混合勵磁無刷爪極發電機的仿真與實驗

邢立華, 王 雷, 曹 清, 宋玉晶

（1. 北京航天微機電技術研究所, 北京 100094;2. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039）

0 引言

電機是一種機電能量轉換裝置, 而磁場是這種能量轉換的媒介。 在電機內建立磁場有兩種方式: 一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場,稱為電勵磁; 另一種是由永磁體產生磁場, 稱為永磁勵磁。 勵磁方式的不同會導致電機的輸出特性、 功率密度等電機特性存在較大的差異: 電勵磁電機氣隙磁場調節方便、 能夠實現寬范圍的電壓調節, 但勵磁損耗大、 電機效率偏低［1］; 永磁電機效率高、 功率密度大, 結構形式靈活, 但由于永磁材料本身的特性, 氣隙磁場難以調節, 滅磁困難。 為了最大程度綜合兩種電機的優點, 提出了“混合勵磁” 的概念［2-3］。

混合勵磁電機以現有的電機拓撲結構為原型,通過增設永磁體或電勵磁繞組, 使其內部存在兩種勵磁源, 結合了電勵磁電機氣隙磁場調節方便和永磁電機功率密度高的優點, 廣泛應用于工業驅動、 新能源發電和交通運載裝備等領域［4-7］。 電勵磁爪極電機具有制造成本低、 技術工藝成熟等優點, 廣泛應用于汽車工業中, 但是其存在極間漏磁大、 功率密度低、 勵磁損耗大的缺點, 因此對普通電勵磁爪極發電機采用混合勵磁的方式進行優化, 提高其功率密度很有必要［8-9］。

本文基于電勵磁爪極電機和永磁式電機的優點提出了混合勵磁無刷爪極電機。 一方面, 在有限的空間內盡可能提高了電機的功率密度; 另一方面, 綜合考慮車輛在行駛過程中發動機轉速不穩定的客觀條件, 為使發電機在不同轉速下均能夠實現穩定發電, 以電勵磁爪極發電機為基礎,通過控制勵磁電流的大小調節發電機的氣隙磁密［10］。 首先, 介紹了混合勵磁無刷爪極電機的結構特點和磁場分布特征; 然后, 通過三維有限元分析對電勵磁無刷爪極電機和混合勵磁無刷爪極電機的磁場調節特性進行了對比分析; 最后, 進行了樣機制作與實驗驗證。 結果表明, 在同等勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機能夠增大氣隙磁通密度和發電機的輸出功率, 有效提高了電機的功率密度。

1 混合勵磁電機的磁場調節原理

混合勵磁無刷爪極電機為同步電機, 其內部有兩種勵磁源, 兼具電勵磁無刷爪極電機氣隙磁場可調和永磁電機能夠實現自勵的優點。 混合勵磁無刷爪極電機空載時, 三相繞組的磁鏈為

式（1）中,Ψa、Ψb、Ψc為A、 B、 C 三相繞組的總磁鏈,Ψpa、Ψpb、Ψpc為A、 B、 C 三相的永磁磁鏈,Ma、Mb、Mc為A、 B、 C 三相繞組與勵磁繞組之間的互感,if為勵磁繞組的電流。

以A 相為例, 電機的反電勢為

由式（2）可知, 調節勵磁電流if的大小, 可調節氣隙磁場, 電機反電勢隨之變化。 當if為零時,電機反電勢由永磁磁鏈建立, 電機可以實現自勵。

2 混合勵磁無刷爪極電機的結構及磁路

2.1 電機的結構特點

混合勵磁無刷爪極電機在電勵磁無刷爪極電機的基礎上增加了永磁體, 定子包括鐵心和三相繞組, 轉子包括爪極轉子、 勵磁組件（勵磁支架和勵磁繞組）和永磁體。 三相繞組星形聯接; 勵磁繞組纏繞在勵磁支架上, 勵磁支架通過螺釘固定于后端蓋, 實現電勵磁的無刷化; 在電勵磁無刷爪極電機的相鄰爪極間開槽, 永磁體嵌入槽內, 使用環氧樹脂膠固定, 就得到混合勵磁無刷爪極電機。 永磁體切向充磁, 永磁體的主要作用是增加主磁通和減小爪極間的漏磁。 混合勵磁無刷爪極電機的結構如圖1 所示, 主要結構為定子鐵芯、 永磁體、 爪極轉子和勵磁組件。

