定子電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)也大。而轉(zhuǎn)子各階齒諧波磁導(dǎo)大小與氣隙長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子槽口寬度以及齒距有關(guān)。因此,可以采用增大氣隙,減小轉(zhuǎn)子槽口寬度或者磁性槽楔削弱轉(zhuǎn)子開(kāi)槽在定子電樞繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)。3.2轉(zhuǎn)子短距和分布受限時(shí)分布vrZ2/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)的短距系數(shù)和分布系數(shù)分別為式中y1—電樞繞組節(jié)距;τ—電機(jī)基波極距;α1—電機(jī)定子槽距電角度。從式(2)和式(3)中可以看出,與定子電樞繞組基波短距系數(shù)kd1、與定子電樞繞組基波分布系數(shù)kp1是否相等取決于定轉(zhuǎn)子的槽數(shù)。當(dāng)Z2為Z1整數(shù)倍時(shí),說(shuō)明此時(shí)不宜采用繞組的短距和分布削弱轉(zhuǎn)子開(kāi)槽在定子電樞繞組中產(chǎn)生的齒諧波電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)Z2不是Z1整數(shù)倍時(shí),只有在vrZ2為Z1的整數(shù)倍數(shù)時(shí),說(shuō)明可以通過(guò)繞組的短距和分布削弱轉(zhuǎn)子開(kāi)槽在定子電樞繞組中引起的齒諧波電動(dòng)勢(shì)。3.3齒諧波電動(dòng)勢(shì)的削弱程度當(dāng)電機(jī)定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極時(shí),沿電機(jī)軸向長(zhǎng)度方向每一截面的齒諧波磁場(chǎng)幅值相同,但相位上相差一個(gè)角度,相應(yīng)地,構(gòu)成定子電樞繞組每一根導(dǎo)體感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)在相位上也相差相同的角度,因此,導(dǎo)體中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)由直槽時(shí)的代數(shù)和變成斜槽或者斜極時(shí)的相量和。對(duì)于斜槽電機(jī),齒諧波電動(dòng)勢(shì)的削弱程度可用斜槽系數(shù)表示。k1次諧波的斜槽系數(shù)為式(4)說(shuō)明要完全消除電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì),必須使ksk=0,即斜過(guò)的距離bsk應(yīng)滿足bsk=2τ/k1這一關(guān)系。對(duì)于小型異步電機(jī)和同步電機(jī)通常斜一個(gè)定子齒距。為了分析方便,假設(shè)定子槽斜過(guò)的距離bsk=k2bst。其中,bst為1個(gè)定子齒距;k2為系數(shù),且0≤k2≤1。vrZ2/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)的斜槽系數(shù)為從式(5)可以看出,對(duì)于vrZ2/p±1次齒諧波電動(dòng)勢(shì)的削弱程度取決于定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。當(dāng)Z2為Z1整數(shù)倍,且k2=1時(shí),即斜1個(gè)定子齒距時(shí),對(duì)于任意的vr階齒諧波電動(dòng)勢(shì)都有很大的削弱作用。4波磁導(dǎo)、轉(zhuǎn)子斜槽以及轉(zhuǎn)子齒諧波組的連接方式影響轉(zhuǎn)子繞組齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小的主要因素有定子齒諧波磁導(dǎo)、定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極以及轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的節(jié)距和齒諧波繞組的連接方式。因此,要使轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中齒諧波電動(dòng)勢(shì)足夠大,可以從這些方面進(jìn)行分析。4.1齒諧波電動(dòng)勢(shì)當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一定時(shí),定子齒諧波磁導(dǎo)越大,則氣隙中由于定子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波磁通密度也越大,相應(yīng)地轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)也大。而定子各階齒諧波磁導(dǎo)大小與氣隙長(zhǎng)度、定子槽口寬度以及齒距有關(guān)。因此,對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī),可以通過(guò)增大定子齒諧波磁導(dǎo)的方法以增加轉(zhuǎn)子繞組的齒諧波電動(dòng)勢(shì),如增加定子槽口寬度和減小氣隙長(zhǎng)度。4.2齒諧波電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定當(dāng)電機(jī)斜槽時(shí),轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的vsZ1/p次齒諧波電動(dòng)勢(shì)的斜槽系數(shù)為式(6)說(shuō)明斜槽對(duì)轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)有削弱作用。當(dāng)k2=1時(shí),說(shuō)明任意階次的齒諧波電動(dòng)勢(shì)都不會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中,即轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的電動(dòng)勢(shì)為0,這對(duì)于利用齒諧波磁場(chǎng)來(lái)勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。4.3轉(zhuǎn)子齒諧波困擾的節(jié)距定子齒諧波磁導(dǎo)中起主導(dǎo)作用的是一階齒諧波磁導(dǎo),因此,對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī),主要利用基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用在定子一階齒諧波磁導(dǎo)上產(chǎn)生的一階齒諧波磁通密度在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的一階齒諧波電動(dòng)勢(shì)來(lái)勵(lì)磁。圖2為一階齒諧波磁通密度波形。在一階齒諧波磁通密度幅值和轉(zhuǎn)子齒諧波繞組總匝數(shù)一定的情況下,為了使一階齒諧波磁通密度在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)最大,需要合理地選擇轉(zhuǎn)子齒諧波繞組節(jié)距以及正確地連接齒諧波繞組。