混合勵磁無刷直流電機(jī)的三維有限元分析

混合勵磁無刷直流電機(jī)的三維有限元分析

1并流式混合勵磁電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)湓诨旌洗朋w中，有兩個磁勢源：永磁和電磁干燥。它的有效結(jié)合充分利用了永磁電阻器和電磁干燥的優(yōu)點(diǎn)。因此,混合勵磁電機(jī)的高功率密度和寬的磁場調(diào)節(jié)范圍等突出優(yōu)點(diǎn)使其在電動汽車和航空電源系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有混合勵磁電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)涠鄻?大致可以分成以下兩類:串聯(lián)混合勵磁和并聯(lián)混合勵磁。結(jié)構(gòu)簡單,電機(jī)內(nèi)部整體氣隙磁場可調(diào)是串聯(lián)混合勵磁電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn);而并聯(lián)混合勵磁電機(jī)基本都具有勵磁調(diào)節(jié)效率高的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)對比分析了串聯(lián)雙勵磁電機(jī)和并聯(lián)雙勵磁電機(jī)開路氣隙磁場調(diào)節(jié)能力。由于串聯(lián)混合勵磁電機(jī)內(nèi)部的電勵磁磁通需要穿過磁導(dǎo)率相對較低的永磁體,因此串聯(lián)混合勵磁電機(jī)的勵磁效率一般要低于并聯(lián)混合勵磁電機(jī)。當(dāng)永磁體和電勵磁繞組都安裝在定子上,有利于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)混合勵磁電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)。并列式混合勵磁電機(jī)的研究越來越受學(xué)者們的關(guān)注,文獻(xiàn)提出和研究了不同的新型并列式混合勵磁電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?。文獻(xiàn)提出了一種并列式混合勵磁交流同步發(fā)電機(jī),由永磁同步電機(jī)和電勵磁同步電機(jī)并列組合而成,然而其采用交流勵磁,勵磁控制復(fù)雜,勵磁效率相對較低。文獻(xiàn)研究了一種并列式混合勵磁雙凸極電機(jī),包括電勵磁雙凸極和永磁雙凸極兩個部分。這些都屬于并列式混合勵磁電機(jī)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),容易實(shí)現(xiàn)雙向勵磁調(diào)節(jié)是這些混合勵磁結(jié)構(gòu)拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢。電勵磁雙凸極電機(jī)(DSEM)可靠性高,勵磁無刷,但功率密度相對較低,重載時電樞反應(yīng)嚴(yán)重。永磁同步電機(jī)(PMSM)由于其高功率密度和高效率而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中,但內(nèi)部磁場難以調(diào)節(jié)。考慮在永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上引入電勵磁雙凸極電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)整個電機(jī)內(nèi)部磁場的靈活調(diào)節(jié),本文提出了并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)(PHE-BLDCM),是永磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)兩部分的有效組合,力求在繼承永磁同步電機(jī)高功率密度優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,利用電勵磁雙凸極電機(jī)磁場可調(diào)的特點(diǎn)克服永磁同步電機(jī)電樞繞組磁通難以調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單,勵磁無刷的混合勵磁電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?。本文給出了并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)有效結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原則,并仿真分析了該混合勵磁電機(jī)的磁場分布和輸出電壓調(diào)節(jié)能力。