-
同步
/
永磁混合励磁永磁电机
< br>
摘要—本文提出了一种同
步
/
永磁混合
（
SynPM
）
电机结果表明，<
/p>
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<
/p>
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
1
<
/p>
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
P
mo
的并联，如图２所示。式１与式２表示出了计算公式
?
r
?
B
r
A
m
(1)
p
m
0
?
式中：
u
Q
u
rcc
A
m
L
m
(2)
A
m
表示永磁磁极的有效磁通面积
L
m<
/p>
永磁磁极磁化方向长度
B
r
剩余磁通密度
u
rcc
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
F
pm
?<
/p>
?
r
p
m
0
（
3
）
2
R
m
0
?
1
（
4
）
p
m
0
图
3
六极同步
/<
/p>
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
R
g
表示电励磁磁极气隙磁阻，可由下式计算得到
R
g
?
l
g
?
0
A
g
（
5
）
式中
l
g
表电励磁
绕组的气隙长度，
A
g
表示铁磁磁极磁
通经过的面积。
R
pm
?
是表示永磁磁极的磁阻
1
?
R
g
（
6
）
p
m
0
R
s
?
是表示两个磁极间漏磁磁阻，式中
l
s
（
7
）
?
0
A
s
l
s
表示漏磁路的长度
A
s
表示漏磁路的面积
F
px
表示永磁磁极的磁动
势
F
ex
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<
/p>
F
1
p
?
?
i
（
8
）
?
iml
R
i
iml
R
i
12<
/p>
式中
p
表示转子磁势（将定子作为零磁势
参考点）
F
i
表示磁动势第
i
条支路
3
R
i<
/p>
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
求解方程
（
8
）令
P
?
0
因此第
i
条支路的磁通为
< br>
F
i
?
i
?
1
R
总
是为零。
i
12
?
i
?
1
?
F
i
R<
/p>
i
所以，励磁绕组的磁通为
?
ex
?
F
ex
R
g
永磁磁极的磁通为
?
pm<
/p>
?
F
pm
R
pm
由方程（
1
1
）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
e
i
?
d
?
i
（
13
）
<
/p>
dt
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，
e
o
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
4
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：
e
eir
?
3
?
e
o
< br>
(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
e
eir
?
2
?
e
o
(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
e
eir
?
2
?
e
0
?
e
0
(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
e<
/p>
eir
?
2
w<
/p>
?
pm
?
w
?
ex
(17)
因为
?
ex
=
L
f
i
f
电路反电势也可以写成这表示
为
e
eir
?
2
w
?
pm
?
wL
f
i<
/p>
f
(18)
式中
e
eir
可通过
i
f
，但是永磁磁极下的气隙磁密几乎保持不变。
5
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
< br>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
V
?
I
R
?
jI
d
x
< br>d
?
jI
q
x
q
?
E
(19)
功率方程是
P
?
EV
1
1
sin(
?
)
?
V
2
sin(2
?
< br>)(
?
)
（
20
）
<
/p>
x
d
x
q
x
d
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
V
?
E
?
jI
q
wL
q
（
21
）
<
/p>
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，
V
2
< br>?
E
2
?
(
I
q
wL
q
)
2
（
22
）
<
/p>
等式（
22
）除以
w
，可得
2
V
(
)
2
?
?
2
?
(
I
q
L
q
)
2
（
23
）
<
/p>
w
设额定转速为
w
o
，为保证电流，最大转转速为
w
m
ax
在最小磁链为
1/k
时转速为
(
V
2
)
?
?
0
2
?
(
I
< br>q
L
q
)
2
（
24
）
w
o
图
8
忽略绕组电阻时电路电压方程
6
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