高速軸向電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)設(shè)計(jì)與特性分析*

沈 澳, 孟小利

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引 言

多電飛機(jī)將飛機(jī)的二次能源統(tǒng)一為電能,這不僅簡(jiǎn)化了飛機(jī)結(jié)構(gòu),改善了飛機(jī)性能,還可以節(jié)省運(yùn)行成本,多電飛機(jī)逐漸成為現(xiàn)代航空飛機(jī)的主要發(fā)展方向之一。但用電設(shè)備的增加又對(duì)航空電源提出了更高的要求,現(xiàn)代航空電源不僅需要更大的電源容量,而且對(duì)電源可靠性和電能質(zhì)量的要求也不斷提高[1]。查閱文獻(xiàn)可知,目前航空電源采用較多的電機(jī)是三級(jí)式無(wú)刷交流同步電機(jī)、永磁雙凸極電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)。

三級(jí)式無(wú)刷交流同步電機(jī)采用變頻直流發(fā)電模式,但由于三級(jí)式電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以保證可靠性,且轉(zhuǎn)子上安裝旋轉(zhuǎn)整流器,會(huì)限制電機(jī)轉(zhuǎn)速,使得電機(jī)功率密度難以進(jìn)一步得到提升;永磁電機(jī)雖然具有高功率密度優(yōu)勢(shì),但永磁體在高溫下易退磁,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障滅磁;開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組和永磁體,適用于惡劣環(huán)境,電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(DSEM)則在繼承了SRM優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),采用全周期發(fā)電,同時(shí)定子上加裝勵(lì)磁繞組使得勵(lì)磁可調(diào),DSEM不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合高溫高速運(yùn)行,且控制靈活,因此正逐步成為主流航空起動(dòng)發(fā)電機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)者[2]。

現(xiàn)有的DSEM大多采用傳統(tǒng)徑向勵(lì)磁的方式,電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造,功率密度也高,但由于DSEM定子槽內(nèi)需要同時(shí)放置電樞繞組和勵(lì)磁繞組,因此在槽滿率和導(dǎo)線最大電流密度的限制下,勵(lì)磁和電樞匝數(shù)受限,往往難以發(fā)揮電機(jī)的最優(yōu)性能。另外,由于各相磁路長(zhǎng)度不同,各相磁鏈并不對(duì)稱。因此,有學(xué)者提出了軸向勵(lì)磁的構(gòu)想。

文獻(xiàn)[3]初步提出了軸向勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的構(gòu)想,但僅簡(jiǎn)單描述結(jié)構(gòu),并未進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種盤式雙凸極電機(jī),但盤式電機(jī)存在附加氣隙,附加氣隙會(huì)增大磁路磁阻,因此限制了功率密度。文獻(xiàn)[5]提出了一種軸向混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī),電機(jī)磁鏈雙極性變化,正弦度高,效率高,適于航空高速運(yùn)行,但結(jié)構(gòu)上將定子分成四份,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的同時(shí)容易產(chǎn)生更大的漏磁問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出了一種軸向磁通線圈輔助定子勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī),利用輔助勵(lì)磁線圈和電樞繞組混合之后的勵(lì)磁電流-轉(zhuǎn)矩控制,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié),減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),提高了電機(jī)穩(wěn)定性。但此電機(jī)軸向的磁場(chǎng)僅起輔助調(diào)節(jié)作用,且并未研究其發(fā)電特性。

本文結(jié)合電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和軸向電機(jī)的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了一種新型軸向電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(DSAEM),文中對(duì)該電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析,并對(duì)其重要尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,再利用有限元軟件仿真驗(yàn)證其優(yōu)化效果,最后對(duì)其空載和負(fù)載特性進(jìn)行分析。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1和圖2為DSAEM的結(jié)構(gòu)圖,電機(jī)由兩段定子鐵心、兩段轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)導(dǎo)磁體和外導(dǎo)磁體組成,其中內(nèi)導(dǎo)磁體即導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸,圖中為了不遮擋其他結(jié)構(gòu)只畫出了1/4的電機(jī)結(jié)構(gòu),為了便于散熱,可將定子和外導(dǎo)磁體平均分成四塊,電機(jī)整體可以看成是由a邊和b邊兩個(gè)三相12/8電機(jī)組成,定子12極,轉(zhuǎn)子8極,中部預(yù)留空間放置勵(lì)磁繞組,電樞繞組集中纏繞在定子極上,轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組,定轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成,a邊和b邊定子極和轉(zhuǎn)子極都對(duì)稱放置。

