高速轴向电励磁双凸极电机设计与特性分析*

沈 澳, 孟小利

(南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京 210016)

0 引 言

多电飞机将飞机的二次能源统一为电能,这不仅简化了飞机结构,改善了飞机性能,还可以节省运行成本,多电飞机逐渐成为现代航空飞机的主要发展方向之一。但用电设备的增加又对航空电源提出了更高的要求,现代航空电源不仅需要更大的电源容量,而且对电源可靠性和电能质量的要求也不断提高[1]。查阅文献可知,目前航空电源采用较多的电机是三级式无刷交流同步电机、永磁双凸极电机、永磁同步电机、开关磁阻电机和电励磁双凸极电机。

三级式无刷交流同步电机采用变频直流发电模式,但由于三级式电机结构复杂,难以保证可靠性,且转子上安装旋转整流器,会限制电机转速,使得电机功率密度难以进一步得到提升;永磁电机虽然具有高功率密度优势,但永磁体在高温下易退磁,且无法实现故障灭磁;开关磁阻电机(SRM)转子上无绕组和永磁体,适用于恶劣环境,电励磁双凸极电机(DSEM)则在继承了SRM优势的基础上加以改进,采用全周期发电,同时定子上加装励磁绕组使得励磁可调,DSEM不仅结构简单,适合高温高速运行,且控制灵活,因此正逐步成为主流航空起动发电机的有力竞争者[2]。

现有的DSEM大多采用传统径向励磁的方式,电机结构简单,便于制造,功率密度也高,但由于DSEM定子槽内需要同时放置电枢绕组和励磁绕组,因此在槽满率和导线最大电流密度的限制下,励磁和电枢匝数受限,往往难以发挥电机的最优性能。另外,由于各相磁路长度不同,各相磁链并不对称。因此,有学者提出了轴向励磁的构想。

文献[3]初步提出了轴向励磁双凸极电机的构想,但仅简单描述结构,并未进行深入研究。文献[4]设计了一种盘式双凸极电机,但盘式电机存在附加气隙,附加气隙会增大磁路磁阻,因此限制了功率密度。文献[5]提出了一种轴向混合励磁双凸极电机,电机磁链双极性变化,正弦度高,效率高,适于航空高速运行,但结构上将定子分成四份,结构复杂的同时容易产生更大的漏磁问题。文献[6]提出了一种轴向磁通线圈辅助定子励磁无刷直流电机,利用辅助励磁线圈和电枢绕组混合之后的励磁电流-转矩控制,实现了电机转速和转矩的快速调节,减小了转矩脉动,提高了电机稳定性。但此电机轴向的磁场仅起辅助调节作用,且并未研究其发电特性。

本文结合电励磁双凸极电机和轴向电机的优势,设计了一种新型轴向电励磁双凸极电机(DSAEM),文中对该电机结构和工作原理进行分析,并对其重要尺寸参数进行优化,再利用有限元软件仿真验证其优化效果,最后对其空载和负载特性进行分析。

1 电机结构和工作原理

1.1 电机结构

图1和图2为DSAEM的结构图,电机由两段定子铁心、两段转子铁心、内导磁体和外导磁体组成,其中内导磁体即导磁转轴,图中为了不遮挡其他结构只画出了1/4的电机结构,为了便于散热,可将定子和外导磁体平均分成四块,电机整体可以看成是由a边和b边两个三相12/8电机组成,定子12极,转子8极,中部预留空间放置励磁绕组,电枢绕组集中缠绕在定子极上,转子上无绕组,定转子由硅钢片叠压而成,a边和b边定子极和转子极都对称放置。

图1 DSAEM二维图

图2 DSAEM三维图

电机绕组也分为a边绕组和b边绕组,绕组分布如图3所示,下面以A相为例说明绕组缠绕方式。对于a边来说,设其属于A相的线圈为A1、A2、A3、A4,正向串联,形成a边A相绕组,通入电流后,A相线圈将在定子极内产生同方向的磁链,方向为从转子极到定子极;对于b边来说,设其属于A相的线圈为A1′、A2′、A3′、A4′,同样正向串联,形成b边A相绕组,通入电流后,A相线圈也会在定子极内产生同方向的磁链,方向为从定子极到转子极。a边A相绕组和b边A相绕组反向串联,以实现a边和b边的磁链叠加[7]。

