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混合勵(lì)磁電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及新進(jìn)展

2017-06-05 14:19寧銀行趙朝會(huì)
電機(jī)與控制應(yīng)用 2017年5期
關(guān)鍵詞:磁路磁極磁通

寧銀行, 趙朝會(huì), 劉 闖

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海 201306; 2. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016)

混合勵(lì)磁電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及新進(jìn)展

寧銀行1, 趙朝會(huì)1, 劉 闖2

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海 201306; 2. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016)

在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上,增設(shè)電勵(lì)磁繞組,以輔助調(diào)節(jié)永磁磁場(chǎng),形成混合勵(lì)磁電機(jī),融合了永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景廣闊。介紹了混合勵(lì)磁電機(jī)的調(diào)磁原理;從電機(jī)原型的角度,分析了混合勵(lì)磁電機(jī)的發(fā)展思路;以勵(lì)磁方案為著眼點(diǎn),提出了一種混合勵(lì)磁電機(jī)的分析方法;結(jié)合混合勵(lì)磁電機(jī)的電磁特性,研究了混合勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)用于汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電和航空航天等領(lǐng)域的控制方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu);提出了混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)的研究思路,展望了混合勵(lì)磁電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

同步電機(jī); 磁通切換電機(jī); 混合勵(lì)磁電機(jī); 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 汽車(chē)用電機(jī); 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

0 引 言

高性能永磁材料、半導(dǎo)體器件和數(shù)字處理器的出現(xiàn),為永磁電機(jī)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度大、損耗小、效率高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、電機(jī)形狀和尺寸設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用范圍廣泛,遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活,但磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)限制了永磁電機(jī)在一些特定場(chǎng)合中的應(yīng)用。電勵(lì)磁電機(jī)磁場(chǎng)易于調(diào)節(jié),功率因數(shù)可控性好,但勵(lì)磁損耗的存在,一方面降低了電機(jī)效率,另一方面增大了溫升過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。為了融合永磁電機(jī)和電勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服兩者的缺陷,引入了“混合勵(lì)磁”的思想?;旌蟿?lì)磁電機(jī)(Hybrid Excitation Motor,HEM)在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),通過(guò)調(diào)整永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu),增設(shè)電勵(lì)磁繞組,對(duì)永磁磁場(chǎng)進(jìn)行輔助性調(diào)節(jié),兼具功率密度高和磁場(chǎng)可調(diào)的特點(diǎn),引起了學(xué)者的關(guān)注。

就時(shí)間先后上看,美國(guó)學(xué)者F. B. Mccarty (1985年)[1]、俄羅斯學(xué)者(1988年)[2]和美國(guó)學(xué)者Thomas A. Radomski(1989年)[3]分別較早地提出了磁極分割式、磁分路式和爪極式等混合勵(lì)磁電機(jī),影響較為深遠(yuǎn)。此后,各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了多角度、多維度的探索。

1 HEM的調(diào)磁原理

以1臺(tái)三相混合勵(lì)磁同步電機(jī)(Hybrid Excitation Synchronous Motor,HESM)為例,介紹HEM的調(diào)磁原理。

空載時(shí)三相繞組磁鏈為

(1)

式中:ψpma_n、ψpmb_n、ψpmc_n——a、b、c相空載永磁磁鏈;

Mfa、Mfb、Mfc——a、b、c相電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感;

if——?jiǎng)?lì)磁繞組電流。

工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí),調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流if大小,反電勢(shì)隨之變化,以a相為例,反電勢(shì)E為

(2)

作為發(fā)電機(jī)使用時(shí),根據(jù)式(2)可知,在勵(lì)磁電流if為零時(shí),永磁磁鏈感應(yīng)出相應(yīng)的初始電壓,在此基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流if的大小,反電勢(shì)E隨之變化。作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí),電機(jī)相繞組端電壓U不小于反電勢(shì)E,應(yīng)滿(mǎn)足:

(3)

式中:N——匝數(shù); Фδ——?dú)庀洞磐?;ωr——角速度。

根據(jù)式(3)可知,工作轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足的約束關(guān)系為

(4)

減小正向(或反向增大)勵(lì)磁電流,可減小氣隙磁通Фδ,從而可拓寬電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。

