高压直流轴向混合励磁双凸极发电机的 结构及特性分析*

马昕晨 陈志辉

(南京航空航天大学自动化学院 南京 210016)

1 引言

随着多电飞机的快速发展，270 V高压直流电源系统以其结构简单、功率密度高、使用安全等优点逐渐成为航空电源系统的主流，高压直流发电机也成为多电飞机技术的关键之一[1]。从国内外文献看，可作为航空起动/发电机的主要有三级式无刷同步电机、永磁电机、开关磁阻电机和双凸极电机。

三级式无刷同步发电机系统由主发电机、交流励磁机和永磁副励磁机组成，其中主发电机是电励磁同步电机，不具备独立发电的能力，电机转子上装有旋转整流器，励磁机发出的三相交流电经整流后给主发电机提供励磁，结构复杂，体积质量大，影响电源系统可靠性，且对热设计、机械设计要求较高[2]；永磁电机故障灭磁困难，且永磁材料的磁场特性随温度变化较大；混合励磁双凸极电机由永磁体和励磁绕组共同产生电机主磁场，解决了永磁电机励磁调节困难以及电励磁电机效率低、不能独立发电的问题，且双凸极结构简单，制造成本低，适用于高速运行，引得国内外学者的广泛关注和研究[3-5]。

文献[6]提出了一种新型的12/8极磁路独立式的混合励磁双凸极电机结构，该电机定子有两并列的电枢铁心，一段为永磁励磁，另一段为电励磁，电枢绕组两段共用，实现混合励磁；文献[7-8]中，永磁体和励磁绕组均放置在定子上，且之间留有一定尺寸的导磁桥，为电励磁绕组提供额外的并联磁分路；文献[9]中，励磁绕组和电枢绕组均放置于所有定子槽内，永磁体放置于槽口，形成磁通并联效果；文献[10]提出一种单定子-双转子混合励磁电机结构，外侧转子与中间定子组成电励磁双凸极电机

(Doubly salient electro-magnetic machine，DSEM)，内转子与中间定子组成永磁双凸极电机(Doubly salient permanent-magnetic machine，DSPM)，两者磁路相互独立。这几种电机励磁绕组占用定子槽，电枢绕组的有效槽面积减小，电机转矩密度减小。为解决该问题，文献[11]在传统含导磁桥的混合励磁双凸极电机基础上，将励磁绕组与电枢绕组放置在不同的定子槽内，避免绕组重叠，电机体积过大；文献[12]的双永磁混合励磁电机,转子和定子上都附有径向磁化的永磁体，定子电枢绕组需要通入具有直流偏置的交流电流。以上几种电机均为径向双凸极电机，结构复杂，且电机调磁范围受励磁槽面积限制，增大调磁范围与缩小电机体积矛盾。

本文结合混合励磁双凸极电机与轴向磁场电机的优点，提出一种新型轴向混合励磁双凸极发电机(Axial hybrid excitation doubly salient machine，AHEDSM)，并对该新型电机进行了系统的分析和研究，根据设计指标确定了电机基本尺寸，通过等效磁路模型分析电机的气隙磁场调节能力，并运用三维有限元法详细验证了电机的空载特性和负载特性，为该电机后续的控制和运行奠定基础。

2 电机结构和基本工作原理

AHEDSM结构如图1所示，由双定子铁心，双转子铁心，内、外导磁体，永磁体，直流励磁绕组，电枢绕组部件组成。电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，均为凸极结构。定子铁心分为上下两段，沿轴对称放置，每段定子铁心等分为4份，每份包含三个定子齿，分别为A、B、C三相。电枢绕组为集中绕组，嵌放在上下两侧定子齿上，每相对应的4个绕组串联，形成三相绕组；上下转子同样沿轴放置，并相互措开180°电角度，转子上无绕组。励磁绕组为集中式环形绕组，放置于双转子铁心之间。定子外侧导磁体同样等分为4份，永磁体放置在相对的两片外导磁体中央。该瓦片状永磁体为轴向磁化，且两片永磁体磁化方向一致。

