电励磁同步电机三维有限元分析

电励磁同步电机三维有限元分析

0混合励磁电机多采用主气隙磁场辅助电机小永速机具有效率高、功率密度高的特点。经过工艺转型，高效无刷直流机可以形成。但是,永磁电机气隙磁场难以调节,导致发电状态输出电压调节和灭磁困难,从而限制了高效永磁电机在航空主电源系统中的应用;同时,由于永磁电机直轴磁路中存在磁导率很低的永磁体,使得直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多,因而其固有电压调整率低,外特性硬,对于小功率航空应急电源系统,由永磁同步电机和整流器构成的无刷直流发电机可以直接向负载供电,不需要电压调节装置,从而大大简化控制系统功能和结构,使电源系统具备高效且简单可靠的特点。然而在实际应用中,永磁电机一旦制成,由于制造工艺及永磁体工作点变化等原因,往往导致电机在负载变化范围内输出电压无法满足需求,即因其电压难以调整而无法适用。另外,在中大功率航空应急电源系统中,因负载电枢反应作用增强,永磁电机要在全负载条件下保证规定的电压输出非常困难,也需要一定的电压调节功能。混合励磁同步电机(hybridexcitationsynchronousmachine,HESM)是由永磁和电励磁2种磁势源共同产生电机主磁场、实现气隙磁场调节和控制的一类新型电机。俄罗斯学者最早提出并联磁势混合励磁电机结构,附加气隙多,磁路长,漏磁较大。日本和美国学者的转子分割型混合励磁电机采用中间极,主气隙合成磁场的气隙磁密较低。国内对混合励磁电机的研究处于起步阶段[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],主要集中在对国外转子分割型混合励磁电机的研究与改进方面。文献介绍了一种混合励磁直线同步电机,利用有限元方法对电机磁场分布和电磁推力进行分析和计算。另有学者为克服爪极电机漏磁大的缺陷,提出了在爪极之间放置永磁体形成混合励磁爪极电机结构。此外,混合励磁双凸极电机也受到国内外关注,这种电机结构相对简单,但感应电势波形非正弦,难以应用于交流场合。本文提出一种新型并列结构混合励磁同步电机,气隙磁场主要由永磁电机部分产生,特殊结构的电励磁无刷同步电机起调节作用。对电机静磁场分布和输出特性进行三维有限元分析计算,原理样机实验结果验证了电机结构的合理性和有限元计算的正确性,表明所提出的混合励磁同步电机具有良好的磁场和输出电压调节能力,且电压调整率低,为航空电源应急电源系统提供了一种新型电机,具有较高的研究和实用价值。1赫斯主义的结构和原则1.1段电机同步电机所提出的并列结构HESM由2部分构成,结构如图1所示(为便于说明,采用1/4电机模型,且非磁性轴未画出),一部分为切向磁钢永磁同步电机,由于2块永磁体并联提供每极磁通,电机气隙磁密和功率密度大;另一部分为特殊结构电励磁同步电机。2段电机同轴旋转,定子铁心及转子均相互独立,定子共用1套电枢绕组,2段电机在电枢绕组中的感应电势迭加,在磁路上相互独立。切向磁钢永磁同步电机结构本文不再赘述。电励磁同步电机转子由2个特殊结构的转子导磁体(如图2所示)和非导磁填充块构成,2个转子导磁体延伸端之间有嵌绕励磁绕组的导磁桥,2个转子导磁体和导磁桥之间各有一个附加气隙,导磁桥固定于电机端盖上,从而形成新型无刷结构,消除传统电励磁同步电机的电刷和滑环。转子及导磁桥结构如图3所示。为保证电机内2部分气隙磁场对称、一致,永磁同步电机和电励磁同步电机极数相同,且极弧系数相等。1.2电机电枢两组的磁通大小应当得到有效调节并列结构HESM内同时存在2部分主气隙磁路。永磁部分磁路如图4所示。由于2块永磁体并联提供每极磁通,因而气隙磁密高。当电励磁同步电机的励磁绕组中通以直流电流时,励磁磁势产生的磁通路径如图5所示,经过导磁桥、附加气隙、转子导磁体I、主气隙Ⅱ、定子铁心II、主气隙II、转子导磁体II、附加气隙,最后回到导磁桥闭合。励磁电流方向相反,则气隙磁通也将反向。改变励磁电流大小,气隙磁通大小随之改变,而永磁部分主气隙I磁通基本不变,因而整个电机合成气隙磁通将改变,电枢绕组的感应电势能够得到有效调节。