綜上所述,HEM在發(fā)電及電動(dòng)場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。

2 HEM的結(jié)構(gòu)探索

HEM中,用于產(chǎn)生主極磁場(chǎng)的激勵(lì)源由永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)構(gòu)成,根據(jù)兩者的耦合程度,可以分為弱耦合結(jié)構(gòu)HEM和強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)HEM。

對(duì)于弱耦合結(jié)構(gòu)HEM,電勵(lì)磁和永磁磁勢(shì)相互獨(dú)立,表現(xiàn)為磁勢(shì)并列;對(duì)于強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)HEM,電勵(lì)磁和永磁磁勢(shì)兩者耦合程度高,表現(xiàn)為磁勢(shì)串聯(lián)或磁勢(shì)并聯(lián)。

對(duì)于強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)HEM,根據(jù)永磁體的放置位置,可以進(jìn)一步細(xì)分為定子永磁型HEM和轉(zhuǎn)子永磁型HEM。就目前來(lái)看,HEM中永磁體放置的位置實(shí)際上與其電機(jī)原型密切相關(guān),定子永磁型HEM、轉(zhuǎn)子永磁型HEM分別是以磁阻式雙凸極電機(jī)、永磁同步電機(jī)為電機(jī)原型。

2. 1 并列結(jié)構(gòu)HEM

并列式HEM中主磁極分別由永磁部分和電勵(lì)磁部分構(gòu)成,兩部分在磁路上相互獨(dú)立,勵(lì)磁調(diào)節(jié)方便。

圖1 并列式HESM(中國(guó))

南京航空航天大學(xué)研究的并列式HESM如圖1所示[4]。該電機(jī)為4對(duì)極,轉(zhuǎn)子的永磁部分為內(nèi)置式切向磁路轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子的電勵(lì)磁部分采用特殊的無(wú)刷結(jié)構(gòu),電勵(lì)磁的所有S極統(tǒng)一沿軸向延伸成圓環(huán)狀,電勵(lì)磁的所有N極統(tǒng)一沿軸向延伸成另一圓環(huán)狀,在兩個(gè)圓環(huán)狀之間設(shè)置靜止的導(dǎo)磁橋,導(dǎo)磁橋一方面用作軸向磁路的導(dǎo)磁部件,另一方面在其上開(kāi)槽,用于嵌放勵(lì)磁繞組,可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化雙向調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。永磁部分和電勵(lì)磁部分的轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn),磁極中心線(xiàn)對(duì)齊,極弧系數(shù)相同。

圖2為西門(mén)子工程師提出的一種并列式HEM(圖中未給出定子部分)[5]。如圖2所示,永磁部分為表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),電勵(lì)磁部分是在電勵(lì)磁爪極同步電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造得到的,爪極形狀改造為瓦片形狀。圖2所示的結(jié)構(gòu)為一個(gè)基本單元,文獻(xiàn)[5]中研制了多個(gè)基本單元再并列的樣機(jī)。該電機(jī)的永磁部分和電勵(lì)磁部分磁路仍然相互獨(dú)立,結(jié)構(gòu)緊湊性更高,體積進(jìn)一步壓縮。

圖2 新型并列式HEM(德國(guó))

并列結(jié)構(gòu)的HEM中,電勵(lì)磁部分和永磁部分在磁路上相互獨(dú)立,構(gòu)成并列結(jié)構(gòu)的組合形式靈活多樣。對(duì)于永磁部分,可以是切向磁路結(jié)構(gòu),也可以是徑向磁路結(jié)構(gòu)。對(duì)于電勵(lì)磁部分,可以是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞線(xiàn)式電勵(lì)磁同步電機(jī),可以是爪極同步電機(jī),也可以是雙凸極結(jié)構(gòu)的電機(jī)。表1給出了并列式HEM的幾種典型組合方案。

表1 并列式HEM典型組合方案

2. 2 定子永磁型HEM

定子永磁型電機(jī)的代表結(jié)構(gòu)包括雙凸極電機(jī)、磁通反轉(zhuǎn)電機(jī)和磁通切換電機(jī)等。以磁通切換電機(jī)為例,介紹定子永磁型HEM的發(fā)展歷程。

1997年,法國(guó)學(xué)者Hoang在文獻(xiàn)[12]中提出了如圖3所示的三相12/10極永磁磁通切換電機(jī)。該磁通切換電機(jī)由C型定子沖片拼接在一起,永磁體位于相鄰C型定子沖片之間,永磁體切向磁化。同一C型沖片兩個(gè)“邊”的磁通極性相同,分別源于相鄰的永磁體。帶載工作時(shí),電樞磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)為并聯(lián)關(guān)系,永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)低。

