永磁-感應子式混合勵磁發電機軸向力分析

余輝 施道龍 張登平

摘 要：針對永磁-感應子式混合勵磁發電機附加氣隙處的飽和磁密高，產生軸向力大，影響發電機軸承壽命及運行可靠性的問題，采用有限元法對永磁-感應子式混合勵磁發電機的磁路結構及勵磁電流對軸向力的影響進行了分析;采用優化設計的結果設計了樣機，進行了電機性能運行測試，結果表明，所做軸向力分析具有一定的準確性和參考價值。

關鍵詞：永磁-感應子;混合勵磁;結構;軸向力

0? ? 引言

永磁-感應子發電機在改變勵磁電流的過程中，其產生的輔助磁場在對主磁場進行相對增磁、去磁調節時，附加氣隙處的磁場強度會發生明顯變化，對發電機勵磁繞組會產生一定的軸向磁力。

本文以某永磁-感應子式發電機為研究對象，根據附加氣隙處場強特點，利用ANSYS有限元分析方法，計算勵磁繞組受軸向磁場力的大小，分析軸向磁場力造成的影響，優化電機的電磁結構設計，并通過樣機研制，驗證了磁路優化的有效性與軸向力分析的準確性。

1? ? 永磁-感應子式混合勵磁發電機軸向力產生機理

與其他混合勵磁發電機相比，永磁-感應子式混合勵磁發電機具有結構簡單，永磁磁路與電勵磁磁路相互獨立，無電刷和滑環裝置，附加氣隙少等優點。

1.1? ? 結構形式

永磁-感應子式混合勵磁發電機是結合永磁和感應子發電機優點形成的新型電機，共用電樞、齒槽等結構參數，其結構如圖1所示。兩者軸向并列，結構更加緊湊，整機重量勻稱分布，軸向細長結構使得發電機在高速旋轉工況下，轉子離心力更小，高速性能更優。

1.2? ? 軸向力分析

1.2.1? ? 磁路分析

發電機主磁路由永磁體部分提供磁通，磁回路與永磁發電機磁通路徑相同，如圖2所示。發電機電勵磁部分輔助磁通由勵磁繞組產生，磁通經過轉軸→轉子副極齒部→定轉子間氣隙→定子鐵芯→機殼→勵磁支架→附加氣隙再回到轉軸，形成閉合回路，如圖3所示。磁通路徑中不僅存在定轉子間的工作氣隙，還有附加氣隙的存在，與永磁體相比，輔助磁通路徑長，一定程度上削弱了電勵磁磁場的利用率。因此，需要根據磁路特點優化磁路結構，繼而提高電勵磁磁場的利用率。

發電機內部磁路包括徑向、軸向磁路，結構復雜，磁場分布不均勻，軸向磁路對轉子形成軸向力，磁場強弱及軸向力分布規律采用電磁場有限元方法進行詳細分析。

1.2.2? ? 軸向力數學模型

注入勵磁繞組電流，在勵磁電流磁勢與永磁體磁勢組合作用下，氣隙處的高磁密產生軸向磁力。磁勢根據基爾霍夫公式計算：

F1+F2=Φδ（Rδ+Rm+Rn）? （1）

式中，F1為勵磁電流產生的磁勢（A）;F2為永磁體產生的磁勢（A）;Φδ為永磁體產生的總磁通（Wb）;Rδ為工作氣隙磁阻（A/Wb）;Rm為磁性材料磁阻（A/Wb）;Rn為附加氣隙磁阻（A/Wb）。

F=BiL=（σΦδ/S）iL （2）

式中，σ為漏磁系數;S為附加氣隙磁場截面積（m2）;i為勵磁繞組線圈電流（A）;L為勵磁繞組線圈總長度（m）。

2? ? 有限元仿真分析

2.1? ? 附加氣隙磁場分析

混合勵磁發電機工作過程受勵磁電流大小和方向的影響，實現增磁、去磁調節。定義勵磁電流產生的磁場方向，軸向上由勵磁繞組側指向永磁體側的方向為正方向。經分析，添加正向勵磁電流時，發電機輔助激磁磁場與永磁體工作磁場基本同向，實現增磁，此時附加氣隙處磁場指向永磁體。當勵磁電流反向時，勵磁輔助激磁磁場與永磁體工作磁場正好相反，從而削弱了主磁場強度，同時，附加氣隙處的磁場由永磁體指向感應子側，實現弱磁運行。磁力線分布在附加磁場處的密度較大，從而證明了增磁、去磁運行過程中，附加氣隙處磁場強度相比于發電機內部其他位置而言是最大的。

2.2? ? 軸向力仿真計算

為了便于識別勵磁電流大小對勵磁繞組受力大小的影響，從正向和反向勵磁電流兩個方面對軸向磁力進行分析。當運行工況是勵磁電流為正向、反向電流時，發電機內部磁場對激磁繞組產生的磁力密度如圖4、圖5所示。

激磁繞組在附加氣隙處的軸向磁場力與激磁繞組磁力密度和勵磁繞組的體積有關，感應子部分的勵磁繞組部分體積約0.631 78×10-4 m3，由軸向磁力公式（3）計算，可得感應子軸向磁力特性如表1所示，與之對應，轉子同時也受到相反的軸向力作用。

F=m×V? （3）

式中，m為磁力密度（N/m3）;V為感應子體積（m3）;F為軸向磁力（N）。

永磁-感應子式混合勵磁發電機在電勵磁輔助磁場的作用下，磁場分布隨勵磁電流的大小和方向變化而變化。正向和反向勵磁過程中，勵磁繞組在附加氣隙磁場作用下，其軸向力互為反向。

3? ? 樣機試驗

根據軸向磁力計算結果對磁路結構進行優化，采用優化后的電磁結構設計結果制造了原理樣機，發電機實物如圖6所示。

采用原動機拖動發電機運轉，在外加勵磁電流控制器、整流測試橋等聯合輔助測試設備下進行性能試驗，永磁-感應子式混合勵磁發電機在不同工況下的運行特性如表2所示。

經過發電機磁路、磁場分析，將有限元計算方法運用在電磁軸向力計算中，在優化發電機磁路結構后制造的原理樣機，性能穩定可靠，軸向磁力在可承受范圍內，發電機運行正常，由此可知仿真分析及優化過程合理有效。

4? ? 結語

本文以某永磁-感應子式混合勵磁發電機為例，對軸向磁力產生機理及磁場分布進行了詳細分析，得出永磁-感應子式混合發電機所受軸向磁力與激磁電流的大小與方向有關的結論。采用優化后的磁路結構，樣機性能穩定，可有效減少軸向力的沖擊，從而實現穩定可靠運行。

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收稿日期：2020-03-24

作者簡介：余輝（1992—），女，四川廣安人，助理工程師，主要從事航空高速、多通道精密微特電機技術研究工作。