图3 绕组展开图

1.2 工作原理

DSAEM的磁通路径如图4所示,根据磁通最小原理,当给励磁绕组通入直流电流后,会在内导磁体中产生沿轴向的磁场,磁场沿图4所示路径经过a边转子进入气隙再进入a边定子,通过外导磁体进入到b边定子中,再通过气隙和b边转子进入内导磁体形成闭合回路。由于同属一相的电枢绕组是反向串联关系,所以最终电机总磁链为a边和b边磁链绝对值之和。当转子转入定子极时,对应相的磁链增加;转子转出定子极时,对应相的磁链减小;定转子极无重合时,磁链不变,始终为0。根据经验确定的电机结构尺寸见表1。

表1 电机尺寸

图4 磁通路径

2 DSAEM数学模型

DSAEM的轴向结构相对复杂,每段磁路都不能简单地用线性磁阻方式来计算,且电机局部饱和以及漏磁等因素也会对其分析造成影响。为简化分析,这里忽略以上影响因素,建立简单的数学模型。

2.1 磁链方程

以A相为例,其磁链方程如下:

ψa=Laia+Labib+Lacic+Lafif

(1)

式中:La为A相自感;Lab为A相和B相互感;Lac为A相和C相互感;Laf为A相和励磁绕组互感;ip(p=a,b,c,f)为各相电流和励磁电流。

2.2 转矩方程

转矩方程可表示为

Tr+Tc+Tf

(2)

式中:Tr为磁阻转矩;Tc为齿槽转矩;Tf为励磁转矩。

磁阻转矩是由相绕组自感引起的转矩;齿槽转矩是由励磁绕组自感引起的转矩,表现为空载状态下定子将转子拉回到对齐位置的趋势;励磁转矩是相绕组和励磁绕组互感引起的转矩,为DSAEM的主转矩。

3 电机静态参数分析

采用三维有限元法,利用Ansys仿真软件中的maxwell电磁仿真模块搭建模型进行仿真分析。

3.1 空载磁场

空载时,固定励磁电流为2 A。图5给出了DSAEM以定子极到转子极的空载磁场分布情况,图5(a)为电机定转子对齐位置轴向剖面的磁感应强度矢量图,图5(b)为轴向剖面磁感应强度云图。从图5(a)和图5(b)中可以看出,转轴中部磁感应强度最大,其次为外导磁体中部,这两处是磁力线分布最密集的地方,这也为电机设计提供了思路。因此,为了避免饱和,可适当增大转轴直径和外导磁体厚度。取b边电机正中部为横切面得到图5(c)和图5(d),即为横向剖面的磁场分布情况图,由图5(c)和图5(d)可知,在定转子极对齐的位置,磁力线最密集,非对齐位置磁力线稀疏,存在一定的漏磁现象,这与径向励磁的双凸极电机一样,不同的是,DSAEM所有磁力线的方向都相同。

图5 DSAEM空载磁场分布

3.2 气隙磁密

DSAEM气隙磁密可分为两类,即圆周向气隙磁密和轴向气隙磁密。前者如图6所示,取电机b边正中部作横截面得到圆周气隙磁密图,后者如图7所示,取定转子极对齐位置的极中心线作竖切面得到轴向气隙磁密图。

图6 圆周气隙磁密

图7 轴向气隙磁密

圆周向气隙磁密在四个对齐位置达到最大值,约为0.45 T,在非对齐位置也存在一定的漏磁现象;轴向气隙磁密从b边端部开始,在[0 mm,25 mm]上下波动较大;在[25 mm,80 mm]趋于稳定,稳定后也维持在0.45 T左右,但也可以看出,这一区间磁密依然在上升,这说明利用线性磁路法无法准确描述电机;[80 mm,130 mm]经过中部,磁密为0;[130 mm,210 mm]进入a边,磁密变化规律与b边相同。

