同步永磁混合励磁永磁电机.doc

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1、同步/永磁混合励磁永磁电机XiaogangLuo,Member,IEEE,andThomasA.Lipo,Fellow,IEEE摘要—本文提出了一种同步/永磁混合（SynPM）电机结果表明，这种电机机具有良好的功率密度和效率.具有良好的调控性.工作原理、有限元分析与这台电机的仿真都在这篇文章中介绍关键词——弱场，混合，永磁电机，同步电机1．导言随着电力电子技术，控制技术，和微电子技术的发展，在许多应用场合中，交流电机正在取代直流电机[1][2]。同时，关于电机在交流传动系统中的运用，已经做出了大量的研究[1][3][4]。各种电机广泛应用于传动系统如：感应电机、无刷永磁直流电机、可

2、变磁阻电动机、同步磁阻电机[2]在过去二十年中，永磁（PM）材料迅速发展。永磁电机因为其良好的功率密度大和效率高等优点，越来越受欢迎特别是对于小额定功率电机。永磁电机取消了存在于一般电机中的励磁绕组。最近，随着高矫顽力、高剩余磁通密度和高能量的永磁材料的发现，使永磁电机气隙磁通密度可进一步提高，电机的功率密度也得到了进一步增大。然而，永磁材料磁导率较低，因此要改变永磁体磁通需要一个较大的磁动势。当电机需要弱磁运行时，这样就大大限制了永磁电机在高速场合的应用。另一方面，同步电机有很好磁场调节能力。这是由于其气隙小同时电机转子上有一套励磁绕组。然而，将导致电机成励磁绕组损耗，同时电机的

3、滑环与电刷使电机运行不稳定。本文提出了一种新型的同步/永磁混合励磁永磁电机，电机转子分别有永磁体与励磁绕组，其中有四个永磁极和两励磁绕组；定子与普通的电励磁电机相同。电机内的磁场主要由四个永磁体提供，励磁绕组在电机中主要是起调节作用。通过改变转子励磁绕组的电流方向，改变两个励磁绕组所在磁极的磁势方向，电机可在增磁或去增下运行。虽然电机中仍然存在滑环与电刷，但是当电刷不能使用时也不会造成严重的问题，由于电机中永磁体仍将提供气隙磁通。当转子不通入励磁电流时，由于永磁体有较高的矫顽力，气隙中也存在较大的气隙磁密通。2．工作原理同步/永磁混合励磁永磁电机结构如图1所示。电机共有6个磁极，其

4、中4个是永磁磁极，2个是电励磁磁极。总的来讲，这种电机的运行原理与普通永磁电机类似，但这种电机的气隙磁场可调A理想磁路分析为了便于理解工作原理，假定了一个理想磁场因此有以下几点假设1.铁磁材料为线性材料2.忽略电机的边缘与端部漏抗3.在每个极下磁通均匀分布4.在两个磁极间磁通均匀分布5.定子与转子磁极表面光滑图1同步/永磁混合励磁永磁电机结构示意图图2永磁极等效电路1)永磁磁极等效电路：根据“诺顿”的等效电路一个永磁极可等效为一个磁通发生器与一个漏磁的并联，如图２所示。式１与式２表示出了计算公式(1)(2)式中：表示永磁磁极的有效磁通面积永磁磁极磁化方向长度剩余磁通密度永磁体的相对

5、磁导率根据戴维南定理，等效电路可用磁动势m与磁阻抗的串联表示，可如图2（b）所示（3）（4）图3六极同步/永磁混合励磁永磁电机的磁路模型根据永磁体的等效电路方程，同步/永磁混合励磁永磁电机的电路模型如图3所示，图中两个环表示定子轭部与转子轭部，12个磁阻与6个磁势源。在模型中表示电励磁磁极气隙磁阻，可由下式计算得到（5）式中表电励磁绕组的气隙长度，表示铁磁磁极磁通经过的面积。（6）是表示永磁磁极的磁阻（7）是表示两个磁极间漏磁磁阻，式中表示漏磁路的长度表示漏磁路的面积表示永磁磁极的磁动势表示铁磁磁极励磁绕组的磁动势磁路等效电路图如下式所示：（8）式中表示转子磁势（将定子作为零磁势参

6、考点）表示磁动势第i条支路表示磁阻第i条支路由于永磁磁极与励磁绕组都是成对的关系，因此总是为零。求解方程（8）令因此第条支路的磁通为所以，励磁绕组的磁通为永磁磁极的磁通为由方程（11）表明，由于铁磁磁极的气隙磁阻小，改变铁磁磁极的磁动势可很容易改变气隙磁密的大小。但是由于永磁磁极的磁阻较大，因此永磁磁极的气隙磁密变化较小。图4一相绕组的反电动势同步/永磁混合励磁永磁电机的电枢绕组连接方式，假定转子的转速衡定，励磁绕组改变电流，即可变化绕组电压的反电动势。2）一相绕组的反电势：一相绕组感应电压（13）随着转子绕组，每一相绕组经过两个永磁磁极与一个铁磁磁极，由于铁磁磁极中电流方向可调，

7、一相绕组反电动势波形如图4所示，图4（a）中表示励磁绕组为增磁作用时反电动势波形，图4（b）中表示励磁绕组不通入电流时反电动势波形，图4（c）中表示励磁绕组为弱磁作用时反电动势波形。图4表示一相绕组在三种工况下的反电势波形，但电机绕组由三相绕组组成，其它两相反电动势波形与其类似。所以在任何时刻总有两个永磁磁极和一个铁磁磁极的影响。图5,6,和7分别表示三相绕组反电动势在铁磁磁极励磁电流为正，励磁电流为零，励磁电流为负时电动势波形。在三种工况下，假定转子转速衡定，为一相