圖1 混合勵磁無刷爪極電機定轉子結構圖Fig.1 Stator and rotor structure of hybrid excitation brushless claw pole motor

混合勵磁無刷爪極電機的具體性能指標與結構參數如表1 所示。

表1 混合勵磁無刷爪極電機的參數指標Table 1 Parameters of hybrid excitation brushless claw pole motor

2.2 電機的磁路原理

混合勵磁爪極發電機有兩個勵磁源, 一個是固定在左右兩爪極之間的永磁體, 另一個是固定在勵磁支架上的直流勵磁繞組。 勵磁電流為零時,氣隙磁場由永磁體單獨作用產生, 但此時永磁體產生的磁通主要通過爪極和轉子軛閉合, 只有很少一部分通過氣隙進入定子。 當勵磁電流不為零時, 電勵磁磁勢“迫使” 永磁體產生的磁通通過氣隙進入定子, 電勵磁磁勢和永磁磁勢呈并聯關系, 共同形成發電機的氣隙磁場。

正常工作時, 發電機的氣隙磁場由永磁體和勵磁繞組產生的磁場疊加而成, 二者為并聯關系,圖2 為該混合勵磁發電機的主磁通路徑, 包括圖2（a）所示電勵磁磁通路徑和圖2（b）所示永磁磁通路徑。 電勵磁磁通路徑為: 爪極軛→爪極N 極→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極S極→勵磁支架→附加氣隙→爪極軛。 永磁磁通路徑為: 永磁體N 極→爪極N 極→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極S 極→永磁體S 極→永磁體N 極。 此時, 電勵磁磁路為軸向主磁路, 永磁磁路為徑向輔助磁路, 調節勵磁電流大小即可方便地調節混合勵磁發電機的氣隙磁通。

圖2 混合勵磁發電機主磁通路徑Fig.2 Main flux path of hybrid excitation generator

3 基于Maxwell 3D 的電機三維有限元分析

3.1 電機三維有限元模型的建立

混合勵磁無刷爪極電機的爪極形狀不規則,電機磁場分布復雜, 需利用Maxwell 3D 有限元分析軟件建立三維分析模型。 由于電機結構的對稱性, 建立等效的1/8 簡化模型進行研究, 在不影響分析準確性的前提下可以節約計算時間, 具體模型如圖3 所示。 在一對極的范圍內, 電機的兩個側面滿足周期性邊界條件, 在其余的邊界面上, 認為磁力線與邊界面平行, 電機內部邊界條件自動滿足。

圖3 混合勵磁發電機有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of hybrid excitation generator

3.2 電機的仿真分析

勵磁電流為1A 時, 混合勵磁無刷爪極電機的磁密云圖如圖4 所示。 轉子軛部和爪極磁密較大,接近于飽和狀態。

圖4 混合勵磁電機磁通密度云圖Fig.4 Flux density nephogram of hybrid excitation motor

為了對比分析混合勵磁無刷爪極發電機和電勵磁無刷爪極發電機的磁場調節特性, 分別對其進行了磁場仿真, 勵磁電流為1A 時, 電勵磁無刷爪極電機和混合勵磁無刷爪極電機的氣隙磁密分布如圖5 所示。

圖5 氣隙磁密分布圖Fig.5 Distribution diagram of air-gap flux density

電機轉速設置為4500r/min, 勵磁電流由0A增大至3.5A, 得到不同勵磁電流下電機的氣隙磁密分布曲線, 如圖6 所示。

圖6 平均氣隙磁密隨勵磁電流變化曲線Fig.6 Variation curves of average air-gap flux density with excitation current