可见,并列结构HESM的电压调节范围由电励磁同步电机部分电枢绕组感应电势大小决定,而电励磁同步电机的感应电势又主要由其定子铁心有效长度和气隙大小决定,因此,合理设计永磁和电励磁电机的铁心长度比和主气隙长度比能满足不同调节范围需求。对于航空应急电源系统,主要由永磁同步电机部分发电,电励磁部分起辅助调节作用。2三维场的三维模拟分析2.1结构hesm的有限元模型为验证所提出的电励磁同步电机的结构合理性,对其进行静磁场分析计算。有限元法是目前公认能够准确计算电机电磁特性的有效手段。并列结构HESM的电励磁部分结构特殊,轴向不对称,磁场分布呈明显的三维特性,基于平行平面场的二维有限元方法无法适用,本文利用三维有限元软件包Maxwell3D对电机内磁场分布及不同励磁下空载气隙磁场变化情况进行计算。考虑并列结构HESM的径向磁场对称分布,为减小计算量,设置主从边界,建立电机1/4有限元模型,网格剖分结果如图6所示。图7为典型励磁磁势(magneticmotiveforce,MMF)下,三维有限元法计算得到的空载状态电励磁同步电机部分的转子导磁体和导磁桥磁密矢量图。对比图7(a)和7(b)可见,励磁磁势(电流)改变方向后,导磁体内的磁通方向也完全相反,而磁密大小分布不变;由图7(b)和7(c)可见,随着励磁磁势的增加,电机内饱和程度明显增加,导磁体内磁通密度增大。图8为典型励磁磁势下电励磁同步电机的主气隙磁密分布波形。由图8计算得,当励磁磁势为125和-125A⋅T时,主气隙II的平均磁密大小均为0.097T;当励磁磁势为250A⋅T时,主气隙II的平均磁密为0.206T。可见,磁路未饱和,气隙磁密平均值随励磁磁势线性增加,且双向可调节。由于三维有限元分析计算量很大,难以选取较多状态点进行计算,针对-500~500A⋅T内的8个典型励磁磁势值分别进行三维有限元计算,得到主气隙II磁密大小的平均值变化曲线如图9所示,进一步说明励磁电流能够实现对气隙磁场良好的双向调节作用,验证了所提出电励磁无刷同步电机结构和原理的正确性。2.2发电效率分析并列结构HESM外接整流电路即构成无刷直流发电机,为系统研究其输出特性,在Maxwell3D中建立电机与外电路的瞬态场仿真模型,如图10所示,图中LLICI、LA1~LZ2为电机的励磁绕组和十二相电枢绕组,整流电路采用新型十二相零式半波整流电路结构。图11是发电机转速3000r/min、负载电阻0.25Ω下,励磁磁势Ff为-250、0、250A⋅T时的相电势仿真波形。由图可见,相电势为梯形波,这是由于为满足12相半波整流要求,电枢绕组采用了整距设计。相电势的大小和波形取决于永磁和电励磁2部分气隙合成磁场,其梯形波的平顶值决定了整流输出电压大小。随着励磁磁势的正负变化和增加,相电势变化规律与理论分析及前述静磁场计算结果是一致的。本文研究的并列结构HESM由于针对航空应急电源系统,电励磁部分主要起辅助调节作用,其铁心有效长度短(如表1所示),因而相电势及输出直流电压调节范围小。3相电势测试波形根据2节的分析计算结果,设计并研制了2kW,3000r/min的并列结构HESM原理样机(设计参数如表1所示),构建实验平台如图12所示。图13是并列结构HESM的相电势实验波形,与仿真结果是吻合的。相电势实测波形的平顶处脉振量较小是由于瞬态场仿真中网格剖分精度有限以及实验电机采用定子斜槽等原因造成。图14是不同励磁电流(If)下并列结构HESM原理样机外特性曲线的瞬态场计算及实验结果。可见,计算值与实测结果变化趋势是一致的,实测值比计算值要低主要是定子斜槽及计算忽略电枢绕组阻抗的原因。由图13可见,所提出的并列结构HESM外特性较“硬”,电压调整率低,与传统永磁同步电机的输出特性接近,而且励磁电流可以对输出电压进行正负双向调节。4新型并列结构混合励磁同步电机的特性本文提出并研究了一种新型并列结构混合励磁同步电机,阐述了电机结构特点与磁场调节原理,基于电机的非对称特殊结构,利用三维有限元法详细分析计算了电机空载状态静磁场分布、不同励磁下主气隙磁密变化规律以及瞬态场外特性曲线。设计并制造了原理样机,实验结果与原理分析及有限元计算吻合,表明这种新型