混合励磁无刷爪极发电机的仿真与实验

邢立华, 王 雷, 曹 清, 宋玉晶

（1. 北京航天微机电技术研究所, 北京 100094;2. 北京航天控制仪器研究所, 北京 100039）

0 引言

电机是一种机电能量转换装置, 而磁场是这种能量转换的媒介。 在电机内建立磁场有两种方式: 一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场,称为电励磁; 另一种是由永磁体产生磁场, 称为永磁励磁。 励磁方式的不同会导致电机的输出特性、 功率密度等电机特性存在较大的差异: 电励磁电机气隙磁场调节方便、 能够实现宽范围的电压调节, 但励磁损耗大、 电机效率偏低［1］; 永磁电机效率高、 功率密度大, 结构形式灵活, 但由于永磁材料本身的特性, 气隙磁场难以调节, 灭磁困难。 为了最大程度综合两种电机的优点, 提出了“混合励磁” 的概念［2-3］。

混合励磁电机以现有的电机拓扑结构为原型,通过增设永磁体或电励磁绕组, 使其内部存在两种励磁源, 结合了电励磁电机气隙磁场调节方便和永磁电机功率密度高的优点, 广泛应用于工业驱动、 新能源发电和交通运载装备等领域［4-7］。 电励磁爪极电机具有制造成本低、 技术工艺成熟等优点, 广泛应用于汽车工业中, 但是其存在极间漏磁大、 功率密度低、 励磁损耗大的缺点, 因此对普通电励磁爪极发电机采用混合励磁的方式进行优化, 提高其功率密度很有必要［8-9］。

本文基于电励磁爪极电机和永磁式电机的优点提出了混合励磁无刷爪极电机。 一方面, 在有限的空间内尽可能提高了电机的功率密度; 另一方面, 综合考虑车辆在行驶过程中发动机转速不稳定的客观条件, 为使发电机在不同转速下均能够实现稳定发电, 以电励磁爪极发电机为基础,通过控制励磁电流的大小调节发电机的气隙磁密［10］。 首先, 介绍了混合励磁无刷爪极电机的结构特点和磁场分布特征; 然后, 通过三维有限元分析对电励磁无刷爪极电机和混合励磁无刷爪极电机的磁场调节特性进行了对比分析; 最后, 进行了样机制作与实验验证。 结果表明, 在同等励磁电流下, 混合励磁无刷爪极电机能够增大气隙磁通密度和发电机的输出功率, 有效提高了电机的功率密度。

1 混合励磁电机的磁场调节原理

混合励磁无刷爪极电机为同步电机, 其内部有两种励磁源, 兼具电励磁无刷爪极电机气隙磁场可调和永磁电机能够实现自励的优点。 混合励磁无刷爪极电机空载时, 三相绕组的磁链为

式（1）中,Ψa、Ψb、Ψc为A、 B、 C 三相绕组的总磁链,Ψpa、Ψpb、Ψpc为A、 B、 C 三相的永磁磁链,Ma、Mb、Mc为A、 B、 C 三相绕组与励磁绕组之间的互感,if为励磁绕组的电流。

以A 相为例, 电机的反电势为

由式（2）可知, 调节励磁电流if的大小, 可调节气隙磁场, 电机反电势随之变化。 当if为零时,电机反电势由永磁磁链建立, 电机可以实现自励。

2 混合励磁无刷爪极电机的结构及磁路

2.1 电机的结构特点

混合励磁无刷爪极电机在电励磁无刷爪极电机的基础上增加了永磁体, 定子包括铁心和三相绕组, 转子包括爪极转子、 励磁组件（励磁支架和励磁绕组）和永磁体。 三相绕组星形联接; 励磁绕组缠绕在励磁支架上, 励磁支架通过螺钉固定于后端盖, 实现电励磁的无刷化; 在电励磁无刷爪极电机的相邻爪极间开槽, 永磁体嵌入槽内, 使用环氧树脂胶固定, 就得到混合励磁无刷爪极电机。 永磁体切向充磁, 永磁体的主要作用是增加主磁通和减小爪极间的漏磁。 混合励磁无刷爪极电机的结构如图1 所示, 主要结构为定子铁芯、 永磁体、 爪极转子和励磁组件。

