同步永磁混合励磁永磁电机.doc

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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，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，为一相绕组感应的反电动势，在第一种工况下通入正向的励磁电流，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相反，则绕组的反电动势为：(14)如图5所示。在第二种工况下，励磁电流为零，绕组反电动势为(15)如图6所示。第三种工况励磁电流为负，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相同，绕组反电动势为(16)图5通入正向励磁电流时反电动势图6通入励磁电流为零时反电动势图7通入负向励磁电流时反电动势如果机电通入一个正弦波反电势(17)因为=电路反电势也可以写成这表示为 (18)式中可通过，但是永磁磁极下的气隙磁密几乎保持不变。3．电路模型从同步/永磁混合电机的结构可以看出，这种新型电机结合了永磁机与同步电机的优点，电机两点优点使之不同于普通同步电机与永磁电机，优点一同步/永磁混合电机与永磁电机相比气隙磁场可调，优点二同步/永磁混合电机的电枢反应比普通的同步电机小，电机的端电压范围较大A：稳态模型同步电机和永磁电机通入正弦波形时，电压方程是(19)功率方程是（20）式中是反电动势和端电压的向量夹角，由电机的磁势源不同，因此它不同于同步电机和永磁电机。在式（19）中，相量图表示了弱磁工况,电压为常数,由于反电动势可以由励磁电流控制,电枢电流向量可假定它垂直，仅有q轴电流。在弱磁进，电流与电压，由于假定电流只有q轴方向，因此电压方程是（21）相应的相量图所示图8。由于电压为常值，垂直于电压向量，（22）等式（22）除以，可得（23）设额定转速为，为保证电流，最大转转速为在最小磁链为1/k时转速为（24） 图8忽略绕组电阻时电路电压方程最大速度时方程（25）经过一些代数之间的关系最大速度和额定转速的关系（26）式中当速度为时，q轴电抗。当和，则速度范围约为理想情况下的2.29的情况。结果表明转速不超过3为了达到更宽的调节范围，将减小。B.暂态模型同步/永磁混合电机的瞬态模型结合了同步电机的瞬态模型与永磁电机的瞬态模型，当转子没有阻尼条时电机的方程如下所示。（27）（28） 4．耦合电路仿真交流电机的d-q模型是已经确定并已经广泛应用电机分析中。它是基于定子绕组正弦排布与气隙磁密为正弦分布的假设。但是这些假设并合适于所有电机如凸极永磁电机，感应电机，同步磁阻电机，在一相短路或开路时。同步/永磁混合电机的电路方程可以写成（29）（30）（31）（32）定子电阻的对角矩阵转子电阻的对角矩阵定子电感矩阵转子电感矩阵定子对转子互感矩阵转子对定子互感矩阵定子电流矢量转子电流矢量定子电压矢量转子电压矢量由永磁体产生的磁链与定子绕组相耦合由永磁体产生的磁链与转子绕组相耦合电机的转矩为（33）机械平衡转矩 （34）（35）式中为机械角度为机械转速为负载转矩电机转子的转动惯量图9倒数气隙在和图104极电机的绕组函数法A．计算电感显然，在准备阶段准确计算电机所有电感矩阵时电机仿真的关键，有很多方法用来计算电机电感，如有限元法，磁路法。但是绕组函数法是一种最常用的方法，假定电机定子与转子的铁磁为线性材料。根据绕组函数法，互感是两个绕组和在电机中的互感，可用下面等式计算（36）式中表示转子位置与定子参考量之间的夹角表示特定的角位置沿定子内表面在位置和时气隙长度的倒角表示绕组长度气隙平均半径矩阵是绕组函数法，它表示第个绕组通入单位电流时电机内的磁动势分布，图9，图10分别给出了两个例子说明。一个绕组在位置时绕组分布。计算线圈电感与转子角位置曲线图中显示如图11（a）（b）和（c）。从曲线可以看到，在铁磁磁极下 的位置线圈自感达到其最大价值。结果说明，在这两个铁磁磁极下阻磁相对较小图11（d）的计算表明，电路自感曲线与转子角位置有关。有6个地方的电感达到最大值由于串联成线圈电路相关。图11计算绕组与电路电感图12永磁体产生的气隙磁密B.永磁磁极产生的磁链计算永磁磁极产生磁链的计算问题是在仿真另一个重要的问题，完成仿真模型的建立后，即可计算气隙磁密的大小，如图12所示计算了气隙磁密的分布。计算出永磁体产生的气隙磁密之后，可画出由永磁磁极产生的磁密曲线，得出每一个绕组的磁链如下公式所示（37）式中为永磁体的气隙磁密，绕组位置第1条边，绕组位置第2条边。绕组匝数，气隙平均长度，铁心有效长度。该电路所有的线圈磁链的总和计算公式如下：（38）式中为线圈号数，为联接线圈方式 图13电路与线圈的计算磁链图14.