2并列式混合勵磁電機(jī)磁場調(diào)節(jié)范圍的確定圖1給出了并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),左半部分是電勵磁雙凸極電機(jī)部分,右半部分為永磁同步電機(jī)部分。兩部分定子安裝在同一機(jī)殼內(nèi),轉(zhuǎn)子同軸安裝旋轉(zhuǎn),勵磁繞組安裝在電勵磁雙凸極電機(jī)部分的定子上。兩部分共用一套電樞繞組,混合勵磁電機(jī)電樞繞組總的感應(yīng)電動勢是電勵磁部分和永磁部分兩者感應(yīng)電動勢之和。另外,兩部分磁路相互獨(dú)立,電勵磁部分無附加氣隙,勵磁效率高。如圖1所示,盡管兩部分之間軸向間距氣隙大,磁阻大,兩部分磁路相互獨(dú)立,但是穿過整個電樞繞組的磁通是永磁磁通和電勵磁磁通之和。如圖2所示,空載時永磁磁通保持恒定,電勵磁磁通可以通過勵磁電流來調(diào)節(jié)大小和方向,整個混合勵磁電機(jī)的磁通可以表示為因此,決定混合勵磁無刷直流電機(jī)磁場調(diào)節(jié)范圍的關(guān)鍵參數(shù)在于對電勵磁磁通這一變量的設(shè)計(jì)。為了說明并列式混合勵磁電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)范圍,定義參量另外,每匝線圈的總磁鏈可以表示為式中,為每匝線圈的永磁磁鏈和電勵磁磁鏈?？蛰d條件下,ψpm基本不變,ψem隨著勵磁電流變化而變化,則并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向勵磁調(diào)節(jié),ψmax和ψmin可以表示為式中,的最大值。通常,設(shè)計(jì)并列式混合勵磁無刷直流電機(jī),需要通過調(diào)節(jié)電勵磁和永磁勵磁兩部分鐵心長度從而使ψemmax=ψpm。因此,根據(jù)以上各式可以得出Kψ趨向于無窮大。設(shè)計(jì)并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)在于能否通過調(diào)節(jié)電勵磁部分勵磁電流來抵消永磁部分的磁場,實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部繞組短路故障時的高效滅磁。當(dāng)電勵磁磁鏈ψem反向最大時,每匝線圈感應(yīng)電動勢幅值接近為零,以此限制線圈短路時繞組回路的短路電流。3電機(jī)組合方案設(shè)計(jì)不同類型電機(jī)并列組合的難點(diǎn)在于不僅要滿足磁場調(diào)節(jié)要求同時也要充分發(fā)揮兩部分電機(jī)的最大優(yōu)勢。因此本文重點(diǎn)研究兩種不同類型電機(jī)基本組合方案,同時優(yōu)化設(shè)計(jì)雙凸極電機(jī)相電動勢波形滿足其與永磁同步電機(jī)相電動勢波形的高效疊加。另外,兩種繞組結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)都能確保電機(jī)故障滅磁功能。3.1永磁同步電機(jī)的規(guī)制設(shè)計(jì)方案并列式混合勵磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的基本條件主要是保證兩部分電樞繞組實(shí)現(xiàn)直接串聯(lián)?？傮w上,實(shí)現(xiàn)兩類電機(jī)的并列組合,永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)必須與電勵磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)合理匹配。(1)由于電勵磁雙凸極電機(jī)的電氣頻率為f=npr/60,pr是轉(zhuǎn)子極數(shù);因此電勵磁雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)必須和永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同,從而確保兩部分的電氣頻率相同。(2)一般的永磁同步電機(jī)的定子齒數(shù)是電勵磁雙凸極電機(jī)定子極數(shù)的2倍。(3)兩部分電樞繞組都采用集中繞組分布形式。例如,以傳統(tǒng)三相電機(jī)為例,當(dāng)電勵磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)為3N/2N(N為大于1的整數(shù))極結(jié)構(gòu),對應(yīng)的永磁同步電機(jī)相應(yīng)的為6N槽/4N極結(jié)構(gòu)。