图1 混合励磁无刷爪极电机定转子结构图Fig.1 Stator and rotor structure of hybrid excitation brushless claw pole motor

混合励磁无刷爪极电机的具体性能指标与结构参数如表1 所示。

表1 混合励磁无刷爪极电机的参数指标Table 1 Parameters of hybrid excitation brushless claw pole motor

2.2 电机的磁路原理

混合励磁爪极发电机有两个励磁源, 一个是固定在左右两爪极之间的永磁体, 另一个是固定在励磁支架上的直流励磁绕组。 励磁电流为零时,气隙磁场由永磁体单独作用产生, 但此时永磁体产生的磁通主要通过爪极和转子轭闭合, 只有很少一部分通过气隙进入定子。 当励磁电流不为零时, 电励磁磁势“迫使” 永磁体产生的磁通通过气隙进入定子, 电励磁磁势和永磁磁势呈并联关系, 共同形成发电机的气隙磁场。

正常工作时, 发电机的气隙磁场由永磁体和励磁绕组产生的磁场叠加而成, 二者为并联关系,图2 为该混合励磁发电机的主磁通路径, 包括图2（a）所示电励磁磁通路径和图2（b）所示永磁磁通路径。 电励磁磁通路径为: 爪极轭→爪极N 极→主气隙→定子齿→定子轭→定子齿→主气隙→爪极S极→励磁支架→附加气隙→爪极轭。 永磁磁通路径为: 永磁体N 极→爪极N 极→主气隙→定子齿→定子轭→定子齿→主气隙→爪极S 极→永磁体S 极→永磁体N 极。 此时, 电励磁磁路为轴向主磁路, 永磁磁路为径向辅助磁路, 调节励磁电流大小即可方便地调节混合励磁发电机的气隙磁通。

图2 混合励磁发电机主磁通路径Fig.2 Main flux path of hybrid excitation generator

3 基于Maxwell 3D 的电机三维有限元分析

3.1 电机三维有限元模型的建立

混合励磁无刷爪极电机的爪极形状不规则,电机磁场分布复杂, 需利用Maxwell 3D 有限元分析软件建立三维分析模型。 由于电机结构的对称性, 建立等效的1/8 简化模型进行研究, 在不影响分析准确性的前提下可以节约计算时间, 具体模型如图3 所示。 在一对极的范围内, 电机的两个侧面满足周期性边界条件, 在其余的边界面上, 认为磁力线与边界面平行, 电机内部边界条件自动满足。

图3 混合励磁发电机有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of hybrid excitation generator

3.2 电机的仿真分析

励磁电流为1A 时, 混合励磁无刷爪极电机的磁密云图如图4 所示。 转子轭部和爪极磁密较大,接近于饱和状态。

图4 混合励磁电机磁通密度云图Fig.4 Flux density nephogram of hybrid excitation motor

为了对比分析混合励磁无刷爪极发电机和电励磁无刷爪极发电机的磁场调节特性, 分别对其进行了磁场仿真, 励磁电流为1A 时, 电励磁无刷爪极电机和混合励磁无刷爪极电机的气隙磁密分布如图5 所示。

图5 气隙磁密分布图Fig.5 Distribution diagram of air-gap flux density

电机转速设置为4500r/min, 励磁电流由0A增大至3.5A, 得到不同励磁电流下电机的气隙磁密分布曲线, 如图6 所示。

图6 平均气隙磁密随励磁电流变化曲线Fig.6 Variation curves of average air-gap flux density with excitation current