不通入励磁电流时同步/永磁混合电机的仿真图13（d)所示曲线可以看出电路的磁链曲线当转子旋转某一位置时，曲线表明电路的端口，有6个极，在同一相下线圈联接通过所有极C．仿真采用电路方程对同步/永磁混合电机进行仿真可得出电机的各方面性能。转子各独立参数如电感，可查找根据转子的位置如前所述。图14和图15分别仿真结果。从图中曲线可以看出，同步/永磁混合电机输入可调节电流，在提高转矩时，有更高的功率与速度调节范围比相同的永磁电机。计算机控制电流调节脉宽用于控制定子与转子电流。在弱磁时电机的可达到1.3到2.7倍或更大比没有电流调节的电机5．有限元分析为验证理想的磁路分析的结果正确性，分别对各种工况做了有限元计算，在ANSOFT的二维模型中计算，图16表明了励磁绕组通入正向电流时电机内的磁场分布，属于磁场增磁。图17表明励磁电流为零时电机内的磁场分布，图18表明励磁绕组为负即去磁作用时电流为去磁时磁场分布。从有限元计算结果可以看出励磁绕组确实可以改变气隙磁场的分布。图16六极磁场分布通入正向电流图17六极磁场分布励磁电流为零图18六极磁场分布通入负向电流 6．结论本文介绍了一种新的同步/永磁混合励磁永磁电机并分析了它的工作原理，它既能作为电动机运行又能作为发电机运行，本文虽然只介绍了6极电机，电机也可以设计为8极电机运行其中4极为电励磁4极为永磁磁极。同步/永磁混合励磁永磁电机在磁场有较强的调节能力，电机弱磁时可在高速下运行，由于永磁体作用电机的效率高，功率密度大。同时与普通的永磁电机相比气隙磁场变得可调。但是仍需要电刷与滑环。当电机弱磁高速运行时，在两个永磁磁极之间的定子轭部磁密仍然较高，因此也将导致定子铁损耗。考虑到电机功率密度大，效率高，气隙磁场可调等优点，同步/永磁混合励磁永磁电机在传统的交流电机的应用领域具有较大的发展前景。两极的励磁绕组所需功率减小，因此电机外接整流器的容量也将减小，但是4极的永磁磁极与2极的电励磁，在电机弱磁时6极电枢绕组的谐波含量将增大，同时产生的变化的电磁转矩和脉正转矩。分析这个问题需要更深入的分析这个电机内部运行情况，全面了解电机的运行情况。参考文献[1]T.A.Lipo,“RecentProgressintheDevelopmcntofSolid-StateACMotorDrives,”IEEETrans.PowerElectronics,vol.3,no.2,pp.105–117,April1988.[2]B.K.Bose,“PowerElectronicsandMotionControl—TechnologyStatusandRecentTrends,”IEEETrans.Ind.Applic.,vol.IA-29,no.5,pp.902–909,Sep/Oct1993.[3]T.J.E.Miller,BrushlessPermanent-MagnetandReluctanceMotorDrives.Oxford:ClarendonPress,1989.[4]T.A.Lipo,“SynchronousReluctanceMotor—AViableAlternativeforAdjustableSpeedDrive?,”ElectricalMachinesandPowerSystems,vol.19,no.6,pp.659–671,Sept.1991.[5]Y.Liao,F.Liang,andT.A.Lipo,“ANovelPermanentMagnetMotorwithDoublySalientStructure,”inIEEEIndustryApplicationsSoc.Conf.Rec.,vol.1,1992,pp.308–316.[6]X.Luo,Y.Liao,H.Toliyat,A.El-Antably,andT.A.Lipo,“MultipleCoupledCircuitModelingofInductionMachines,”IEEETrans.Ind.Applic.,vol.IA-31,no.2,pp.311–318,March/April1995.[7]X.Luo,A.El-Antably,andT.A.Lipo,“MultipleCoupledCircuitMod-elingofSynchronousReluctanceMachines,”inIEEEIndustryApplica-tionsSoc.Conf.Rec.,vol.1,1994,pp.281–289.[8]T.A.Lipo,“TheoryandControlofSynchronousMachines,”ECEDe-partment,UniversityofWisconsin-Madison,CourseNotesforECE5ll,1995.