圖1 DSAEM二維圖

圖2 DSAEM三維圖

電機(jī)繞組也分為a邊繞組和b邊繞組,繞組分布如圖3所示,下面以A相為例說(shuō)明繞組纏繞方式。對(duì)于a邊來(lái)說(shuō),設(shè)其屬于A相的線圈為A1、A2、A3、A4,正向串聯(lián),形成a邊A相繞組,通入電流后,A相線圈將在定子極內(nèi)產(chǎn)生同方向的磁鏈,方向?yàn)閺霓D(zhuǎn)子極到定子極;對(duì)于b邊來(lái)說(shuō),設(shè)其屬于A相的線圈為A1′、A2′、A3′、A4′,同樣正向串聯(lián),形成b邊A相繞組,通入電流后,A相線圈也會(huì)在定子極內(nèi)產(chǎn)生同方向的磁鏈,方向?yàn)閺亩ㄗ訕O到轉(zhuǎn)子極。a邊A相繞組和b邊A相繞組反向串聯(lián),以實(shí)現(xiàn)a邊和b邊的磁鏈疊加[7]。

圖3 繞組展開圖

1.2 工作原理

DSAEM的磁通路徑如圖4所示,根據(jù)磁通最小原理,當(dāng)給勵(lì)磁繞組通入直流電流后,會(huì)在內(nèi)導(dǎo)磁體中產(chǎn)生沿軸向的磁場(chǎng),磁場(chǎng)沿圖4所示路徑經(jīng)過(guò)a邊轉(zhuǎn)子進(jìn)入氣隙再進(jìn)入a邊定子,通過(guò)外導(dǎo)磁體進(jìn)入到b邊定子中,再通過(guò)氣隙和b邊轉(zhuǎn)子進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)磁體形成閉合回路。由于同屬一相的電樞繞組是反向串聯(lián)關(guān)系,所以最終電機(jī)總磁鏈為a邊和b邊磁鏈絕對(duì)值之和。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)入定子極時(shí),對(duì)應(yīng)相的磁鏈增加;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)出定子極時(shí),對(duì)應(yīng)相的磁鏈減小;定轉(zhuǎn)子極無(wú)重合時(shí),磁鏈不變,始終為0。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)尺寸

圖4 磁通路徑

2 DSAEM數(shù)學(xué)模型

DSAEM的軸向結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,每段磁路都不能簡(jiǎn)單地用線性磁阻方式來(lái)計(jì)算,且電機(jī)局部飽和以及漏磁等因素也會(huì)對(duì)其分析造成影響。為簡(jiǎn)化分析,這里忽略以上影響因素,建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。

2.1 磁鏈方程

以A相為例,其磁鏈方程如下:

ψa=Laia+Labib+Lacic+Lafif

(1)

式中:La為A相自感;Lab為A相和B相互感;Lac為A相和C相互感;Laf為A相和勵(lì)磁繞組互感;ip(p=a,b,c,f)為各相電流和勵(lì)磁電流。

2.2 轉(zhuǎn)矩方程

轉(zhuǎn)矩方程可表示為

Tr+Tc+Tf

(2)

式中:Tr為磁阻轉(zhuǎn)矩;Tc為齒槽轉(zhuǎn)矩;Tf為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩。

磁阻轉(zhuǎn)矩是由相繞組自感引起的轉(zhuǎn)矩;齒槽轉(zhuǎn)矩是由勵(lì)磁繞組自感引起的轉(zhuǎn)矩,表現(xiàn)為空載狀態(tài)下定子將轉(zhuǎn)子拉回到對(duì)齊位置的趨勢(shì);勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩是相繞組和勵(lì)磁繞組互感引起的轉(zhuǎn)矩,為DSAEM的主轉(zhuǎn)矩。

