兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及特性分析.pdf

1、混合勵(lì)磁電機(jī)是在傳統(tǒng)永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)電勵(lì)磁繞組，進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整而形成的，電機(jī)內(nèi)永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)可設(shè)計(jì)成串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系和并列關(guān)系等?；旌蟿?lì)磁電機(jī)繼承了永磁電機(jī)的效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有調(diào)壓、調(diào)速等場(chǎng)合所需的磁場(chǎng)可調(diào)的特征，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電和汽車等領(lǐng)域具有未來(lái)可期的應(yīng)用前景。
　　本文提出了一種切向磁路和徑向磁路并聯(lián)的切向/徑向混合勵(lì)磁同步電機(jī)（T/R-HESM）。從T/R-HESM的基本電磁特性入手，

2、針對(duì)勵(lì)磁方案的選擇、運(yùn)行特性、損耗計(jì)算、效率分析和溫度場(chǎng)的求解等問(wèn)題開(kāi)展了深入的研究。
　　為解決T/R-HESM的無(wú)刷化勵(lì)磁，對(duì)T/R-HESM的電磁特性進(jìn)行定性分析，借鑒并改進(jìn)航空領(lǐng)域中電勵(lì)磁無(wú)刷同步電機(jī)的三級(jí)式方案。由于T/R-HESM中存在一定大小的初始永磁磁場(chǎng)，利用該部分磁場(chǎng)省去三級(jí)式方案中的永磁副勵(lì)磁機(jī)，提出了兩級(jí)式無(wú)刷勵(lì)磁方案（兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)，T-BHESM），主電機(jī)采用 T/R-HESM，勵(lì)磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)

3、電樞式交流發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)電能經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后，為主電機(jī)提供直流勵(lì)磁。鑒于主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)的空間分布特征，選擇二維非線性有限元法作為本文電磁場(chǎng)計(jì)算的主要方法。
　　首先，計(jì)算了主電機(jī)的磁場(chǎng)分布特征、磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性。為改善輸出電壓的波形品質(zhì)，分別從定子斜槽和轉(zhuǎn)子形狀等角度入手，一是對(duì)優(yōu)化前的相電勢(shì)諧波進(jìn)行了分析，比較了采用定子斜槽前后，相電勢(shì)諧波含量的變化，二是對(duì)優(yōu)化前的氣隙磁場(chǎng)諧波進(jìn)行了分析，研究了主電機(jī)轉(zhuǎn)子形狀對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響。

4、根據(jù)主電機(jī)的計(jì)算結(jié)果，明確了（主電機(jī)）對(duì)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁需求，確定了勵(lì)磁機(jī)的基本尺寸。對(duì)勵(lì)磁機(jī)的電磁磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，重點(diǎn)關(guān)注的是帶整流負(fù)載時(shí)勵(lì)磁機(jī)的電流放大能力。為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁能力的影響，計(jì)算了勵(lì)磁機(jī)氣隙磁場(chǎng)以及整流電壓等，隨極弧系數(shù)、氣隙長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。
　　為了研究 T-BHESM的運(yùn)行特性，對(duì)電感特性進(jìn)行了計(jì)算和分析。與傳統(tǒng)同步電機(jī)不同，由于主電機(jī)中切向磁路和徑向磁路兩者的耦合程度高，轉(zhuǎn)子上存在嚴(yán)重的磁飽

5、和。為解決這一問(wèn)題，引入了基于凍結(jié)磁導(dǎo)率思想的數(shù)值法計(jì)算電感，將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題。負(fù)載工作時(shí)，電機(jī)磁飽和程度受電勵(lì)磁磁勢(shì)、永磁磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)共同影響。為此，在對(duì)自感和互感分析的基礎(chǔ)上，研究了勵(lì)磁強(qiáng)度、負(fù)載大小等因素對(duì)交直軸電感的影響。以繞組電感為基礎(chǔ)，建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，基于該模型計(jì)算了主電機(jī)的外特性。
　　結(jié)合混合勵(lì)磁電機(jī)的固有特性，本文研究了 T-BHESM的損耗。首先，對(duì)電機(jī)中的典型損耗類型及其產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，

6、在此基礎(chǔ)上，確定采用數(shù)值法作為損耗計(jì)算的主要方法。計(jì)算了主電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速高低，以及帶載時(shí)負(fù)載大小、負(fù)載類型對(duì)鐵損的影響，并分析了鐵損分量的頻率特征。比較了永磁體采用不同分塊方案時(shí)，對(duì)渦流損耗的影響。研究結(jié)果表明，輕載時(shí)，主電機(jī)定子鐵損是損耗的主體，隨著負(fù)載增大，銅損逐漸成為電機(jī)損耗的另一主要部分；僅就主電機(jī)轉(zhuǎn)子而言，低速運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁損耗是損耗的主體，隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子鐵損和永磁體渦流損耗逐漸成為轉(zhuǎn)子損耗中不可忽視的另一主體?；?/p>

7、于上述損耗數(shù)據(jù)，計(jì)算了電機(jī)的效率，結(jié)果顯示額定運(yùn)行時(shí)效率高達(dá)90％以上。
　　采用有限元法對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。首先，定性分析了電機(jī)的熱傳遞路徑，考慮到電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，以電機(jī)的三維模型作為有限元計(jì)算的求解域。以前述的損耗數(shù)據(jù)作為熱源，計(jì)算了電機(jī)的溫度場(chǎng)，給出了空載時(shí)轉(zhuǎn)速高低、勵(lì)磁強(qiáng)度，以及帶載時(shí)負(fù)載大小、負(fù)載類型與溫升的關(guān)系。研究表明，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，T/R-HESM中位于轉(zhuǎn)子上的永磁體，溫度環(huán)境相對(duì)惡劣，這是因?yàn)橛来?/p>