圖3 三相12/10極永磁磁通切換電機(jī)

2007年,法國(guó)學(xué)者Hoang將“混合勵(lì)磁”概念引入到永磁磁通切換電機(jī)中,提出了如圖4所示的三相12/10極混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)[13-14]。在定子沖片外圍增設(shè)鐵心磁橋,通過(guò)鐵心柱將定子軛和鐵心磁橋連接在一起,增設(shè)的勵(lì)磁繞組繞制在鐵心柱上。電勵(lì)磁磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)為并聯(lián)磁路關(guān)系,電勵(lì)磁磁通路徑的磁阻相對(duì)較小,有助于勵(lì)磁能力的提高。

圖4 三相12/10極混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)

圖5 C型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)

在經(jīng)典永磁磁通切換電機(jī)(圖3)的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)東南大學(xué)通過(guò)縮短永磁體,代之以勵(lì)磁繞組填充其空間,在文獻(xiàn)[15]中提出了C型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī),如圖5所示。該結(jié)構(gòu)中定子軛外圍無(wú)磁橋,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但工作時(shí),電勵(lì)磁磁通經(jīng)過(guò)永磁體。

在經(jīng)典永磁磁通切換電機(jī)(圖3)的基礎(chǔ)上,英國(guó)謝菲爾德大學(xué)諸自強(qiáng)教授通過(guò)增加定子齒,使“C”型定子沖片變化為“E”型定子沖片;在文獻(xiàn)[16]中提出了E型永磁磁通切換電機(jī),增加的中間齒不繞線(xiàn)圈,僅作為磁通通路。此結(jié)構(gòu)有利于提高電樞繞組匝數(shù),增大空載反電勢(shì),一方面有利于減小永磁體用量,另一方面,繞組匝數(shù)增高,電感增大,短路故障運(yùn)行能力增強(qiáng)。為了提高氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力,諸自強(qiáng)教授在文獻(xiàn)[17]中提出在(E型永磁磁通切換電機(jī)的)E型定子沖片的中間齒上繞制勵(lì)磁繞組,從而得到E型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī),如圖6所示。該電機(jī)具有相應(yīng)的容錯(cuò)能力,但是E型定子沖片的中間齒對(duì)反電勢(shì)波形的正弦度有一定影響。

圖6 E型混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)

磁通切換電機(jī)中,繞組和永磁體位于定子側(cè),便于散熱,且轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體,也無(wú)繞組,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)械強(qiáng)度高,在高速或超高速場(chǎng)合具有較好的應(yīng)用前景。與雙凸極和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比,磁通切換電機(jī)為雙極性磁鏈,材料利用程度高,功率密度大。與傳統(tǒng)同步電機(jī)相比,磁通切換電機(jī)的磁極極弧系數(shù)偏小,氣隙磁場(chǎng)的利用程度稍低,電壓波形質(zhì)量和帶載特性有待進(jìn)一步改善。

2. 3 轉(zhuǎn)子永磁型HEM

目前來(lái)看,轉(zhuǎn)子永磁型HEM,多以同步電機(jī)為原型。此類(lèi)電機(jī)的磁極極弧系數(shù)大,功率因數(shù)易于控制,但相對(duì)而言,電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(1) 永磁磁鋼的磁化類(lèi)型。對(duì)于轉(zhuǎn)子上的永磁體,可根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形狀,并控制其充磁方向,從而形成不同類(lèi)型的永磁電機(jī)。根據(jù)其磁化方向類(lèi)型可以分為徑向磁化、切向磁化和軸向磁化,如圖7所示。在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)子永磁型HESM(如磁鋼徑向磁化型HESM、磁鋼切向磁化型HESM和磁鋼軸向磁化型HESM)。

