新型混合励磁同步电机的分析、设计及控制策略研究

东南大学

博士学位论文

新型混合励磁同步电机的分析、设计及控制策略研究

姓名：杨成峰

申请学位级别：博士

专业：电气工程

指导教师：林鹤云

20071127

东南大学博士学位论文

在这种结构中，两种磁势是并联关系。励磁绕组放置在定子上，省去了滑环、电刷。但它的电励磁部分为爪极结构，附加了气隙，磁路长，漏磁大，永磁磁路和电励磁磁路耦合较强。电励磁的磁通路径中既存在轴向磁路，又存在径向磁路，因此在这种结构中，电机不宣细长。

另一种磁路独立转子结构同俄罗斯的结构基本相Ｎ‘：ｓＪ。两种结构的不同之处在于磁路独立转子结构中存在隔磁环，使得电励磁和永磁部分各自独立，减少了图１．３中存在的永磁和电励磁问的耦合。

２．磁极分割型混合励磁电机

磁极分割型混合励磁电机（ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｐｏｌｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ，ＣＰＰＭ）是英国学者Ｅ．Ｓｐｏｏｎｅｒ在１９８９年提出的一种电机拓扑嘲，电机结构见图１．１。日本［４１、美国【’”及国内的学者［９－２４１随后对这种新结构进行了研究。根据磁通磁路的不同，该电机又可分为径向磁路和轴向磁路两种拓扑结构形式。

径向磁路ＣＰＰＭ电机的电枢绕组为三相对称绕组。定子被环形直流励磁绕组分成两部分，定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接；转子分成Ｎ极端和ｓ极端两部分。每极端由同极性永磁极和铁心极交错排列，且两端的Ｎ、Ｓ永磁极和铁心极也相互错开。转子铁心和转轴间设有导磁性能较好的转子背轭，用于转子的轴向导磁。两个磁势源的磁路相对独立，两者并联提供工作磁通，共同作用形成电机的主磁场。

（ａ）结构模型（ｂ）样机

图ｌ－４径向磁路磁极分割型混合励磁无刷电机

由上面分析可知，这种结构的电机为径向、轴向混合磁路结构，存在少量附加气隙，故适宜短而粗的结构。

（ａ）结构模型（ｂ）样机定子与转子

图１０ＴＯＲＵＳＮＳ型转子磁极分割型混合励磁电机

美国工Ａ．Ｌｉｐｏ教授等对该电机进行了研究‘锏，并制作了如图ｔ－４（ｂ）㈣ｔ。在此基础上

又提出了一种轴向磁路ＴＯＲＵＳＮ－Ｓ型ＣＰＰＭ电机［７－ｇ］，如图１－５所示。该电机由２个开槽的环形定子铁芯（其中嵌有多相电枢绕组）、２个盘式转子和１个直流励磁绕组构成。直流励磁绕组放置在内外环形定子之间。两个盘式转子表面被分成内圈和外圈，上面交错排列着永磁极和铁芯形成的中间极。ＮｄＦｅＢ永磁极被轴向安装在两片转子的内表面，永磁极的Ｎ极若被放在转子的

４

第１章绪论

内圈，那么Ｓ极就被放在转子的外圈。其工作原理与图１．４所示径向磁路ＣＰＰＭ相似。通过调节励磁绕组的电流来改变气隙磁场。分析可知，两种磁势是并联关系，磁路为轴向磁路，电机不宜细长。

