永磁-感应子式混合励磁发电机轴向力分析

余辉 施道龙 张登平

摘 要：针对永磁-感应子式混合励磁发电机附加气隙处的饱和磁密高，产生轴向力大，影响发电机轴承寿命及运行可靠性的问题，采用有限元法对永磁-感应子式混合励磁发电机的磁路结构及励磁电流对轴向力的影响进行了分析;采用优化设计的结果设计了样机，进行了电机性能运行测试，结果表明，所做轴向力分析具有一定的准确性和参考价值。

关键词：永磁-感应子;混合励磁;结构;轴向力

0    引言

永磁-感应子发电机在改变励磁电流的过程中，其产生的辅助磁场在对主磁场进行相对增磁、去磁调节时，附加气隙处的磁场强度会发生明显变化，对发电机励磁绕组会产生一定的轴向磁力。

本文以某永磁-感应子式发电机为研究对象，根据附加气隙处场强特点，利用ANSYS有限元分析方法，计算励磁绕组受轴向磁场力的大小，分析轴向磁场力造成的影响，优化电机的电磁结构设计，并通过样机研制，验证了磁路优化的有效性与轴向力分析的准确性。

1    永磁-感应子式混合励磁发电机轴向力产生机理

与其他混合励磁发电机相比，永磁-感应子式混合励磁发电机具有结构简单，永磁磁路与电励磁磁路相互独立，无电刷和滑环装置，附加气隙少等优点。

1.1    结构形式

永磁-感应子式混合励磁发电机是结合永磁和感应子发电机优点形成的新型电机，共用电枢、齿槽等结构参数，其结构如图1所示。两者轴向并列，结构更加紧凑，整机重量匀称分布，轴向细长结构使得发电机在高速旋转工况下，转子离心力更小，高速性能更优。

1.2    轴向力分析

1.2.1    磁路分析

发电机主磁路由永磁体部分提供磁通，磁回路与永磁发电机磁通路径相同，如图2所示。发电机电励磁部分辅助磁通由励磁绕组产生，磁通经过转轴→转子副极齿部→定转子间气隙→定子铁芯→机壳→励磁支架→附加气隙再回到转轴，形成闭合回路，如图3所示。磁通路径中不仅存在定转子间的工作气隙，还有附加气隙的存在，与永磁体相比，辅助磁通路径长，一定程度上削弱了电励磁磁场的利用率。因此，需要根据磁路特点优化磁路结构，继而提高电励磁磁场的利用率。

发电机内部磁路包括径向、轴向磁路，结构复杂，磁场分布不均匀，轴向磁路对转子形成轴向力，磁场强弱及轴向力分布规律采用电磁场有限元方法进行详细分析。

1.2.2    轴向力数学模型

注入励磁绕组电流，在励磁电流磁势与永磁体磁势组合作用下，气隙处的高磁密产生轴向磁力。磁势根据基尔霍夫公式计算：

F1+F2=Φδ（Rδ+Rm+Rn）  （1）

式中，F1为励磁电流产生的磁势（A）;F2为永磁体产生的磁势（A）;Φδ为永磁体产生的总磁通（Wb）;Rδ为工作气隙磁阻（A/Wb）;Rm为磁性材料磁阻（A/Wb）;Rn为附加气隙磁阻（A/Wb）。

F=BiL=（σΦδ/S）iL （2）

式中，σ为漏磁系数;S为附加气隙磁场截面积（m2）;i为励磁绕组线圈电流（A）;L为励磁绕组线圈总长度（m）。

2    有限元仿真分析

2.1    附加气隙磁场分析

混合励磁发电机工作过程受励磁电流大小和方向的影响，实现增磁、去磁调节。定义励磁电流产生的磁场方向，轴向上由励磁绕组侧指向永磁体侧的方向为正方向。经分析，添加正向励磁电流时，发电机辅助激磁磁场与永磁体工作磁场基本同向，实现增磁，此时附加气隙处磁场指向永磁体。当励磁电流反向时，励磁辅助激磁磁场与永磁体工作磁场正好相反，从而削弱了主磁场强度，同时，附加气隙处的磁场由永磁体指向感应子侧，实现弱磁运行。磁力线分布在附加磁场处的密度较大，从而证明了增磁、去磁运行过程中，附加气隙处磁场强度相比于发电机内部其他位置而言是最大的。

2.2    轴向力仿真计算

为了便于识别励磁电流大小对励磁绕组受力大小的影响，从正向和反向励磁电流两个方面对轴向磁力进行分析。当运行工况是励磁电流为正向、反向电流时，发电机内部磁场对激磁绕组产生的磁力密度如图4、图5所示。

激磁绕组在附加气隙处的轴向磁场力与激磁绕组磁力密度和励磁绕组的体积有关，感应子部分的励磁绕组部分体积约0.631 78×10-4 m3，由轴向磁力公式（3）计算，可得感应子轴向磁力特性如表1所示，与之对应，转子同时也受到相反的轴向力作用。

F=m×V  （3）

式中，m为磁力密度（N/m3）;V为感应子体积（m3）;F为轴向磁力（N）。

永磁-感应子式混合励磁发电机在电励磁辅助磁场的作用下，磁场分布随励磁电流的大小和方向变化而变化。正向和反向励磁过程中，励磁绕组在附加气隙磁场作用下，其轴向力互为反向。

3    样机试验

根据轴向磁力计算结果对磁路结构进行优化，采用优化后的电磁结构设计结果制造了原理样机，发电机实物如图6所示。

采用原动机拖动发电机运转，在外加励磁电流控制器、整流测试桥等联合辅助测试设备下进行性能试验，永磁-感应子式混合励磁发电机在不同工况下的运行特性如表2所示。

经过发电机磁路、磁场分析，将有限元计算方法运用在电磁轴向力计算中，在优化发电机磁路结构后制造的原理样机，性能稳定可靠，轴向磁力在可承受范围内，发电机运行正常，由此可知仿真分析及优化过程合理有效。

4    结语

本文以某永磁-感应子式混合励磁发电机为例，对轴向磁力产生机理及磁场分布进行了详细分析，得出永磁-感应子式混合发电机所受轴向磁力与激磁电流的大小与方向有关的结论。采用优化后的磁路结构，样机性能稳定，可有效减少轴向力的冲击，从而实现稳定可靠运行。

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收稿日期：2020-03-24

作者简介：余辉（1992—），女，四川广安人，助理工程师，主要从事航空高速、多通道精密微特电机技术研究工作。