如圖3所示是三相并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)兩部分的截面圖。圖3給出了兩種不同的永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu):圖3a是3相24槽/8對極,雙層集中繞組永磁同步電機(jī)截面圖;圖3b是3相24槽/8對極結(jié)構(gòu),單層集中繞組不等齒寬永磁同步電機(jī)截面圖。圖3c是與永磁同步電機(jī)對應(yīng)的3相12/8極結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)截面圖。如圖所示,三相電樞繞組相位和空間位置分布相同,如永磁同步電機(jī)的三相定子齒Ap,Bp,Cp分別對應(yīng)雙凸極電機(jī)的三相定子極Ae,Be,Ce。以A相為例,定子齒Ap和定子極Ae分布在同一機(jī)械角位置,根據(jù)兩類電機(jī)的電動勢星形圖,定子齒Ap和定子極Ae的相位也相同,因此,兩部分電樞繞組可實(shí)現(xiàn)直接串聯(lián)。圖4是三相并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖,其由圖3a永磁同步電機(jī)和圖3c電勵磁雙凸極電機(jī)組合而成。3.2極電磁極電機(jī)轉(zhuǎn)子極弧對磁鏈密度的影響每相電樞繞組穿過永磁同步電機(jī)定子齒和電勵磁雙凸極電機(jī)的定子極,每相電樞繞組感應(yīng)電動勢是永磁部分和電勵磁部分的電樞繞組感應(yīng)電動勢總和。當(dāng)電勵磁磁通變化方向和永磁磁通變化方向一致時,電樞繞組內(nèi)部電勵磁感應(yīng)電動勢和永磁感應(yīng)電動勢方向相同,屬于增磁狀態(tài);反之電樞繞組內(nèi)部電勵磁感應(yīng)電動勢和永磁感應(yīng)電動勢方向相反,屬于弱磁狀態(tài)。然而,傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的相電動勢波形不同于電勵磁雙凸極電機(jī)的相電動勢波形,因此為了保證兩部分相電動勢波形高效疊加,需要深入研究兩部分相電動勢波形優(yōu)化方案。傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的相電動勢波形為正弦波或梯形波,而雙凸極無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子極弧等于定子極弧時輸出功率較大,但此時其相電動勢波形半個周期內(nèi)前后不對稱,與永磁電機(jī)的梯形波電動勢存在顯著差異。圖5a所示為12/8極電勵磁雙凸極電機(jī)不同轉(zhuǎn)子極弧對相磁鏈的影響,隨著轉(zhuǎn)子極弧的增加,磁鏈最大值減小,最小值增大,磁鏈最大值處臺階減小;圖5b所示,隨著轉(zhuǎn)子極弧的增大,相電動勢波形近似梯形波,但幅值略有下降。永磁同步電機(jī)采用集中繞組分布方式,相感應(yīng)電動勢近似梯形波,如圖5b所示。比較不同轉(zhuǎn)子極弧下電勵磁雙凸極電機(jī)的相電動勢波形和永磁同步電機(jī)相電動勢波形,轉(zhuǎn)子極弧為20°為宜,永磁同步電機(jī)部分和電勵磁雙凸極電機(jī)部分的相感應(yīng)電動勢波形近似,因此兩部分感應(yīng)電動勢疊加更加高效合理。因?yàn)閮刹糠指袘?yīng)電動勢波形近似梯形波,該并列式混合勵磁電機(jī)比較適合作為直流電動機(jī)或發(fā)電機(jī)。3.3直流電機(jī)變換結(jié)構(gòu)以圖4中三相并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)為例,本文設(shè)計(jì)了兩種電樞繞組連接方案。對于多相電機(jī)繞組設(shè)計(jì)基本遵循三相電機(jī)原則。當(dāng)永磁同步電機(jī)采用圖3a所示傳統(tǒng)等齒寬定子結(jié)構(gòu),并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)繞組采用如圖6a所示結(jié)構(gòu)。當(dāng)永磁同步電機(jī)的定子為如圖3b所示不等齒寬結(jié)構(gòu)時,如圖6b所示繞組結(jié)構(gòu)比較適合。如圖6b所示,電樞繞組每匝線圈間隔一個定子齒嵌線,寬齒繞線,窄齒作為容錯齒,相與相之間物理隔離和電氣隔離。由于電樞繞組每匝線圈穿過永磁同步電機(jī)的定子齒和電勵磁雙凸極電機(jī)的定子極,穿過電樞繞組的磁通由電勵磁磁通和永磁磁通兩部分組成,因此調(diào)節(jié)電勵磁部分的勵磁電流可以有效調(diào)節(jié)整個電樞繞組的磁通。