在此之后，Ｔ．Ａ．Ｌｉｐｏ教授等又相继提出了图１－６（ａ）所示ＴＯＲＵＳＮ－Ｎ型和图１－６㈣所示的盘式内转子ＫＡＭＡＮ结构等多种结构形式的轴向磁路ＣＰＰＭ／“。

（ａ）ＴＯＲＵＳＮ－Ｎ型ＣＰＰＭ电机模型（ｂ）盘式内转子ＣＰＰＭ电机模型

图１＿６两种轴向磁路ＣＰＰＭ模型

３．混合励磁爪极电机

香港大学陈清泉院士、上海大学江建中教授等提出了一种混合励磁无刷爪极电动机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｈｙｂｒｉｄｍｏｔｏｒ，ＰＭＨＭ）［２９＂３２］，如图１．７所示。该结构主要由定子、转子爪极、转子磁轭、永磁体和励磁绕组组成。其中定子含内、外两部分。外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，内定子上放有环形直流励磁绕组，在相邻的两个爪极之间放置永磁体。励磁绕组是一个环形线圈，通电后所产生轴向磁通经转子轭到达Ｎ爪极，然后流经气隙、定子铁心、气隙和ｓ爪极，回到转子磁轭，如此形成一个回路，在爪极表面上形成Ｎ、ｓ间隔的极性。ＰＭＨＭ中存在轴向和径向磁通，但以径向磁通为主，结构上适宜短粗，不宣细长。电励磁磁通与永磁磁通在磁路上呈并联关系，气隙磁场为两者之和，通过控制励磁绕组中电流的大小和方向来调节气隙磁场。其缺点是有轴向磁路、漏磁较大。该拓扑结构由于永磁在爪极之间，弱磁比例较小。该结构电机采用工艺较为简单的瓦片形爪极，可用于电动汽车驱动。

（ａ）结构示意图（ｂ）样机转子（ｃ）样机定子

图ｌ－７爪极式混合励磁无刷电动机

此外，国外学者∞】及国内台肥工业大学的

王群京教授［３４－３５］在传统爪极汽车发电机的基

础上也提出了类似的结构，不仅提高了发电机

的功率密度，而且在负载波动情况下可输出更

为稳定的电压，目前该种发电机已进入实用阶

段。不过，由于采用传统爪极，制作工艺较为

复杂，电机漏磁较大。图１－８给出了发电机样

机照片。图ｌ－８混合励磁爪极发电机

５

东南大学博士学位论文

４．组合转子混合励磁电机

根据不同的转子组合，该拓扑又可分为永磁转子与磁阻转子、永磁转子与电励磁转子和永磁转子与爪极电励磁转子等多种结构组合形式，该拓扑的共同特点是转子由两部分组成，且在

磁路上完全独立，两部分转子共用一个定子。

图１－９是英国学者Ｂ．Ｊ．Ｃｈａｌｍｅｒｓ等在１９９８年提出的组合转子混合励磁（ｈｙｂｄｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｒｏｔｏｒ，髓ｃＲ）电机【３６】。电机采用普通交流电机定子，转子则由ＡＬＡ（Ａｒａａｎｙ—Ｌａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｅｄ

Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｅ）转子和表贴式永磁转子两部分构成。在这种结构中，永磁磁通和弱磁磁通各自具有不同的磁路，永磁通只在永磁段的磁路中流通（径向），弱磁磁通只在磁阻段中流通（径向）。弱磁表现为一种合成的效果，在定子铁心的硅钢片中，并不存在真正的磁场削弱。因此，在低速运行时，磁阻部分基本上不产生转矩，从而导致了较低的电机转矩密度，而高速弱磁运行时，永磁段的磁通基本不变，磁阻段的磁通则随弱磁程度的增大而增大，从而导致铁磁损耗随速度几何级数增大。永磁体直接暴露在电枢之下，也容易产生不可恢复的去磁。