3.3 磁链

图8给出了励磁安匝数统一为400状态下DSAEM和DSEM一个电周期内的三相磁链波形,两种电机磁链的变化规律基本一致。以A相为例进行说明,前1/3电周期转子转入定子极,磁链上升;第二个1/3电周期转子转出定子极,磁链下降;最后一个1/3电周期定转子无重合部分,磁链几乎为0。二者磁链的一致性使得用于DSEM的控制方式也同样适用于DSAEM,比如提前角控制策略[8]、三相六状态控制策略[9]、三相九状态控制策略等[10-14]。

图8 三相磁链

DSAEM相比于DSEM来说,由于磁各相磁路几乎相同,故其磁链波动很小,表2和表3分别为DSAEM和DSEM三相磁链数据。DSAEM各相磁链最大值波动0.38%,最小值波动0%,各相磁链基本一致;DSEM磁链最大值波动5.5%,最小值波动27.8%。

表2 DSAEM磁链数据 Wb

表3 DSEM磁链数据 Wb

3.4 电感

电感是DSAEM的重要静态参数,从DSAEM数学模型可以看出,无论是电机的磁链还是电磁转矩都与电感有着密切的关系。图9给出了励磁电流If=2 A条件下的一个电周期内电枢绕组自感、电枢绕组互感和电枢绕组与励磁绕组互感图。

图9 DSAEM电感

电感的计算式如下:

L=N2Λ

(3)

式中:N为匝数,Λ为磁导。

在DSAEM中,气隙随转子转角变化而不断变化,所以电感是位置角的函数,在定转子极对齐的位置,气隙最小,气隙磁导最大,电感最大。另外,由于磁路差异,DSAEM中从a边某相穿出的磁链进入b边后会重新分配,这就导致DSAEM存在比DSEM更大的相间互感,相间互感会在电角度为60°时达到最大值。以AB互感为例,此时对于A相来说,转子极刚好一半进入定子极,而对于B相来说,转子极刚好一半转出定子极。

4 输出特性分析

4.1 空载特性

图10为外发电电路图,为了获得最原始输出的电压波形,发电外电路采用由六个二极管构成的整流电路,不采用滤波电容,外接负载电阻Ro,令Ro=∞得到空载输出电压。图11给出了If=2 A,6 A,10 A,14 A四个不同励磁电流下的空载输出电压波形图。

图10 外发电电路图

图11 空载输出电压图

定义输出电压脉动为

(4)

空载输出电压脉动率分别为24.51%、26.37%、26.79%、26.59%。

电机的空载特性如图12所示,从图中可看出电机在If=4 A时开始进入饱和,If=12 A时已接近深度饱和,此时再增加励磁电流,输出电压增大则不明显。

图12 空载特性

4.2 负载特性

仍采用图10所示的电路,外接纯阻性负载,电机在不同励磁电流下的外特性和功率特性如图13所示。从外特性曲线可以看出,电机外特性较软,电压调整率较大。从功率特性曲线可以看出,随着励磁电流增加,电机功率增加,依据空载特性曲线,假定励磁电流If=16 A时电机完全饱和,电机最大功率可达30 kW,此时输出电流达到40 A,输出电压为750 V,电机铁损为1.68 kW,铜损为197.6 W,效率为93.74%,功率密度为6 000 kW/m3。

图13 负载特性

5 结 语

本文设计并研究了一种新型高速轴向电励磁双凸极电机,介绍了电机结构和工作原理,并建立了数学模型,利用三维有限元法进行仿真分析,得出结论如下:

(1) 电机具有双定转子结构,转子无绕组,无永磁体,可在恶劣条件下运行,且励磁可调,以便于调压,其效率高,功率密度大,适于航空电源系统。

(2) 电机励磁绕组放置在中部,拥有更大的空间,避免了因槽面积和电流密度的限制而使得电机实际功率密度较低的问题,同时减轻了对定子槽内绕组的压力,定子槽内可放置更多电枢绕组,也有采用粗导线增加电流承载力。

(3) DSAEM三相磁路对称,三相磁链波动很小,可输出更稳定的电压,且由于磁链类似于DSEM,控制上可直接采用DSEM的控制方式,简单方便。