由图6 可知, 随着励磁电流逐渐增大, 永磁体增磁作用明显, 混合励磁无刷爪极电机的平均气隙磁密明显大于电励磁无刷爪极电机的平均气隙磁密。 励磁电流为0A 时, 混合励磁无刷爪极电机的平均气隙磁密为28mT, 相较于电励磁无刷爪极发电机, 混合励磁无刷爪极发电机可以实现自励。励磁电流由0A 增大至1A 时, 二者增速均较大。当励磁电流大于1A 后, 气隙磁密趋于饱和状态,增大励磁电流, 气隙磁密增幅不大。 励磁电流为1A 时, 混合励磁无刷爪极电机的平均气隙磁密为329mT, 电励磁无刷爪极电机的平均气隙磁密为265mT, 平均气隙磁密增大了24.15%, 一方面是因为永磁体产生的磁通直接增大了气隙磁密, 另一方面是永磁体的存在减小了爪极间的漏磁。

设置励磁电流为1A, 电机转速为4500r/min,输出电压经三相全桥整流电路整流后带纯阻性负载50Ω, 电励磁无刷爪极电机和混合励磁无刷爪极电机的输出电压波形如图7 所示。

图7 整流负载下的电机输出电压波形Fig.7 Output voltage waveforms of motor with rectifier load

转速从500r/min 上升至5500r/min, 对比混合励磁电机和电励磁电机带负载的能力, 输出功率变化情况如图8 所示。 电机全转速范围内, 混合励磁无刷爪极发电机的输出功率大于电励磁无刷爪极发电机。 在转速为4500r/min 时, 电励磁无刷爪极发电机的输出功率为5.54kW, 混合励磁无刷爪极发电机的输出功率为7.05kW, 输出功率提高了27.26%。

图8 电机输出功率随转速变化曲线Fig.8 Variation curves of motor output power with speed

混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机纯阻性负载时, 电机的调节特性如图9 所示。 由图9 可知, 电机带纯电阻负载时, 由于电枢反应的去磁作用, 电机的外特性是下降的, 混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机调节特性的趋势保持一致。

图9 发电机的外特性曲线Fig.9 External characteristic curves of generator

4 实验验证

为了对比分析混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机的性能指标, 制造了两台电机并搭建了电机实验平台, 对两台电机进行了空载和负载实验。 空载实验是为了验证电机的磁场调节能力, 负载实验是为了测试样机在不同转速下的带载能力。 通过混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机的对比实验, 获得两组实验数据,对比分析混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机的性能。

4.1 实验原理与装置

实验原理和装置如图10 所示, 采用直流电源给发电机的励磁绕组供电, 通过调节直流电源的输出控制励磁电流的大小。 发电机采用原动机拖动, 通过调节变频器可调节原动机转速, 进而调节发电机的转速。 变频器使用高性能、 多功能型日本富士变频器MEGA 系列, 控制方式多样, 电流响应和速度响应快, 过载耐量高。 原动机采用30kW 的变频电机, 具有机械强度大、 精度高、 调速范围广等特点。 发电机的三相正弦输出电压经过三相全桥整流器输出直流电压。

图10 实验原理图与装置Fig.10 Diagram of experiment principle and devices

4.2 空载实验

空载实验时, 调整原动机转速拖动混合励磁电机转速为4500r/min, 保持恒定, 调整直流电源, 使电机的励磁电流由0A 逐步增大至1.2A, 可以得到空载时电励磁无刷爪极发电机和混合励磁无刷爪极发电机整流输出电压随励磁电流变化的曲线, 如图11 所示。

由图11 可知, 随着励磁电流的增大, 整流输出电压也逐步增大, 但随着磁路逐渐饱和, 增速逐渐变小。 在电机转速、 励磁电流相同的情况下,混合励磁无刷爪极发电机的空载输出电压比电励磁爪极无刷发电机的空载输出电压高。 在励磁电流为1A 时, 混合励磁电机的空载输出电压为937V, 电励磁电机的空载输出电压为796V, 两者差值为141V, 空载输出电压增幅达到了17.68%。

4.3 负载实验

设置励磁电流为1A, 输出带纯阻性负载50Ω,转速从500r/min 上升至5500r/min, 进行两种电机的负载实验, 仿真结果与实验结果的对比如图12所示, 图12（a）为混合励磁电机与电励磁电机负载输出功率曲线对比, 图12（b）为混合励磁无刷爪极发电机仿真与实验结果对比。