圖7 永磁同步電機(jī)磁鋼磁化方向類(lèi)型

(2) 磁鋼軸向磁化型HESM。以磁鋼軸向磁化型HESM為例,介紹轉(zhuǎn)子永磁型HEM的結(jié)構(gòu)特征。2010年,日本學(xué)者在文獻(xiàn)[18]中介紹了如圖8所示的HEM。環(huán)狀永磁體沿軸向磁化,永磁體軸向兩側(cè)為極性相互錯(cuò)開(kāi)的轉(zhuǎn)子磁極,永磁磁通經(jīng)氣隙進(jìn)入定子鐵心。直流勵(lì)磁繞組位于軸向端蓋的凹槽處,為三維空間磁路。該電機(jī)中直流勵(lì)磁磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)是并聯(lián)關(guān)系,永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)小,且不需要集電環(huán)和電刷,運(yùn)行可靠性高。文獻(xiàn)[18]分析了電機(jī)的工作原理、調(diào)磁能力和損耗等,并與異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比性分析。文獻(xiàn)[19]對(duì)該環(huán)形永磁體混合勵(lì)磁電機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn),并分析了定子齒形的優(yōu)化及其轉(zhuǎn)子的機(jī)械應(yīng)力。

圖8 環(huán)狀磁鋼HEM

2006年,巴西學(xué)者在電勵(lì)磁爪極電機(jī)的基礎(chǔ)上,將電勵(lì)磁繞組全部替換為軸向磁化的環(huán)形永磁體,提出了軸向磁化永磁型爪極同步電機(jī),研究了該電機(jī)的3D電磁場(chǎng)分布特征[20-21]。2010年,日本學(xué)者則在保留電勵(lì)磁繞組的前提下,增加環(huán)形永磁磁鋼,提出了如圖9所示的HESM。文獻(xiàn)[22]對(duì)該環(huán)形磁鋼-爪極HESM的轉(zhuǎn)矩密度和勵(lì)磁繞組損耗進(jìn)行了分析,試驗(yàn)表明效率達(dá)85%。

圖9 環(huán)狀磁鋼-爪極HESM

國(guó)內(nèi)山東大學(xué)[23]研究的一種軸向磁化型HEM,如圖10所示。環(huán)形永磁體位于爪極轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中,為解決爪極轉(zhuǎn)子內(nèi)腔空間緊張的問(wèn)題,將電勵(lì)磁繞組放置在爪極的軸向兩側(cè)。

圖10 新型環(huán)狀磁鋼-爪極HEM

為最大限度地利用永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),一般而言,在采用混合勵(lì)磁技術(shù)方案時(shí),磁場(chǎng)激勵(lì)源應(yīng)以永磁為主,電勵(lì)磁為輔,后者僅負(fù)責(zé)氣隙磁場(chǎng)的輔助性調(diào)節(jié)。

3 HEM的勵(lì)磁方案

定子永磁型HEM中電勵(lì)磁繞組和永磁體均位于定子,易于實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁的無(wú)刷化,但對(duì)于以同步電機(jī)為電機(jī)原型的轉(zhuǎn)子永磁型HESM,無(wú)刷化勵(lì)磁則是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于轉(zhuǎn)子永磁型HESM而言,永磁磁鋼位于轉(zhuǎn)子,永磁磁鋼的布置和形狀不固定等,轉(zhuǎn)子磁極在圓周向上交替分布,如圖11所示。如果將相同極性的轉(zhuǎn)子磁極分成一組,則轉(zhuǎn)子磁極中可分成N磁極組和S磁極組,如圖11(b)所示。經(jīng)典HEM(特指轉(zhuǎn)子永磁型HEM),其工作原理的共性部分可以概括如下:使用導(dǎo)磁部件將N磁極組和S磁極組分別加以延伸,并使用另一導(dǎo)磁部件為上述延伸部分搭建磁路,最終形成新增的附加磁路,電勵(lì)磁繞組纏繞在該附加磁路上。在永磁磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)控制附加磁路上的電勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度,因此該附加磁路是電勵(lì)磁磁通路徑的主要部分。由于導(dǎo)磁部件可構(gòu)建的附加磁路多種多樣,因此,纏繞在附加磁路上的電勵(lì)磁繞組位置也是不固定的。作者在文獻(xiàn)[24]中僅簡(jiǎn)要提到了上述基本思想,本文結(jié)合具體案例加以豐富。以磁極分組及其附加磁路作為視角,有利于HESM的分析,以及啟發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖11 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極分布及分組

3. 1 磁分路式

文獻(xiàn)[25-26]介紹的磁分路式HESM,如圖12所示,永磁磁鋼切向磁化,勵(lì)磁繞組放置在(位于軸向端的)導(dǎo)磁橋的開(kāi)槽中。該電機(jī)的磁極分組及其連接方式可使用圖12(b)表示,軸向磁路不需經(jīng)過(guò)機(jī)殼,導(dǎo)磁橋?yàn)殪o止部件,電機(jī)為無(wú)刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。磁極分組特征:N磁極組和S磁極組從同側(cè)沿軸向向外延伸。