图1 AHEDSM电机结构

定子铁心及外导磁体分隔为4份，每份磁路相互独立，且转子转动过程中，每份的定转子齿相对位置一致，保证每相4个绕组串联，感应电势正向叠加。三相定子齿和转子齿重叠角恒定，与转子位置无关。

电机工作原理如图2所示。图2a为永磁励磁的磁通路径，根据磁通最小原理，永磁体磁通沿图示箭头路径经过外导磁体进入上定子及上转子，通过内导磁体后再依次通过下转子和下定子，最后回到外导磁体，形成回路。由于磁通在上下两段中穿行方向相反，任一绕组匝链的磁通为上下定子齿通过的磁通之差，上下转子铁心措开180°电角度，上定子齿通过磁通最大值对应着下定子齿通过磁通为0，从而保证转子转动时，电枢绕组匝链的磁通在正负最大值之间按周期变化，对应产生幅值和相位交变的感应电动势。电励磁磁通路径类似，如图2b所示。由于永磁体磁阻相对较大，所以大部分磁通经过未嵌有永磁体的两片外导磁体，再经过磁阻最小的上下定转子和内导磁体形成回路。

图2 AHEDSM工作原理

设计电机为三相，12/8极，额定转速12 000 r/min，额定直流电压270 V，额定功率5 kW。根据上述分析，选择电机结构尺寸如表1所示。

表1 AHEDSM电机尺寸

根据上述分析，该电机拓扑可实现磁链双极性变化，改变励磁电流可实现电机増磁或去磁，这将通过磁路模型进一步分析。

3 磁场调节原理

AHEDSM电机存在永磁励磁源和电励磁源两种励磁源，两种励磁源磁场在气隙中相互叠加，形成电机主磁场[13]。

施加励磁电流后，电励磁磁通有两条路径，一条路径为永磁磁势与电励磁磁势串联，另一条路径仅有电励磁。当励磁电流为正时，电励磁方向和永磁励磁方向相同，电励磁磁路磁阻小，产生大量磁通，永磁磁路磁阻虽大，但串联电励磁磁势后，磁通也会增加，电机总磁通变大。当励磁电流为负时，电励磁磁路部分磁通方向反向，永磁磁路部分若电励磁磁势为抵消全部永磁磁势，磁通变小但方向不变，绕组串联后永磁磁路的磁通与电励磁磁路的磁通相加，总磁通变小。

图3为AHEDSM的等效磁路图。

图3 AHEDSM等效磁路图

忽略电机漏磁，其中Fm为永磁体等效磁势，FIf为电励磁等效磁势，Rm为永磁体等效磁阻，Rot(t=1, 2, 3)为外导磁体等效磁阻，Ri为内导磁体等效磁阻，Rst(t=1, 2, 3)为定子等效磁阻，Rrt(t=1, 2, 3)为转子等效磁阻，Rδt(t=1, 2, 3)为气隙等效磁阻。Φm为永磁体磁通，Φe1和Φe2为电励磁磁通。

电机转动过程中，永磁磁势保持不变，当永磁体单独励磁时，FIf=0，根据磁通最小原理

以A相为例，其匝链的磁链为

Φmn(n=1, 2, 3, 4)为A相4个定子齿通过的磁通，N为电枢绕组匝数。永磁励磁磁通仅通过含有永磁体的两部分磁路，Φm2=Φm4=0。

当永磁磁势和电励磁磁势共同作用时

A相匝链的磁链为

设増磁与弱磁磁场调节系数

根据式(1)、(3)、(4)得

由式(7)可以看出，在一定的永磁磁势下，对于一定的磁通调节范围，所需的励磁电流是永磁体磁阻Rm和气隙等效磁阻Rδ的函数。当Rm固定后，气隙长度越大或气隙截面积越小，Rδ越大，相同的磁场调节范围所需的电励磁磁势越小，但Rδ增大也会导致气隙磁密减小，磁场利用率变低；同理，当Rδ一定时，永磁体宽度越小，厚度越大，Rm越小，相同调磁范围所需的直流励磁磁势越小，但同时永磁体磁势也会下降。所以需要合理选择电机结构参数，得到合适的Rm和Rδ值，从而获得更高的调磁效率。