图12 电机输出功率随转速变化的仿真与实验结果对比Fig.12 Comparison between simulation and experimental results of motor output power changing with speed

分析可知, 励磁电流恒定时, 混合励磁无刷爪极电机在全转速范围内的输出功率大于电励磁无刷爪极电机, 混合励磁无刷爪极电机的仿真结果与样机实验结果在趋势上保持一致。

进一步对比两种电机在不同励磁电流下的带负载能力, 采用50Ω 纯电阻负载, 分别在3500r/min、4500r/min、 5500r/min 三种转速下逐步增大励磁电流, 得到了两种电机带载时的输出特性曲线, 如图13 所示。

图13 电机输出功率随励磁电流变化曲线Fig.13 Variation curves of motor output power with excitation current

由图13（a）可知, 在励磁电流为1A、 电机转速为3500r/min 时, 混合励磁电机的输出功率为4.752kW, 电励磁电机的输出功率为3.791kW, 两者差值为0.961kW, 混合励磁电机的输出功率相较于电励磁电机提升了25.36%。

由图13（b）可知, 在励磁电流为1A、 电机转速为4500r/min 时, 混合励磁电机的输出功率为6.881kW, 电励磁电机的输出功率为5.364kW, 两者差值为1.517kW, 混合励磁电机的输出功率相较于电励磁电机提升了28.27%。

由图13（c）可知, 在励磁电流为1A、 电机转速为5500r/min 时, 混合励磁电机的输出功率为7.856kW, 电励磁电机的输出功率为6.666kW, 两者差值1.190kW, 混合励磁电机的输出功率相较于电励磁电机提升了17.85%。

为了进一步量化对比电励磁无刷爪极电机和混合励磁无刷爪机电机的带载性能, 进行了电机恒负载实验。 实验时, 设定恒定负载为50Ω, 励磁电流设定为1A, 输出功率为5kW, 此时混合励磁无刷爪极电机的转速为3598r/min, 电励磁无刷爪极电机的转速为4315r/min, 转速相差717r/min。

通过上述实验, 可以得到如下结论:

1）空载实验中, 在电机转速、 励磁电流相同的情况下, 混合励磁无刷爪极发电机的空载输出电压比电励磁爪极无刷发电机的空载输出电压高。

2）负载实验中, 励磁电流恒定时, 混合励磁无刷爪极电机在全转速范围内的输出功率大于电励磁无刷爪极电机; 转速恒定时, 混合励磁无刷爪极电机在整个励磁电流变化区间内的输出功率大于电励磁无刷爪极电机, 且仿真结果具有较高的准确性。

3）恒负载条件下, 混合励磁无刷爪极电机的转速更低, 则电机的可靠性更高, 对改善电机的散热设计、 提高使用寿命效果明显。

由此可以验证, 采用混合励磁结构的无刷爪极电机带载性能优于电励磁无刷爪极电机。

5 结论

本文基于“混合励磁” 原理设计并试制了一种混合励磁无刷爪极发电机, 阐述了该电机的结构特点和磁路原理, 结合Maxwell 3D 对混合励磁无刷爪极电机和电励磁无刷爪极电机的磁场调节能力进行了对比分析, 并通过样机的空载和负载实验, 对比分析了两种电机的磁场调节能力和带载能力, 得到以下结论, 为混合励磁无刷爪极电机在车载取力发电系统上的应用提供了理论支持和实验依据:

1）在相同的励磁电流下, 混合励磁无刷爪极电机的气隙磁密大于电励磁无刷爪极电机, 意味着产生相同的气隙磁场, 混合励磁无刷爪极电机需要较小的励磁电流, 降低了电机的励磁损耗;

2）在相同的励磁电流下, 混合励磁无刷爪极电机相较于电励磁无刷爪极电机有更高的功率密度;

3）采用“混合励磁” 后, 相同条件下输出功率为5kW 时, 混合励磁电机的转速为3598r/min,比电励磁电机的转速4315r/min 降低了717r/min,电机的低速性能得到了改善。