由圖6 可知, 隨著勵磁電流逐漸增大, 永磁體增磁作用明顯, 混合勵磁無刷爪極電機的平均氣隙磁密明顯大于電勵磁無刷爪極電機的平均氣隙磁密。 勵磁電流為0A 時, 混合勵磁無刷爪極電機的平均氣隙磁密為28mT, 相較于電勵磁無刷爪極發電機, 混合勵磁無刷爪極發電機可以實現自勵。勵磁電流由0A 增大至1A 時, 二者增速均較大。當勵磁電流大于1A 后, 氣隙磁密趨于飽和狀態,增大勵磁電流, 氣隙磁密增幅不大。 勵磁電流為1A 時, 混合勵磁無刷爪極電機的平均氣隙磁密為329mT, 電勵磁無刷爪極電機的平均氣隙磁密為265mT, 平均氣隙磁密增大了24.15%, 一方面是因為永磁體產生的磁通直接增大了氣隙磁密, 另一方面是永磁體的存在減小了爪極間的漏磁。

設置勵磁電流為1A, 電機轉速為4500r/min,輸出電壓經三相全橋整流電路整流后帶純阻性負載50Ω, 電勵磁無刷爪極電機和混合勵磁無刷爪極電機的輸出電壓波形如圖7 所示。

圖7 整流負載下的電機輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveforms of motor with rectifier load

轉速從500r/min 上升至5500r/min, 對比混合勵磁電機和電勵磁電機帶負載的能力, 輸出功率變化情況如圖8 所示。 電機全轉速范圍內, 混合勵磁無刷爪極發電機的輸出功率大于電勵磁無刷爪極發電機。 在轉速為4500r/min 時, 電勵磁無刷爪極發電機的輸出功率為5.54kW, 混合勵磁無刷爪極發電機的輸出功率為7.05kW, 輸出功率提高了27.26%。

圖8 電機輸出功率隨轉速變化曲線Fig.8 Variation curves of motor output power with speed

混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機純阻性負載時, 電機的調節特性如圖9 所示。 由圖9 可知, 電機帶純電阻負載時, 由于電樞反應的去磁作用, 電機的外特性是下降的, 混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機調節特性的趨勢保持一致。

圖9 發電機的外特性曲線Fig.9 External characteristic curves of generator

4 實驗驗證

為了對比分析混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機的性能指標, 制造了兩臺電機并搭建了電機實驗平臺, 對兩臺電機進行了空載和負載實驗。 空載實驗是為了驗證電機的磁場調節能力, 負載實驗是為了測試樣機在不同轉速下的帶載能力。 通過混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機的對比實驗, 獲得兩組實驗數據,對比分析混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機的性能。

4.1 實驗原理與裝置

實驗原理和裝置如圖10 所示, 采用直流電源給發電機的勵磁繞組供電, 通過調節直流電源的輸出控制勵磁電流的大小。 發電機采用原動機拖動, 通過調節變頻器可調節原動機轉速, 進而調節發電機的轉速。 變頻器使用高性能、 多功能型日本富士變頻器MEGA 系列, 控制方式多樣, 電流響應和速度響應快, 過載耐量高。 原動機采用30kW 的變頻電機, 具有機械強度大、 精度高、 調速范圍廣等特點。 發電機的三相正弦輸出電壓經過三相全橋整流器輸出直流電壓。

圖10 實驗原理圖與裝置Fig.10 Diagram of experiment principle and devices

4.2 空載實驗

空載實驗時, 調整原動機轉速拖動混合勵磁電機轉速為4500r/min, 保持恒定, 調整直流電源, 使電機的勵磁電流由0A 逐步增大至1.2A, 可以得到空載時電勵磁無刷爪極發電機和混合勵磁無刷爪極發電機整流輸出電壓隨勵磁電流變化的曲線, 如圖11 所示。

由圖11 可知, 隨著勵磁電流的增大, 整流輸出電壓也逐步增大, 但隨著磁路逐漸飽和, 增速逐漸變小。 在電機轉速、 勵磁電流相同的情況下,混合勵磁無刷爪極發電機的空載輸出電壓比電勵磁爪極無刷發電機的空載輸出電壓高。 在勵磁電流為1A 時, 混合勵磁電機的空載輸出電壓為937V, 電勵磁電機的空載輸出電壓為796V, 兩者差值為141V, 空載輸出電壓增幅達到了17.68%。

4.3 負載實驗

設置勵磁電流為1A, 輸出帶純阻性負載50Ω,轉速從500r/min 上升至5500r/min, 進行兩種電機的負載實驗, 仿真結果與實驗結果的對比如圖12所示, 圖12（a）為混合勵磁電機與電勵磁電機負載輸出功率曲線對比, 圖12（b）為混合勵磁無刷爪極發電機仿真與實驗結果對比。