根据目前的电机结构参数，永磁体磁势约为7 560 A，永磁体单独励磁的气隙磁密大小约为0.63 T，若要实现气隙磁场灭磁，所需的励磁电流约为-1.8 A。但上述分析基于简化的等效磁路模型，与实际情况会有一定偏差，后文的电机特性分析将做进一步说明。

4 有限元分析

在ANSYS仿真软件中搭建其三维有限元模型，并进行空载特性和负载特性分析，以验证电机设计的合理性[14]。

4.1 空载磁场分析

图4给出了空载时If=5 A磁场分布图，此时B相下定子齿与下转子齿重合，通过磁链最大，上定子齿处于两转子齿之间，通过磁链几乎为0。结合四张电机不同组件的磁通路径图可以看出，磁力线通过内外导磁体形成回路，电励磁磁链主要通过不 含永磁体的外导磁体，与设想的磁力线走向一致，电机端部存在漏磁，由于聚磁效应电机定转子齿相对饱和。

图4 AHEDSM空载磁场分布图

图5为空载且不同励磁电流下磁密沿气隙圆周的分布，转子位置与图4c对应，由于电机定转子为双凸极结构，磁密分布不规则，且谐波含量较大。永磁体单独励磁时，电励磁磁路上磁密近似为0，永磁磁路上的气隙磁密可达0.5 T，与磁路分析结果相比略小，这是因为在磁路分析中忽略了铁心与内外导磁体的磁阻；当励磁绕组中通入5 A正向电流时，电励磁磁路上气隙磁密达1 T，永磁磁路上直流励磁磁密与永磁磁密叠加，达0.8 T。

图5 气隙磁密波形

4.2 磁链和反电势分析

图6为电机额定转速下不同励磁电流时的B相空载磁链波形。电机磁链为双极性，正弦度较高，励磁电流为正，磁链增大，电机逐渐饱和时，磁链增加幅度变小；励磁电流为负，磁链减小，If= -1.5 A时，磁链几乎为0；励磁电流继续负向增加，磁链也反向增大。

图6 AHEDSM空载B相磁链波形

根据电磁感应定律，电机电枢绕组的感应电 势为

图7为电机B相空载反电势波形，波形幅值随励磁电流变化规律同磁链一致，但相比于磁链波形，电机反电势含有大量的谐波，If= -1.5 A时，反电势几乎降为0。

图7 AHEDSM反电势波形

上述分析结果表明，新型AHEDSM电机通过励磁电流可以对气隙磁场进行有效调节，而且在发生短路故障时，可以通过不大的负向励磁电流实现气隙磁场的灭磁，避免故障扩大。

4.3 电感分析

电感是电机性能的重要特性参数。以B相为例，相间自感为

式中，Lbb为B相自感；N为电枢绕组匝数；Λb为B相磁路磁导，可近似等于B相气隙磁导Λδ。气隙磁导随转子位置变化而变化，所以电枢自感是位置角的函数。电枢绕组自感最大值对应绕组匝链磁通为零的位置，此时磁场最弱，绕组因通入电流而匝链的磁通增量最多，对应饱和自感达到峰值；绕组匝链磁通最大处，通入电枢电流后合成磁场饱和严重，绕组实际磁通增量最少，此时电感最小。

传统的双凸极电机定子铁心为一个整体，穿入某相的一个绕组的磁通会从该相的另一个绕组穿出，形成回路，感应出数值相同但极性相反的电动势，磁通不会通过相邻相，所以互感很小。AHEDSM电机磁路等分为四份，每份中每相仅有一个线圈，穿入该线圈的磁通分成两部分，从相邻两相穿出，所以AHEDSM存在相间互感。