图１－９组合转子混合励磁电机

为克服上述方案的缺陷，日本学者把图１－９中的磁阻部分换成了凸极电励磁ｐ”ｑ，如图ｌ—ｌＯ

所示。ＨＥＣＲ电机转子的两个部分之间用空气隙隔开，相当于隔磁环，使得两部分磁路彼此独立，

每一部分磁路均为径向，两部分磁势并联，长度视电机要求适当选取。电机转子由凸极电励磁

转子和永磁体转子轴向串联而成，因此凸极电励磁磁场和永磁体磁场之间完全独立，电枢绕组

串接合成凸极电励磁转子和永磁体转子各自产生的反电势；通过调节直流励磁电流的大小和方

向可对凸极电励磁转子磁场及其反电势进行控制，从而控制电枢绕组的合成反电势。当然，该

电机转子仍需要电刷和滑环。

此外，清华大学胡元德教授也提出了一种采用爪极电励磁转子的ＨＥｃＲ结构形式１３川。电励磁

采用爪极无刷励磁，即将上述的凸极结构改为传统爪极结构，电机结构变得较为复杂。

（ａ）结构图（ｂ）样机截面图

图ｌ—ｌＯ组合转子混合励磁凸极电励磁有刷电机

６

东南大学博士学位论文

变磁极ＳｙｎＰＭ电机由美国Ｔ．Ａ．Ｌ枷教授２０００年提出Ⅲ】，如图ｌ一１２（ａ）所示。电机转子上既有永磁极（４极），又有电励磁极（２极），定子仍为传统的多相电机。通过调节励磁电流，电机不仅气隙磁场发生变化，而且极数也可从６极变为２极，图１－１２（ｂ）所示为２极和６极时电机电动势波形。在该结构电机中，两种磁势为并联关系。永磁磁通有两条路径，一是通过与它相邻的永磁体，另一条是通过与它相邻的铁心极。永磁体和励磁绕组产生的磁场均为径向磁场。由于励磁绕组在转子上，故电机中有电刷和滑环。

图１．１３所示为文献［４５１提出的磁极不变ＳｙｎＰＭ电机。该电机转子结构的八个磁极中，四个磁极为永磁磁极，其余四个磁极则为具有励磁绕组的铁芯磁极。改变励磁绕组的直流励磁电流的大小、方向可控制铁芯磁极的磁密大小及方向，从而达到控制电机磁场的目的。由于励磁绕组在转子上，故电机有电刷和滑环。

（ａ）结构图７．轴向磁通混合励磁电机

（ｂ）样机

（ｃ）定转子叠片

图１一１３混合励磁转子磁极同步电机轴向磁通混合励磁电机（ａｘｉａｌｆｌｕｘｈｙｂｒｉｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ，ＡＦＨＥＭ）拓扑主要有两种结构形式：一种是环形定子横向磁通（ｔｏｒｏｉｄａｌ－ｓｔａｔｏｒ订娜ｖｅｒ睁ｆｌＵＸ，ＴＳＴＦ）混合励磁电机，另一种是气隙磁场直接控制的盘式混合励磁电机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅｗｉｔｈｄｉｒｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｉｒ－ｇａｐｆｌｕｘ）。该拓扑的主要特点是电机永磁磁通与电励磁磁通都是轴向磁通，励磁绕组在定子侧。

ＴＳＴＦＭ电机是英国学者Ｅｖａｎｓ和Ｅａｓｔｈａｍ在１９８３年提出的一种混合励磁电机拓扑ｐ’４６ｊ，最初用于发电机，结构如图１．１４所示。在该结构电机中，永磁体和励磁绕组产生的均为轴向磁场，两种磁势为并联关系。励磁绕组在定子上，省去了滑环和电刷，但由于通过轴向导磁，电机漏磁较大，结构上宜短粗。

另一种ＡＦＨＥＭ电机是如图１．１５所示的盘式混合励磁电机（４７＂Ｊ。该电机将定子机壳作为一个磁通旁路，改变了电机原有的磁路结构，调节直流励磁电流可控制铁芯磁极的极性和磁密大小，从而达到控制气隙磁场的目的。此外，文献［４８－４９１提出了另两种直接控制气隙磁场的盘式混合励磁电机，其工作原理与图１．１５所示电机类似，不再赘述。

图１—１４环形定子横向磁通电机８

图ｌ—１５盘式混合励磁电机

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pkyq.html