同步永磁混合励磁永磁电机

1 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

2

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与一个漏磁moP的并联，如图２所示。式１与式２表示出了计算公式

rrmBA

(1)

0QrccmmmuuApL (2)

式中：

mA表示永磁磁极的有效磁通面积

mL永磁磁极磁化方向长度

rB剩余磁通密度

rccu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

0rpmmFp （3） 3 001mmRp （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gR表示电励磁磁极气隙磁阻，可由下式计算得到0ggglRA （5）

式中gl表电励磁绕组的气隙长度，gA表示铁磁磁极磁通经过的面积。

01pmgmRRp （6）

是表示永磁磁极的磁阻

0ssslRA （7）

是表示两个磁极间漏磁磁阻，式中

sl表示漏磁路的长度

sA表示漏磁路的面积

pxF表示永磁磁极的磁动势

exF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：

12121iimlimliiFpRR （8）

式中p表示转子磁势（将定子作为零磁势参考点）

iF表示磁动势第i条支路 4 iR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121iiiFR总是为零。

求解方程（8）令

0P

因此第i条支路的磁通为

1iiiFR

所以，励磁绕组的磁通为

exexgFR

永磁磁极的磁通为

pmpmpmFR

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

iidedt （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，oe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 5 电流，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相反，则绕组的反电动势为：

3eiroee (14)

如图5所示。

在第二种工况下，励磁电流为零，绕组反电动势为

2eiroee (15)

如图6所示。

第三种工况励磁电流为负，铁磁磁极的磁势方向与相邻的永磁磁极的磁势方向相同，绕组反电动势为

002eireee

(16)

图5通入正向励磁电流时反电动势

图6通入励磁电流为零时反电动势

图7通入负向励磁电流时反电动势

如果机电通入一个正弦波反电势

2eirpmexeww (17)

因为ex=ffLi电路反电势也可以写成这表示为

2eirpmffewwLi (18)

式中eire可通过fi，但是永磁磁极下的气隙磁密几乎保持不变。 6 3．电路模型

从同步/永磁混合电机的结构可以看出，这种新型电机结合了永磁机与同步电机的优点，电机两点优点使之不同于普通同步电机与永磁电机，优点一同步/永磁混合电机与永磁电机相比气隙磁场可调，优点二同步/永磁混合电机的电枢反应比普通的同步电机小，电机的端电压范围较大

A：稳态模型

同步电机和永磁电机通入正弦波形时，电压方程是

ddqqVIRjIxjIxE (19)

功率方程是

211sin()sin(2)()dqdEVPVxxx （20）

式中是反电动势E和端电压V的向量夹角，由电机的磁势源不同，因此它不同于同步电机和永磁电机。

在式（19）中，相量图表示了弱磁工况,电压为常数,由于反电动势可以由励磁电流控制,电枢电流向量可假定它垂直，仅有q轴电流。

在弱磁进，电流与电压，由于假定电流只有q轴方向，因此电压方程是

qqVEjIwL （21）

相应的相量图所示图8。

由于电压为常值，jw垂直于电压向量，

222()qqVEIwL （22）

等式（22）除以2w，可得

222()()qqVILw （23）

设额定转速为ow，为保证电流，最大转转速为maxw在最小磁链为1/k时转速为

2220()()qqoVILw （24）

图8忽略绕组电阻时电路电压方程 7 最大速度时方程

2220max()()qqVILwk （25）

经过一些代数之间的关系最大速度和额定转速的关系

0max221(1)()qqkwwIxkv （26）

式中qoqxwL当速度为ow时，q轴电抗。当0.3qqIxV和3k，则速度范围约为理想情况下的2.29的情况。结果表明转速不超过3为了达到更宽的调节范围，qx将减小。

B.暂态模型

同步/永磁混合电机的瞬态模型结合了同步电机的瞬态模型与永磁电机的瞬态模型，当转子没有阻尼条时电机的方程如下所示。

000000000000000qqqadddaaafffddtvirdvirdtrviddtrviddt （27）

00000000000000qqqdpmddofdffffiLLiLioLLio （28）

4．耦合电路仿真

交流电机的d-q模型是已经确定并已经广泛应用电机分析中。它是基于定子绕组正弦排布与气隙磁密为正弦分布的假设。但是这些假设并合适于所有电机如凸极永磁电机，感应电机，同步磁阻电机，在一相短路或开路时。

同步/永磁混合电机的电路方程可以写成

ssssdvRIdt （29）

rrrrdvRIdt （30） 8 ssssrrrspmLILI （31）

rrssrrrrpmLILI （32）

sR定子电阻的对角矩阵

rR转子电阻的对角矩阵

ssL定子电感矩阵

rrL转子电感矩阵

srL定子对转子互感矩阵

TrssrLL转子对定子互感矩阵

sI定子电流矢量

rI转子电流矢量

sv定子电压矢量

rv转子电压矢量

spm由永磁体产生的磁链与定子绕组相耦合

rpm由永磁体产生的磁链与转子绕组相耦合

电机的转矩为

12pmsTTTsssremsssrsddIdITIIIIIddd （33）

机械平衡转矩

1()emloaddwTTdtj （34）

dwdt （35）

式中

为机械角度

w为机械转速

loadT为负载转矩