混合勵磁同步電機的技術方案分析

寧銀行，劉 闖，姜仁華,2，張 磊，朱姝姝

(1.南京航空航天大學 自動化學院,南京 210016) (2.中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，江蘇 無錫 214063)

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混合勵磁同步電機的技術方案分析

寧銀行1，劉 闖1，姜仁華1,2，張 磊1，朱姝姝1

(1.南京航空航天大學 自動化學院,南京 210016) (2.中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，江蘇 無錫 214063)

介紹了設計混合勵磁同步電機(HESM)時，涉及的主要技術問題及其方案選擇，包括原型電機方案、永磁/電勵磁磁勢串并聯(lián)關系、勵磁結構方案、定轉子槽/極匹配原則和諧波抑制方案等。提出了一個勵磁繞組位于轉子的HESM樣機模型，以該模型為例，計算了調磁特性，研究了斜槽方案對諧波抑制的有效性，分析了電勵磁對電感的影響，對于HESM電感的非線性，為簡化轉矩控制的復雜性，宜采用id=0控制。研究了永磁/電勵磁比重對調磁特性的影響，以凸極同步發(fā)電機為基礎，適當增加永磁，設計得到的另一新型HESM，具有較強的勵磁能力，且故障發(fā)生時可實現有效滅磁。

混合勵磁同步電機；拓撲結構；諧波抑制；電感特性；調磁特性

0 引 言

永磁電機的結構形狀設計靈活，具有轉矩密度大，損耗小，效率高，質量輕，結構簡單，運行可靠等優(yōu)點，應用廣泛。但主極磁場不可調的特點，限制了永磁電機在諸如發(fā)電和寬范圍調速等場合中的應用?；旌蟿畲烹姍C是在永磁電機的基礎上，引入電勵磁繞組，在繼承永磁電機優(yōu)點的同時，確保氣隙磁場可調。

美國學者Mccarty F B[1]、俄羅斯學者[2]和美國學者Radomski T A[3]分別較早地提出了磁極分割式、磁分路式和爪極式等結構的混合勵磁電機，影響較為深遠。各國學者將應用需求和結構設計相結合，探索了混合勵磁電機在多個領域中應用的可行性，涉及到航空航天[4]、電動汽車、風能利用、艦船推進等，經濟前景廣闊。

早在20世紀70年代，美國、以色列、法國等國著手開展電機驅動的機載雷達，國內也在90年代中期開展了電機伺服系統(tǒng)取代液壓伺服系統(tǒng)的研究工作。以永磁同步電機為電機原型的混合勵磁同步電機(HESM)，轉矩密度高、轉矩脈動小、功率因數可控性好，在較寬的轉速范圍內具有良好的運行平穩(wěn)性。HESM用于伺服電機，能夠適應電機伺服系統(tǒng)所要求的力矩大、響應快、可控精度高等特點。

本文介紹了設計HESM時，涉及的主要技術問題，包括原型電機的轉子方案、勵磁拓撲結構方案、定轉子匹配原則、諧波抑制方案和轉矩控制策略選擇等方面。以一個勵磁繞組位于轉子的HESM樣機為例，介紹了HESM的基本特性。

1 HESM的拓撲方案分析

1.1 電機原型的轉子結構

HESM是以永磁同步電機為電機原型進行結構調整得到的新型電機。在設計HESM時，電機原型的選擇對HESM的拓撲結構和性能特點影響較大。圖1給出了永磁同步電機轉子的典型結構。按照永磁體磁化方向和轉子旋轉方向的相互關系，分為徑向式、切向式和軸向式。

圖1 永磁電機的轉子結構

圖1a)中永磁體沿軸向插入槽中，結構簡單，運行可靠；漏磁少，但氣隙磁密偏?。粓D1b)中電感凸極率大，磁阻轉矩大，同一磁極的磁通由相鄰永磁體提供，適用于極數多且要求氣隙磁密大的電機；圖1c)是由兩個帶爪的法蘭盤和一個圓環(huán)狀的永磁體構成，左右法蘭盤的爪極數相同，沿圓周相互均勻錯開，該類電機的優(yōu)點是永磁體的形狀簡單、磁性能好、磁化均勻；電樞反應對永磁體的去磁作用小，永磁體的抗去磁能力強。缺點是：爪極結構復雜，制造困難；爪極自身的離心力大，需要專門的緊固措施，爪極和法蘭盤占轉子的比重大，質量偏大。

