文档介绍：同步/永磁混合励磁永磁电机
Xiaogang Luo, Member, IEEE, and Thomas A. 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,、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
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。
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
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
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