圖12 磁分路型HESM

3. 2 雙端調(diào)磁型

法國(guó)學(xué)者研究的雙端調(diào)磁型HESM[27],如圖13所示,永磁磁鋼切向磁化,在軸向兩端各設(shè)置一個(gè)勵(lì)磁繞組。電機(jī)中電勵(lì)磁磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)為并聯(lián)關(guān)系,系無(wú)刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。該電機(jī)的磁極分組及其連接可使用圖13(b)表示,磁極分組特征:N和S兩組磁極從不同側(cè)的軸向端,向外延伸,再通過(guò)導(dǎo)磁橋、機(jī)殼與定子鐵心連接起來(lái)。根據(jù)從軸向兩端引出的磁極極性和永磁體的布置,衍生出幾種不同類(lèi)型的雙端調(diào)磁型HEM。在軸向兩端引出的磁極極性可以相同[27-30],也可以不同[31]。該電機(jī)磁路較長(zhǎng),調(diào)磁效率和漏磁等問(wèn)題值得注意。

圖13 雙端勵(lì)磁型HESM

3. 3 爪極式

圖14是電勵(lì)磁爪極HESM,勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中。該電機(jī)的磁極分組及其連接方式可使用圖14(b)表示,系無(wú)刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。其磁極分組特征是:N、S兩個(gè)磁極極性組從不同側(cè)軸向端,朝轉(zhuǎn)子磁極內(nèi)腔收縮,并連接起來(lái)。

圖14 電勵(lì)磁爪極HESM

在相鄰爪極之間設(shè)置切向磁化的永磁體,即構(gòu)成爪極式HESM[3],如圖15所示。永磁體增大了主磁通,此外,由于永磁磁阻較大,減少了電勵(lì)磁在爪極間的漏磁,提高了功率密度。

圖15 爪極HESM

3. 4 永磁-感應(yīng)子式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的永磁-感應(yīng)子式HESM[32],如圖16(a)所示。該電機(jī)由永磁和感應(yīng)子兩部分構(gòu)成,兩者在磁路上相互獨(dú)立,為并列式結(jié)構(gòu)。電勵(lì)磁部分為感應(yīng)子式電機(jī),勵(lì)磁繞組位于靜止的勵(lì)磁支架上,為無(wú)刷勵(lì)磁。感應(yīng)子部分的磁極分組及連接方式可使用圖16(b)表示,其磁極分組特征:?jiǎn)我粯O性的磁極從軸向端的一側(cè),向外延伸,軸向磁路經(jīng)過(guò)端蓋與機(jī)殼。感應(yīng)子部分的所有轉(zhuǎn)子極性相同,為單極性調(diào)磁。文獻(xiàn)[33]討論了永磁和感應(yīng)子比重對(duì)電機(jī)電感和電機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)[34]對(duì)感應(yīng)子部分的損耗進(jìn)行了分析和計(jì)算。由于感應(yīng)子的轉(zhuǎn)子磁極在周向上極性相同,因此,氣隙磁密中包含直流偏置分量,鐵損計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮損耗系數(shù)的修正。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適宜于高速場(chǎng)合。

圖16 永磁-感應(yīng)子式HESM

3. 5 磁極分割式

美國(guó)學(xué)者F. B. Mccarty在1985年發(fā)表的專(zhuān)利介紹了磁極分割式HESM[1],隨后英國(guó)學(xué)者E. Spooner在1989年對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),加工了試驗(yàn)樣機(jī)[35-36]。美國(guó)學(xué)者T. A. Lipo在文獻(xiàn)[37-38]中介紹的磁極分割式HESM,如圖17所示。

圖17 磁極分割型HESM

磁極分割型HESM中包含兩個(gè)獨(dú)立的定子鐵心,定子鐵心之間固定勵(lì)磁繞組,機(jī)殼采用導(dǎo)磁材料,作為電勵(lì)磁磁路的一部分。永磁體位于轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子可以看作是由兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極單元構(gòu)成,每個(gè)轉(zhuǎn)子磁極單元中有永磁磁極和鐵心磁極,兩者交替出現(xiàn)。磁極分割型HESM可以看作是由兩個(gè)電機(jī)單元的合并得到的,如圖18所示。