永磁同步電機的轉子拓撲結構確定后，通過結構調整，增設電勵磁繞組，使電勵磁磁通和永磁磁通共同作為HESM的轉子主極磁通。文獻[5]介紹了磁鋼軸向磁化型混合勵磁同步電機。

1.2 電勵磁/永磁磁勢的串并聯(lián)方案

HESM中包括永磁磁勢和電勵磁磁勢，兩者的相對關系主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和并列型，如圖2所示。其中，Fpm和Fmf分別是永磁磁勢、電勵磁磁勢；Rpm和Riron分別是永磁磁阻、鐵芯磁阻，Rmf特指(磁勢并聯(lián)型HESM中)電勵磁支路的鐵芯磁阻；“外部”指主磁極之外的氣隙和定子部分。

圖2 電勵磁和永磁磁勢的磁路關系

對于磁勢串聯(lián)型HESM，電勵磁直接作用在永磁體上，對永磁體的工作點影響較大。此外，由于永磁磁阻較大，勵磁經濟性差。

對于磁勢并聯(lián)型HESM，電勵磁磁勢和永磁磁勢分別位于不同的磁支路，其中電勵磁磁通經“支路2”-“外部”構成磁回路，磁阻相對較小，勵磁能力提高。就電樞磁勢(位于定子側，圖中未示出)而言，“支路2”對“支路1”具有旁路作用，降低了永磁體發(fā)生不可逆退磁的風險。

對于磁勢并列型HESM，電勵磁磁勢和永磁磁勢有各自獨立的磁回路，因此，電勵磁調節(jié)時，相互影響程度小，電感參數變化小。目前來看，為了實現磁勢并列型，通常是將相互獨立的永磁轉子和電勵磁轉子在轉軸上組合而成，體積較大。

1.3 勵磁拓撲結構方案

根據勵磁繞組的位置，主要有兩類方案：(1)勵磁繞組固定在靜止部件上；(2)勵磁繞組位于轉子上，處于旋轉狀態(tài)。

第一類勵磁方案，易于實現無刷勵磁，具體實施方法：

以圖1所示的轉子為例，不同極性的磁極交替出現在轉子周向上。為分析方便，使用圖3表示轉子磁極，存在N磁極組和S磁極組。將轉子的磁極組沿軸向引出，然后，借助導磁部件構成閉合的磁路，定義該新增磁路為附加磁路，勵磁繞組纏繞在附加磁路上。

圖3給出了S磁極組和N磁極組分別引出到①端和②端，圖4給出了繼續(xù)延伸①端和②端的幾種方法，以便構成閉合磁路。

圖3 磁極分組

在圖1b)所示永磁電機轉子結構的基礎上，采用圖4所示的勵磁拓撲方案，得到相應的切向磁鋼型混合勵磁同步電機[6-8]，永磁體位于相鄰磁極之間，勵磁繞組纏繞在延伸的附加磁路上。

圖4a)是雙端調磁型的勵磁結構方案[6]，利用導磁的端蓋和機殼作為附加磁路，軸向兩端各存在一套勵磁繞組。

圖4b)是磁分路式混合勵磁電機的勵磁結構方案[7]。將N磁極組和S磁極組分別按照圓環(huán)狀沿軸向同側延伸，然后，圓環(huán)狀部件之間設置導磁部件，該部件一是用于導磁，二是用于嵌放勵磁繞組。

圖4 混合勵磁同步電機的勵磁結構方案

圖4c)是爪極式混合勵磁電機的勵磁結構方案[8]。將N磁極組和S磁極組分別從軸向不同側，沿著內部收縮，使用導磁部件將兩者連接起來，勵磁繞組繞制在該導磁部件上。

第二類勵磁方案是將勵磁繞組直接放在轉子上，為實現勵磁，具體實施方法：

一是采用有刷勵磁；二是借鑒航空發(fā)電機中常用的三級式方案(永磁副勵磁機、旋轉電樞式交流勵磁機、主電機)；同時，考慮到混合勵磁電機中固有的永磁磁場，省去三級式方案中的永磁副勵磁機，保留交流勵磁機，以混合勵磁電機作為主電機，采用兩級式方案實現無刷化勵磁。

綜上，第一類方案易于實現無刷化勵磁，但存在軸向磁路，轉子等部件為塊狀實體鐵芯，磁路長，漏磁大，勵磁效率低；第二類方案中，磁路短，勵磁效率高。

結合應用需求，完成上述技術問題(原型電機結構，磁勢串并聯(lián)關系，勵磁拓撲結構等)的方案選擇，HESM的拓撲結構基本確定。

圖5為一個混合勵磁型轉子的設計實例，是在切向永磁同步電機轉子的基礎上形成的，勵磁繞組位于轉子上，勵磁磁路短，不涉及軸向磁路。

圖5 混合勵磁型轉子結構

為該轉子設計定子，表1中給出了相關參數值。使用有限元軟件進行計算，同時忽略定子開槽的影響，磁場分布如圖6所示，Fmf為每極電勵磁磁動勢，單位為A·T?？梢钥闯?，施加電勵磁之前，永磁磁場的一部分在轉子中閉合，另一部分進入定子。施加電勵磁后，極身中合成總磁通方向發(fā)生變化，氣隙磁通增大，定子軛部磁密由0.74 T變化為1.21 T。

表1 HESM的主要參數 mm

參數值參數值電機長度95永磁體磁化長度6定子外徑174永磁體寬度29定子內徑112.8勵磁繞組每極匝數180轉子外徑112電樞繞組每相匝數16

圖7為施加電勵磁前的氣隙磁密波形，呈方波特征，除基波分量B1外，還存在大量的諧波分量(諧波抑制問題見后文分析)。基波分量B1是交流電機的有效分量，圖8為勵磁電流變化時，B1的變化特征。在施加電勵磁前，氣隙磁場不為零，隨著勵磁的增強，氣隙磁密由0.68 T增大到1.11 T，調磁范圍約為0.63%。

圖7 氣隙磁密波形(Fmf=0 A·T)

圖8 調磁特性(基波分量B1)

1.4 定轉子的槽/極匹配

圖5所示的混合勵磁型轉子，本質仍然是同步電機轉子。因此，為混合勵磁型轉子(圖5所示)選擇定子方案時，理論上講，與永磁同步電機或電勵磁同步電機的定轉子匹配原則相同，可設計成整數槽，也可設計為分數槽，可設計成分布繞組，也可設計成集中繞組。圖9為基于混合勵磁型轉子設計而成的混合勵磁同步電機，轉子磁極數為4，采用120°相帶，每對極每相槽數q=4，其他主要參數見表1。以圖9所示的混合勵磁同步電機為主電機，采用兩級式無刷勵磁方案的樣機如圖10所示，其電磁特性參見文獻[9]。

圖9 混合勵磁電機結構

圖10 兩級式無刷混合勵磁電機

2 HESM的諧波抑制方案分析

為提高電壓波形品質，通常從槽口、槽形、極槽配合、磁極形狀、斜槽或斜極等方面入手[10]。

(1)半閉口槽或用磁性槽楔

磁性槽楔可以減弱氣隙磁導的波動，緩和齒槽效應，半閉口槽的槽口有效尺寸小，效果上類似于磁性槽楔。但是從圖7可以看出即使定子未開槽，氣隙磁密中仍然存在大量的諧波，因此，該方案僅可作為輔助措施。

(2)增大每極每相槽數q

每極每相槽數q越大，諧波抑制效果越好，但是q越大，意味著定子總槽數越多，電機成本提高。而且，q>6時，高次諧波的分布因數下降不再明顯，因此，通常選用2≤q≤6。實際上，對于特定次數的諧波(如齒諧波)，增大q值也難以獲得理想的諧波抑制效果。

(3)分數槽繞組

每極每相槽數q為非整數時，稱之為分數槽。對于多極的HESM，過大的q不太現實，而采用分數槽繞組是一個較為理想的選擇，通過選擇合理的極槽配合，減小空載電動勢中的高次諧波。采用分數槽時，從其分布因數的表達式上看，分數槽實際上是等效放大了q值。

(4)合理設計磁極形狀

在凸極同步電機中，為削弱諧波分量，可設法改變主極的極靴形狀和極弧長度，例如將極弧系數設計在0.7～0.75。但是對于諸如圖9所示的HESM，由于轉子結構的特殊性，極弧系數難以調整。文獻[9]借鑒隱極同步電機磁極形狀的優(yōu)化方法，控制最大氣隙和最小氣隙，來改善主極磁場的分布。

(5)斜槽或斜極

從定性的角度看，如果一個導體傾斜的范圍正好等于v次諧波磁場的周期，那么在任意時刻，該v次磁場略過導體上的磁力線總和始終為定值(一般為0)。因此，該次諧波不產生電勢，表明此時導體的傾斜程度正好抑制了該v次諧波。

采用斜槽后，導體各小段在磁場中的位置各不相同，即存在空間相位差，因此，各段的感應電勢表現為時間上的相位差。一個導體的感應電勢相當于無數個小段感應電勢的矢量合成。因此，繞組的“斜槽因數”的求解類似于繞組的“分布因數”的求解，具體細節(jié)可參考文獻[10]。

大型電機中采用斜槽時，鐵芯疊壓工藝復雜，傾向于采用斜極方案，斜槽主要用于中小型電機。以圖9所示的HESM為例，節(jié)距r1=5π/6，q=4，優(yōu)化前的相電勢計算結果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前的相電勢(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

采用整數槽時，v=Kz/p±1次的高次諧波表現突出，工程中將其稱之為齒諧波，其中，z為電樞槽數，p為極對數，K為整數。根據設計參數(z=24，p=2)可知，圖11中較大的諧波(11、25、35、47次)正是齒諧波，這表明通過“分布”和“短距”繞組設計對齒諧波的抑制不夠理想，n為電機轉速。圖12為斜過1個齒距(對應的機械角度為360°/24=15°)時相電勢的計算結果，諧波含量大大降低，總的諧波畸變率計算值約為2.28%。

圖12 斜槽后的相電勢(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

3 HESM的控制策略和電感特性分析

HESM的本質仍是同步電機，從定子端看，可以將由永磁和電勵磁激勵的轉子磁場統(tǒng)一看成一個合成磁場，對應的轉子磁鏈使用符號Ψr表示，HESM的電磁轉矩Te方程為

(1)

式中：p為極對數；iq和id分別為q軸電流分量、d軸電流分量；Ld和Lq分別是d軸、q軸電感。

永磁同步電機的電流矢量轉矩控制方法主要有：id=0控制、cosφ=1控制、最大轉矩/電流比控制和最大輸出功率控制等。上述控制策略與Ψr、Ld和Lq等因素密切相關。在永磁同步電機中，上述參數變化波動小，通常認為是恒值，控制策略易于實施，但是對于HESM，電感呈現出新的特性。以并聯(lián)磁路型HESM為例，分析電感特性，如圖13所示。

圖13 磁路并聯(lián)型HESM磁通工作模式

圖13a)中，在未施加電勵磁時，磁通主要由永磁體產生，永磁磁通分別在支路1和支路2中閉合，永磁磁勢較大時，支路2常處于反向磁飽和狀態(tài)；圖13b)中施加正向電勵磁后，電勵磁磁通Ф3和永磁磁通Ф2在支路2中方向相反，因此，正向調磁過程中支路2的磁飽和程度先減小后增大。以圖9所示的混合勵磁同步電機為例，轉子極身對應于圖13中的支路2。在調磁過程中轉子極身處磁密的變化如圖14所示。

圖14 轉子極身的磁密

圖15為HESM的交直軸電樞反應磁路。交軸電樞反應經定子鐵芯、氣隙、永磁體及轉子外緣，形成閉合回路。直軸電樞反應經定子鐵芯、氣隙及電勵磁極身，形成閉合回路。磁路1中僅存在交軸電樞反應磁通，而磁路2則同時受永磁、電勵磁和直軸電樞反應等因素的影響。

圖15 電樞反應磁路

由上述定性分析可知，永磁和電勵磁影響轉子極身飽和程度，進而影響電感參數。電樞相電流ia分別是10 A、20 A、30 A、40 A、50 A時，電勵磁對直交軸電樞電感的影響如圖16所示。

圖16 勵磁電流對直交軸電感的影響

可以看出：1)直軸電樞電感的變化較大，說明勵磁電流對直軸磁路飽和程度的影響較大，與圖13、圖14和圖15的定性分析相一致。

2)與直軸電感相比，交軸電樞電感相對穩(wěn)定。但是，以ia=40 A為例，圖中，Lq的最小值為0.56 mH，最大值為0.62 mH，也變化了10.7%。

根據電感的計算結果可知：1)Ld和Lq均是變化的(尤以Ld為甚)。

2)凸極率ρ=Lq/Ld，存在>1、=1和<1等情況，因此，根據式(1)可知，相對于Ld和Lq通常為定值或變化不大的永磁同步電機而言，對HESM采用最大轉矩/電流比控制、最大功率控制、cosφ=1和最小銅損控制等難度較大。推薦采用id=0的控制策略，有利于減小電感參數變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 轉子設計的進一步探討