图8为电机空载时三相自感和互感曲线。由图8可见，电枢绕组电感与转子位置有关，且一个电周期内三相电感有两个变化周期，由绕组互补性叠加产生。因为B相处于A、C两相之间，漏磁相对较小，其自感和互感约较其余两相大。

图8 AHEDSM空载时电枢绕组自感和互感(If=0)

4.4 输出电压分析

AHEDSM作为高压直流发电机，需要外接整流器，输出直流电能。图9给出了二极管不控三相桥整流电路拓扑。

图9 AHEDSM控制电路拓扑

图9中，ua、ub、uc分别为PWM三相输入电压，ia、ib、ic分别为AHEDSM三相输出电流，Ro为直流侧等效负载，Uo为输出直流电压，输出端无滤波电容。

令Ro无穷大，得到电机空载直流输出电压，如图10所示。图10a为不同励磁电流下输出电压波形，由于相感应电势非方波且谐波畸变率较大，所以其整流输出电压存在电压脉动。

由电压脉动的定义

可得空载电压脉动约为50%；图10b为输出随励磁电流变化曲线图。随励磁电流增长，输出电压增大并逐渐趋近于稳定；当If达12 A时，电机趋于饱和，此时输出直流电压约为440 V。If为-1.5 A时，输出电压降为0，励磁电流继续负向增长，输出电压增大，由此可看出电机具有较宽的调压范围。

图10 AHEDSM空载时输出电压

4.5 负载特性分析

图11给出了电机在纯阻性负载下，不同励磁电流时的外特性、输出功率特性曲线。If=18 A时的电压调整率约为69%，最大功率点28 A，7.9 kW；If=6 A时的转折输出电流为21 A，电压调整率约为24.7%，最大功率点21 A，4.4 kW，此时输出电压约为210 V。图12为Uo=270 V时的调节特性曲线。保持负载电压不变，励磁电流随负载电流增大而增大；负载电流越大，电机越饱和，所需要的励磁电流越大，曲线斜率越大。由此可看出AHEDSM满足270 V高压直流电源时输出功率5 kW的设计要求，且在不同负载下可通过调节励磁电流稳定输出电压。

图11 AHEDSM负载特性

图12 Uo=270 V时的调节特性曲线

该电机励磁电流最大为18 A，电枢电流最大可达40 A，最大功率为7.9 kW，6 000 r/min时功率密度为1 639.55 kW/m3，12 000 r/min时功率密度为3 279.09 kW/m3，此时电机铁损176.62 W，铜损130.16 W，总损耗306.78 W，则电机效率可达96.3%。表2给出了一台电励磁双凸极电机和一台混合励磁双凸极电机的参数[15-16]。

表2 航空发电机参数

从表2中可以看出，在具有相近转速的情况下，本文所提电机轴长更短，体积较小，功率密度较高，可达到较高功率。

5 结论

本文研究了一种新型轴向混合励磁双凸极发电机，介绍了电机的结构特点和工作原理，利用等效磁路模型对电机磁场调节原理做了详细说明，并搭建三维有限元模型进行空载和负载仿真，分析并计算电机静态特性，验证该电机设计方法和理论分析的正确性，表明轴向混合励磁双凸极电机具有如下特点。

(1) 电机定转子均为双凸极结构，转子上无绕组，结构简单，恶劣环境工作能力强，特别适用于高速运行，混合励磁结构可以实现不依赖外部电源的自励发电，可运用于航空发电系统。

(2) 电机主气隙磁场由永磁体和电励磁源共同产生，永磁磁场和电励磁磁场相互独立，避免电励磁磁势对永磁体的影响，具有高效的调磁性能。

(3) 电机采用双定子双转子结构，磁链双极性变化且正弦度较高，可通过控制励磁电流大小和方向实现宽范围调压，且调压过程中磁链仍能保持良好的正弦度，保证电机在正常或弱磁情况下都具有良好的运行状态。