3 電機(jī)靜態(tài)參數(shù)分析

采用三維有限元法,利用Ansys仿真軟件中的maxwell電磁仿真模塊搭建模型進(jìn)行仿真分析。

3.1 空載磁場(chǎng)

空載時(shí),固定勵(lì)磁電流為2 A。圖5給出了DSAEM以定子極到轉(zhuǎn)子極的空載磁場(chǎng)分布情況,圖5(a)為電機(jī)定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置軸向剖面的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖,圖5(b)為軸向剖面磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。從圖5(a)和圖5(b)中可以看出,轉(zhuǎn)軸中部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大,其次為外導(dǎo)磁體中部,這兩處是磁力線分布最密集的地方,這也為電機(jī)設(shè)計(jì)提供了思路。因此,為了避免飽和,可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)軸直徑和外導(dǎo)磁體厚度。取b邊電機(jī)正中部為橫切面得到圖5(c)和圖5(d),即為橫向剖面的磁場(chǎng)分布情況圖,由圖5(c)和圖5(d)可知,在定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊的位置,磁力線最密集,非對(duì)齊位置磁力線稀疏,存在一定的漏磁現(xiàn)象,這與徑向勵(lì)磁的雙凸極電機(jī)一樣,不同的是,DSAEM所有磁力線的方向都相同。

圖5 DSAEM空載磁場(chǎng)分布

3.2 氣隙磁密

DSAEM氣隙磁密可分為兩類,即圓周向氣隙磁密和軸向氣隙磁密。前者如圖6所示,取電機(jī)b邊正中部作橫截面得到圓周氣隙磁密圖,后者如圖7所示,取定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊位置的極中心線作豎切面得到軸向氣隙磁密圖。

圖6 圓周氣隙磁密

圖7 軸向氣隙磁密

圓周向氣隙磁密在四個(gè)對(duì)齊位置達(dá)到最大值,約為0.45 T,在非對(duì)齊位置也存在一定的漏磁現(xiàn)象;軸向氣隙磁密從b邊端部開始,在[0 mm,25 mm]上下波動(dòng)較大;在[25 mm,80 mm]趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后也維持在0.45 T左右,但也可以看出,這一區(qū)間磁密依然在上升,這說(shuō)明利用線性磁路法無(wú)法準(zhǔn)確描述電機(jī);[80 mm,130 mm]經(jīng)過(guò)中部,磁密為0;[130 mm,210 mm]進(jìn)入a邊,磁密變化規(guī)律與b邊相同。

3.3 磁鏈

圖8給出了勵(lì)磁安匝數(shù)統(tǒng)一為400狀態(tài)下DSAEM和DSEM一個(gè)電周期內(nèi)的三相磁鏈波形,兩種電機(jī)磁鏈的變化規(guī)律基本一致。以A相為例進(jìn)行說(shuō)明,前1/3電周期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)入定子極,磁鏈上升;第二個(gè)1/3電周期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)出定子極,磁鏈下降;最后一個(gè)1/3電周期定轉(zhuǎn)子無(wú)重合部分,磁鏈幾乎為0。二者磁鏈的一致性使得用于DSEM的控制方式也同樣適用于DSAEM,比如提前角控制策略[8]、三相六狀態(tài)控制策略[9]、三相九狀態(tài)控制策略等[10-14]。

圖8 三相磁鏈

DSAEM相比于DSEM來(lái)說(shuō),由于磁各相磁路幾乎相同,故其磁鏈波動(dòng)很小,表2和表3分別為DSAEM和DSEM三相磁鏈數(shù)據(jù)。DSAEM各相磁鏈最大值波動(dòng)0.38%,最小值波動(dòng)0%,各相磁鏈基本一致;DSEM磁鏈最大值波動(dòng)5.5%,最小值波動(dòng)27.8%。