從圖2中可以看出,齒諧波磁通密度的波峰和波谷分別與定子的齒或者槽相對(duì)應(yīng),因此轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的節(jié)距應(yīng)為定子齒距的k/2倍(k為奇數(shù))。轉(zhuǎn)子齒諧波繞組可以采用單層繞組、雙層繞組或者單雙層繞組。以單雙層繞組為例說(shuō)明轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的連接:首先將主極磁場(chǎng)一極下的轉(zhuǎn)子槽中相鄰的導(dǎo)體兩兩構(gòu)成一個(gè)線圈,1號(hào)和2號(hào)槽內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成1號(hào)線圈,2號(hào)和3號(hào)槽內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成2號(hào)線圈,以此類推,8號(hào)和9號(hào)槽內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成8號(hào)線圈,然后將線圈的首端和首端,線圈的尾端和尾端相連得到一極下的齒諧波繞組,如圖3所示,最后再與其他極下的轉(zhuǎn)子齒諧波繞組串聯(lián)起來(lái)。對(duì)于整數(shù)槽繞組電機(jī),主極磁場(chǎng)相鄰極下的齒諧波磁通密度波形相反,因此,主極磁場(chǎng)相鄰極下的轉(zhuǎn)子齒諧波繞組應(yīng)反向串聯(lián)。對(duì)于分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī),主極磁場(chǎng)相鄰極下的轉(zhuǎn)子齒諧波繞組的連接需要根據(jù)氣隙磁場(chǎng)中齒諧波磁通密度的波形判斷。從上面的分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)在不考慮定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽的相互作用時(shí),改變轉(zhuǎn)子槽口寬度不會(huì)影響轉(zhuǎn)子繞組齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小。(2)定子電樞繞組的節(jié)距和分布對(duì)定子電樞繞組的齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小有影響,但不會(huì)影響齒諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)。(3)定子槽口寬度、氣隙長(zhǎng)度以及定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極不僅影響定子電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小,而且影響轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中齒諧波電動(dòng)勢(shì)的大小,并且兩者都是同時(shí)增加或者同時(shí)減小,因此,在設(shè)計(jì)齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)時(shí)需要協(xié)調(diào)控制,在保證轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)足夠大的情況下,使定子電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)盡可能小。5齒諧波勵(lì)磁回路開(kāi)口時(shí)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子數(shù)的變化為了驗(yàn)證理論分析的正確性,試制了一臺(tái)齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī),在電機(jī)的軸端安裝了電刷和集電環(huán),方便實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠直接測(cè)量轉(zhuǎn)子齒諧波繞組和勵(lì)磁繞組的電壓以及電流。電機(jī)參數(shù)為:額定功率3.25kW,額定電壓350V,額定電流5.96A,額定頻率50Hz,極對(duì)數(shù)3,相數(shù)為3,定子電樞繞組為Y形聯(lián)結(jié),并聯(lián)支路數(shù)為1,每相串聯(lián)匝數(shù)為180匝,轉(zhuǎn)子齒諧波繞組由兩條支路串聯(lián)而成,每條支路的線圈節(jié)距為3/2倍的定子齒距,總串聯(lián)匝數(shù)為240匝,勵(lì)磁繞組串聯(lián)匝數(shù)為330匝,定子斜槽,斜1/2個(gè)定子齒距,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1?；谟邢拊?對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了二維電磁場(chǎng)計(jì)算,應(yīng)用齒磁通法對(duì)電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理,得到了定子電樞繞組空載線電壓波形和有效值以及轉(zhuǎn)子齒諧波繞組開(kāi)路電壓波形和有效值,并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖4是電機(jī)直槽且齒諧波勵(lì)磁回路開(kāi)路時(shí)定子電樞繞組空載線電壓計(jì)算波形。圖5是定子斜槽且齒諧波勵(lì)磁回路開(kāi)路時(shí)定子電樞繞組空載線電壓計(jì)算波形和實(shí)驗(yàn)波形。圖6是定子斜槽且齒諧波勵(lì)磁回路開(kāi)路時(shí)轉(zhuǎn)子齒諧波繞組電壓計(jì)算波形和實(shí)驗(yàn)波形。表2是齒諧波勵(lì)磁回路開(kāi)路時(shí)定子電樞繞組空載線電壓和轉(zhuǎn)子齒諧波繞組電壓有效值的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的比較。當(dāng)電機(jī)直槽時(shí),盡管定子電樞繞組采用了短距、分布和分?jǐn)?shù)槽繞組,定子電樞繞組電壓波形中仍存在定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波電動(dòng)勢(shì),如圖4所示。當(dāng)電機(jī)定子斜槽,且斜1/2個(gè)定子齒距后,定子電樞繞組中的齒諧波電動(dòng)勢(shì)被大大削弱,如圖5所示,相應(yīng)地,轉(zhuǎn)子齒諧波繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也有所減小,約為直槽時(shí)的0.64,與理論分析吻合(見(jiàn)表2)。從圖5、圖6和表2可以看出,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,從而驗(yàn)證了理論分析和計(jì)算的正確性,為齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。6齒諧波勵(lì)磁的仿真計(jì)算采用理論分析方法找到了影響定、轉(zhuǎn)子繞組齒諧波電動(dòng)勢(shì)大小的主要因