圖18 磁極分割型HEM磁極分組及連接

比利時(shí)及波蘭學(xué)者[39-40]研究了此類(lèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極和定子齒頂形狀對(duì)抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。以電動(dòng)汽車(chē)為應(yīng)用背景,意大利學(xué)者[41]對(duì)其轉(zhuǎn)子鐵心形狀、永磁體形狀和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)從轉(zhuǎn)矩控制和效率的角度對(duì)其進(jìn)行了研究[42]。磁極分割型HESM中環(huán)形直流勵(lì)磁線(xiàn)圈包圍轉(zhuǎn)子,因此轉(zhuǎn)子外徑增大,用銅量也隨之增加,但該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)附加氣隙,勵(lì)磁效率高。

3. 6 勵(lì)磁機(jī)式

前述的磁分路式、雙端勵(lì)磁型、爪極式、永磁-感應(yīng)子式和磁極分割型等HESM,為實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁,將磁極分組從軸向端引出,通過(guò)導(dǎo)磁部件構(gòu)成相應(yīng)的磁通回路,均存在軸向磁路。除上述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)方案外,文獻(xiàn)[43]借鑒航空發(fā)電機(jī)中常用的三級(jí)式方案,介紹了一種如圖19所示的兩級(jí)式無(wú)刷勵(lì)磁方案,由主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)成,主電機(jī)采用磁路獨(dú)立型HESM,勵(lì)磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī),勵(lì)磁機(jī)電樞電能經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后,為主電機(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁。

圖19 磁路獨(dú)立型無(wú)刷HESM

作為主電機(jī)的獨(dú)立磁路型HESM,在轉(zhuǎn)子上通過(guò)開(kāi)槽設(shè)置空氣層以實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁和永磁的隔離,減弱兩者的耦合程度。在一定程度上,“獨(dú)立磁路型”方案可減小勵(lì)磁需求。文獻(xiàn)[44-46]對(duì)獨(dú)立磁路型HESM的調(diào)磁原理、氣隙磁密波形特征、數(shù)學(xué)模型、隔磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及電磁-機(jī)械-熱多物理場(chǎng)分析等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

以上是HESM的經(jīng)典勵(lì)磁方案,在應(yīng)用上,具有一定的普適性,應(yīng)用于不同的電機(jī)原型中,可衍生出多種結(jié)構(gòu)的HEM,因此勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的探索具有一定的指導(dǎo)意義。

4 HEM的應(yīng)用分析

4. 1 汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題,燃油型汽車(chē)逐漸過(guò)渡為混合動(dòng)力型、純電動(dòng)型等低排放新能源汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)是其核心部件,要求大扭矩、大功率密度、寬調(diào)速范圍、高效率、高可靠性和具有一定的容錯(cuò)能力。作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用,香港大學(xué)鄒國(guó)堂教授和東南大學(xué)程明教授在文獻(xiàn)[47]中推薦了兩類(lèi)HEM(爪極型HEM和雙凸極型HEM)。

針對(duì)HEM的轉(zhuǎn)矩控制,一種接受度較高的控制策略是,基于“轉(zhuǎn)速分區(qū)”的電流(定子電流和勵(lì)磁電流)協(xié)調(diào)控制[48-49]。以HESM為例,電磁轉(zhuǎn)矩Te方程為

(5)

式中:Te——電磁轉(zhuǎn)矩;p——極對(duì)數(shù);iq、id——q、d軸電流分量;ψpm——永磁磁鏈;Msf——電勵(lì)磁繞組與電樞繞組的互感;if——?jiǎng)?lì)磁繞組電流;Ld、Lq——d、q軸電感。

從式(5)可以看出,當(dāng)Ld≠Lq時(shí),從提高轉(zhuǎn)矩的角度看,id不應(yīng)為0。但是HESM中,電勵(lì)磁和永磁磁場(chǎng)耦合程度高,調(diào)節(jié)電勵(lì)磁時(shí),參數(shù)變化明顯,因此,從這個(gè)角度看,采用id=0的控制策略,可減弱參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

HEM的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性如圖20所示。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速n,將運(yùn)行區(qū)間分成低速區(qū)和高速區(qū),然后分區(qū)協(xié)調(diào)控制定子電流和勵(lì)磁電流。根據(jù)負(fù)載和轉(zhuