同步永磁混合励磁永磁电机

同步/永磁混合励磁永磁电机

摘要—本文提出了一种同步/永磁混合（SynPM ）电机结果表明，这种电机机具有良好的功率密度和效率.具有良好的调控性.工作原理、有限元分析与这台电机的仿真都在这篇文章中介绍

关键词——弱场，混合，永磁电机，同步电机

1．导言

随着电力电子技术，控制技术，和微电子技术的发展，在许多应用场合中，交流电机正在取代直流电机[1][2]。同时，关于电机在交流传动系统中的运用，已经做出了大量的研究[1][3][4]。各种电机广泛应用于传动系统如：感应电机、无刷永磁直流电机、可变磁阻电动机、同步磁阻电机[2]

在过去二十年中，永磁（PM）材料迅速发展。永磁电机因为其良好的功率密度大和效率高等优点，越来越受欢迎特别是对于小额定功率电机。永磁电机取消了存在于一般电机中的励磁绕组。最近，随着高矫顽力、高剩余磁通密度和高能量的永磁材料的发现，使永磁电机气隙磁通密度可进一步提高，电机的功率密度也得到了进一步增大。然而，永磁材料磁导率较低，因此要改变永磁体磁通需要一个较大的磁动势。当电机需要弱磁运行时，这样就大大限制了永磁电机在高速场合的应用。另一方面，同步电机有很好磁场调节能力。这是由于其气隙小同时电机转子上有一套励磁绕组。然而，将导致电机成励磁绕组损耗，同时电机的滑环与电刷使电机运行不稳定。

本文提出了一种新型的同步/永磁混合励磁永磁电机，电机转子分别有永磁体与励磁绕组，其中有四个永磁极和两励磁绕组；定子与普通的电励磁电机相同。电机内的磁场主要由四个永磁体提供，励磁绕组在电机中主要是起调节作用。通过改变转子励磁绕组的电流方向，改变两个励磁绕组所在磁极的磁势方向，电机可在增磁或去增下运行。虽然电机中仍然存在滑环与电刷，但是当电刷不能使用时也不会造成严重的问题，由于电机中永磁体仍将提供气隙磁通。当转子不通入励磁电流时，由于永磁体有较高的矫顽力，气隙中也存在较大的气隙磁密通。

2．工作原理

同步/永磁混合励磁永磁电机结构如图1所示。电机共有6个磁极，其中4个是永磁磁极，2个是电励磁磁极。总的来讲，这种电机的运行原理与普通永磁电机类似，但这种电机的气隙磁场可调

A 理想磁路分析

为了便于理解工作原理，假定了一个理想磁场因此有以下几点假设

1.铁磁材料为线性材料

2.忽略电机的边缘与端部漏抗

3.在每个极下磁通均匀分布

4.在两个磁极间磁通均匀分布

5.定子与转子磁极表面光滑

图1同步/永磁混合励磁永磁电机结构示意图

图2永磁极等效电路

1) 永磁磁极等效电路：根据“诺顿”的等效电路一个永磁极可等效为一个磁通发生器r Φ与一个漏磁mo

P 的并联，如图２所示。式１与式２表示出了计算公式

r r m B A Φ= (1)

0Q rcc m

m m

u u A p L =

(2)

式中：

m A 表示永磁磁极的有效磁通面积 m L 永磁磁极磁化方向长度 r B 剩余磁通密度 rcc u 永磁体的相对磁导率

根据戴维南定理，等效电路可用磁动势m 与磁阻抗的串联表示，可如图2（b ）所示 0

r

pm m F p φ=

（3）

00

1

m m R p =

（4）

图3六极同步/永磁混合励磁永磁电机的磁路模型

根据永磁体的等效电路方程，同步/永磁混合励磁永磁电机的电路模型如图3所示，图中两个环表示定子轭部与转子轭部，12个磁阻与6个磁势源。在模型中g R 表示电励磁磁极气隙磁阻，可由下式计算得到

0g

g g

l R A μ=

（5）

式中g l 表电励磁绕组的气隙长度，g A 表示铁磁磁极磁通经过的面积。

1

pm g m R R p =

+ （6） 是表示永磁磁极的磁阻

0s

s s

l R A μ=

（7） 是表示两个磁极间漏磁磁阻，式中

s l 表示漏磁路的长度 s A 表示漏磁路的面积

px F 表示永磁磁极的磁动势 ex F 表示铁磁磁极励磁绕组的磁动势

磁路等效电路图如下式所示：

12

12

1

i iml iml i i F p R R =∑∑ （8） 式中p 表示转子磁势（将定子作为零磁势参考点）

i F 表示磁动势第i 条支路

i R 表示磁阻第i 条支路

由于永磁磁极与励磁绕组都是成对的关系，因此12

1i

i i

F R =∑总是为零。

求解方程（8）令 0P =

因此第i 条支路的磁通为

1i i i

F R φ=

⋅ 所以，励磁绕组的磁通为

ex

ex g

F R φ=

永磁磁极的磁通为

pm pm pm

F R φ=

由方程（11）表明，由于铁磁磁极的气隙磁阻小，改变铁磁磁极的磁动势可很容易改变气隙磁密的大小。但是由于永磁磁极的磁阻较大，因此永磁磁极的气隙磁密变化较小。

图4 一相绕组的反电动势

同步/永磁混合励磁永磁电机的电枢绕组连接方式，假定转子的转速衡定，励磁绕组改变电流，即可变化绕组电压的反电动势。

2）一相绕组的反电势：一相绕组感应电压

i

i d e dt

Λ=

（13） 随着转子绕组，每一相绕组经过两个永磁磁极与一个铁磁磁极，由于铁磁磁极中电流方向可调，一相绕组反电动势波形如图4所示，图4（a ）中表示励磁绕组为增磁作用时反电动势波形，图4（b ）中表示励磁绕组不通入电流时反电动势波形，图4（c ）中表示励磁绕组为弱磁作用时反电动势波形。

图4表示一相绕组在三种工况下的反电势波形，但电机绕组由三相绕组组成，其它两相反电动势波形与其类似。所以在任何时刻总有两个永磁磁极和一个铁磁磁极的影响。图5,6,和7分别表示三相绕组反电动势在铁磁磁极励磁电流为正，励磁电流为零，励磁电流为负时电动势波形。

在三种工况下，假定转子转速衡定，o e 为一相绕组感应的反电动势，在第一种工况下通入正向的励磁