更重要的是,當(dāng)并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生短路,通過勵磁電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)反向弱磁,可以抵消永磁部分磁通,從而實(shí)現(xiàn)整個電機(jī)的短路故障滅磁。4列出設(shè)備及場路耦合并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)由電勵磁雙凸極電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩部分組成,兩部分磁路相互獨(dú)立,考慮到二維有限元仿真效率更高,分別建立永磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)的仿真模型,深入研究兩部分各自的輸出特性。下表給出了永磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)兩部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖7a給出了空載下永磁同步電機(jī)部分的相電動勢波形;圖7b所示為電勵磁雙凸極電機(jī)空載下不同勵磁電流相電動勢波形。兩部分相電動勢波形都是梯形波,從而保證相電動勢波形的高效疊加,如圖7c所示為兩部分相電動勢波形疊加結(jié)果。從圖中可以看出,通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和方向,可以實(shí)現(xiàn)整個直流電機(jī)相電動勢的增大或減小。當(dāng)勵磁電流為-10A,相電動勢幅值接近為零。為了進(jìn)一步研究驗(yàn)證并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)輸出特性及磁場調(diào)節(jié)能力,建立并列式混合勵磁電機(jī)的三維有限元模型,并對其進(jìn)行了仿真研究,圖8所示為3D有限元網(wǎng)格剖分。研究分析并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)基本輸出特性,作為三相無刷直流發(fā)電機(jī)在軟件Maxwell3D里建立模型進(jìn)行場路耦合分析。通過三相全橋整流電路與發(fā)電機(jī)三相電樞繞組連接,實(shí)現(xiàn)整流輸出直流電壓。如圖9所示為不同勵磁電流下轉(zhuǎn)子位置不變,軸向氣隙磁通密度分布圖,盡管永磁同步電機(jī)部分氣隙磁通密度基本保持不變,電勵磁雙凸極電機(jī)部分的氣隙磁通密度通過勵磁電流的調(diào)節(jié)容易,因此整個并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)的平均氣隙磁通密度隨著勵磁電流的變化而變化。圖10給出了轉(zhuǎn)速6000r/min時不同勵磁電流下,相繞組磁鏈波形。當(dāng)對比勵磁電流為零時,相磁鏈增大,屬于增磁狀態(tài);反之,相磁鏈減小,屬于弱磁狀態(tài)。從圖中可以看出雙向勵磁調(diào)節(jié)作用明顯,相電壓可以通過勵磁電流有效調(diào)節(jié)。此外,相磁鏈并非像傳統(tǒng)混合勵磁電機(jī)可以完全弱磁到零,而是固定在某一恒定值,相應(yīng)的相感應(yīng)電動勢為零,其主要是雙凸極電機(jī)部分磁鏈單極性脈動原理決定的。當(dāng)勵磁電流5A,轉(zhuǎn)速6000r/min,空載時并列混合勵磁無刷直流電機(jī)三相感應(yīng)電動勢如圖11所示。A、B、C三相感應(yīng)電動勢波形對稱,且各相近似梯形波。如圖12所示給出了并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)在轉(zhuǎn)速6000r/min時的空載特性。定義電壓調(diào)節(jié)系數(shù)uf06c為式中,U為直流輸出電壓;U0為直流勵磁電流為0時輸出電壓。當(dāng)勵磁電流從-10A到10A變化時電壓調(diào)節(jié)系數(shù)從-79%到+84%。圖13是勵磁電流10A,轉(zhuǎn)速6000r/min時并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)以及永磁部分和電勵磁部分的負(fù)載特性曲線。并列式混合勵磁無刷直流電機(jī)的電壓調(diào)整率在永磁部分和電勵磁部分之間。整個混合勵磁電機(jī)輸出功率是永磁部分和電勵磁部分的總和,最大輸出功率達(dá)19.8kW。5基于二維有限元法的轉(zhuǎn)子極弧設(shè)計(jì)本文探索研究兩種不同類型無刷電機(jī)組合以構(gòu)成新型混合勵磁無刷直流電機(jī)的可行性和運(yùn)行特性。給出滿足電機(jī)氣隙磁場可調(diào)和繞組短路故障滅磁要求下的兩類電機(jī)組合原理和約束條件,主要包括永磁同