在永磁電機的基礎上，調整電機結構，增設勵磁繞組，得到圖9所示的混合勵磁電機，以永磁為主，電勵磁為輔，在電勵磁為0時，存在一定大小的氣隙磁場(如圖6所示)，不利于故障滅磁。相反，在電勵磁同步電機的基礎上，通過調整結構，增設永磁體，形成的HESM，以電勵磁為主，以永磁為輔。

圖17為凸極電勵磁同步電機(EESM)轉子，圖18為在凸極EESM的相鄰轉子磁極之間增設永磁體形成的新型同步電機(EESM-add)轉子。從工作原理上看，圖17中氣隙磁場全部由電勵磁產生，圖18中氣隙磁場也全部由電勵磁提供，但是在EESM-add的轉子極身上，永磁磁通與電勵磁磁通方向相反，削弱了轉子極身的飽和程度，從而提高電勵磁的勵磁能力。

圖17 EESM

圖18 EESM-add

為了進行對比，EESM和EESM-add統(tǒng)一采用表1中的尺寸參數和繞組參數。采用有限元法對其計算，得到的磁場分布和空載特性，分別如圖19和圖20所示，圖中，E0為相感應電勢。在零勵磁時，EESM-add的轉子磁場分布如圖19所示，幾乎所有的永磁磁通在轉子中閉合。

圖19 勵磁分布(Fmf=0 A·T)

圖20 空載特性

從圖20可以看出，除數值大小不同之外，EESM-add和EESM具有相似的調磁特性。與EESM相比，EESM-add的氣隙磁場較大；在勵磁電流為0時，EESM-add的空載電壓近似為0 V，表明故障發(fā)生時，切除電勵磁可實現有效滅磁。

5 結束語

本文介紹了設計混合勵磁同步電機HESM時，涉及的主要技術問題，包括如下方面：

1)分析了HESM的電機原型方案，永磁/電勵磁磁勢的串并聯(lián)關系，勵磁結構方案和定轉子槽/極匹配原則等。

2)為提高HESM的電能品質，以空載電壓波形為例，討論了HESM的諧波抑制方案，如主磁極形狀優(yōu)化和定子斜槽設計。

3)研究了HESM中電勵磁對電感的影響。HESM的電感波動相對較大，針對HESM的轉矩控制時，采用id=0控制策略，有利于簡化控制的復雜性。

4)研究了永磁/電勵磁比重對調磁特性的影響。以凸極同步發(fā)電機為基礎，設計得到的新型HESM，以電勵磁為主，永磁為輔。計算結果表明該新型HESM的勵磁能力有較大提高，同時具有故障發(fā)生時有效滅磁的能力。

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寧銀行 男，1982年生，博士生，研究方向為特種電機設計與控制。

劉 闖 男，1973年生，博士生導師，研究方向為航空電源系統(tǒng)設計，特種電機設計與控制。

姜仁華 男，1981年生，博士生，研究方向為特種電機設計與控制。

Analysis on Technology Scheme of Hybrid Excitation Synchronous Machines

NING Yinhang1，LIU Chuang1，JIANG Renhua1,2，ZHANG Lei1，ZHU Shushu1

(1.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) (2.Radar and Avionics Institute of Aviation Indus Corporation of China,Wuxi 214063,China)

Some technological issues in designing hybrid excitation synchronous machine(HESM) are presented,including the rotor base of HESM,the topology structure for electrical excitation,the matching rule of stator slot to rotor pole,the harmonic suppression methods,and so on.A HESM with the exciting coils in its rotor (HESM-E-R) is proposed.Besides the flux-regulating characteristic of HESM-E-R,the effectiveness of the skewed-slot method in reducing the harmonic order is studied with the finite element method(FEM).In addition,the influence of the exciting current on the inductance is also analyzed and calculated.Because of the non-linear variation of HESM's inductance,id=0 controlling strategy is recommended for the simplification of the system.Finally,a salient pole synchronous generator combining with the permanent magnet(another novel HESM) is presented.This novel HESM has an excellent ability of flux excitation and flux extinction when electrical failures occur.

hybrid excitation synchronous machine; topology structure; harmonic suppression; inductance characteristic; flux-regulating feature

??伺系統(tǒng)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.013

國家自然科學基金(50977044)；國家自然科學基金(51377076)；江蘇省自然科學基金(BK20151574)；江蘇省產學研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻項目(BY2014003-09)

寧銀行 Email：nyh4711343@126.com

2016-07-13

2016-09-26

TM35

A

1004-7859(2016)10-0054-07