表2 DSAEM磁鏈數(shù)據(jù) Wb

表3 DSEM磁鏈數(shù)據(jù) Wb

3.4 電感

電感是DSAEM的重要靜態(tài)參數(shù),從DSAEM數(shù)學(xué)模型可以看出,無(wú)論是電機(jī)的磁鏈還是電磁轉(zhuǎn)矩都與電感有著密切的關(guān)系。圖9給出了勵(lì)磁電流If=2 A條件下的一個(gè)電周期內(nèi)電樞繞組自感、電樞繞組互感和電樞繞組與勵(lì)磁繞組互感圖。

圖9 DSAEM電感

電感的計(jì)算式如下:

L=N2Λ

(3)

式中:N為匝數(shù),Λ為磁導(dǎo)。

在DSAEM中,氣隙隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化而不斷變化,所以電感是位置角的函數(shù),在定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊的位置,氣隙最小,氣隙磁導(dǎo)最大,電感最大。另外,由于磁路差異,DSAEM中從a邊某相穿出的磁鏈進(jìn)入b邊后會(huì)重新分配,這就導(dǎo)致DSAEM存在比DSEM更大的相間互感,相間互感會(huì)在電角度為60°時(shí)達(dá)到最大值。以AB互感為例,此時(shí)對(duì)于A相來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子極剛好一半進(jìn)入定子極,而對(duì)于B相來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子極剛好一半轉(zhuǎn)出定子極。

4 輸出特性分析

4.1 空載特性

圖10為外發(fā)電電路圖,為了獲得最原始輸出的電壓波形,發(fā)電外電路采用由六個(gè)二極管構(gòu)成的整流電路,不采用濾波電容,外接負(fù)載電阻Ro,令Ro=∞得到空載輸出電壓。圖11給出了If=2 A,6 A,10 A,14 A四個(gè)不同勵(lì)磁電流下的空載輸出電壓波形圖。

圖10 外發(fā)電電路圖

圖11 空載輸出電壓圖

定義輸出電壓脈動(dòng)為

(4)

空載輸出電壓脈動(dòng)率分別為24.51%、26.37%、26.79%、26.59%。

電機(jī)的空載特性如圖12所示,從圖中可看出電機(jī)在If=4 A時(shí)開始進(jìn)入飽和,If=12 A時(shí)已接近深度飽和,此時(shí)再增加勵(lì)磁電流,輸出電壓增大則不明顯。

圖12 空載特性

4.2 負(fù)載特性

仍采用圖10所示的電路,外接純阻性負(fù)載,電機(jī)在不同勵(lì)磁電流下的外特性和功率特性如圖13所示。從外特性曲線可以看出,電機(jī)外特性較軟,電壓調(diào)整率較大。從功率特性曲線可以看出,隨著勵(lì)磁電流增加,電機(jī)功率增加,依據(jù)空載特性曲線,假定勵(lì)磁電流If=16 A時(shí)電機(jī)完全飽和,電機(jī)最大功率可達(dá)30 kW,此時(shí)輸出電流達(dá)到40 A,輸出電壓為750 V,電機(jī)鐵損為1.68 kW,銅損為197.6 W,效率為93.74%,功率密度為6 000 kW/m3。

圖13 負(fù)載特性

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并研究了一種新型高速軸向電勵(lì)磁雙凸極電機(jī),介紹了電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理,并建立了數(shù)學(xué)模型,利用三維有限元法進(jìn)行仿真分析,得出結(jié)論如下:

(1) 電機(jī)具有雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子無(wú)繞組,無(wú)永磁體,可在惡劣條件下運(yùn)行,且勵(lì)磁可調(diào),以便于調(diào)壓,其效率高,功率密度大,適于航空電源系統(tǒng)。

(2) 電機(jī)勵(lì)磁繞組放置在中部,擁有更大的空間,避免了因槽面積和電流密度的限制而使得電機(jī)實(shí)際功率密度較低的問(wèn)題,同時(shí)減輕了對(duì)定子槽內(nèi)繞組的壓力,定子槽內(nèi)可放置更多電樞繞組,也有采用粗導(dǎo)線增加電流承載力。

(3) DSAEM三相磁路對(duì)稱,三相磁鏈波動(dòng)很小,可輸出更穩(wěn)定的電壓,且由于磁鏈類似于DSEM,控制上可直接采用DSEM的控制方式,簡(jiǎn)單方便。