圖12 電機輸出功率隨轉速變化的仿真與實驗結果對比Fig.12 Comparison between simulation and experimental results of motor output power changing with speed

分析可知, 勵磁電流恒定時, 混合勵磁無刷爪極電機在全轉速范圍內的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機, 混合勵磁無刷爪極電機的仿真結果與樣機實驗結果在趨勢上保持一致。

進一步對比兩種電機在不同勵磁電流下的帶負載能力, 采用50Ω 純電阻負載, 分別在3500r/min、4500r/min、 5500r/min 三種轉速下逐步增大勵磁電流, 得到了兩種電機帶載時的輸出特性曲線, 如圖13 所示。

圖13 電機輸出功率隨勵磁電流變化曲線Fig.13 Variation curves of motor output power with excitation current

由圖13（a）可知, 在勵磁電流為1A、 電機轉速為3500r/min 時, 混合勵磁電機的輸出功率為4.752kW, 電勵磁電機的輸出功率為3.791kW, 兩者差值為0.961kW, 混合勵磁電機的輸出功率相較于電勵磁電機提升了25.36%。

由圖13（b）可知, 在勵磁電流為1A、 電機轉速為4500r/min 時, 混合勵磁電機的輸出功率為6.881kW, 電勵磁電機的輸出功率為5.364kW, 兩者差值為1.517kW, 混合勵磁電機的輸出功率相較于電勵磁電機提升了28.27%。

由圖13（c）可知, 在勵磁電流為1A、 電機轉速為5500r/min 時, 混合勵磁電機的輸出功率為7.856kW, 電勵磁電機的輸出功率為6.666kW, 兩者差值1.190kW, 混合勵磁電機的輸出功率相較于電勵磁電機提升了17.85%。

為了進一步量化對比電勵磁無刷爪極電機和混合勵磁無刷爪機電機的帶載性能, 進行了電機恒負載實驗。 實驗時, 設定恒定負載為50Ω, 勵磁電流設定為1A, 輸出功率為5kW, 此時混合勵磁無刷爪極電機的轉速為3598r/min, 電勵磁無刷爪極電機的轉速為4315r/min, 轉速相差717r/min。

通過上述實驗, 可以得到如下結論:

1）空載實驗中, 在電機轉速、 勵磁電流相同的情況下, 混合勵磁無刷爪極發電機的空載輸出電壓比電勵磁爪極無刷發電機的空載輸出電壓高。

2）負載實驗中, 勵磁電流恒定時, 混合勵磁無刷爪極電機在全轉速范圍內的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機; 轉速恒定時, 混合勵磁無刷爪極電機在整個勵磁電流變化區間內的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機, 且仿真結果具有較高的準確性。

3）恒負載條件下, 混合勵磁無刷爪極電機的轉速更低, 則電機的可靠性更高, 對改善電機的散熱設計、 提高使用壽命效果明顯。

由此可以驗證, 采用混合勵磁結構的無刷爪極電機帶載性能優于電勵磁無刷爪極電機。

5 結論

本文基于“混合勵磁” 原理設計并試制了一種混合勵磁無刷爪極發電機, 闡述了該電機的結構特點和磁路原理, 結合Maxwell 3D 對混合勵磁無刷爪極電機和電勵磁無刷爪極電機的磁場調節能力進行了對比分析, 并通過樣機的空載和負載實驗, 對比分析了兩種電機的磁場調節能力和帶載能力, 得到以下結論, 為混合勵磁無刷爪極電機在車載取力發電系統上的應用提供了理論支持和實驗依據:

1）在相同的勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機的氣隙磁密大于電勵磁無刷爪極電機, 意味著產生相同的氣隙磁場, 混合勵磁無刷爪極電機需要較小的勵磁電流, 降低了電機的勵磁損耗;

2）在相同的勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機相較于電勵磁無刷爪極電機有更高的功率密度;

3）采用“混合勵磁” 后, 相同條件下輸出功率為5kW 時, 混合勵磁電機的轉速為3598r/min,比電勵磁電機的轉速4315r/min 降低了717r/min,電機的低速性能得到了改善。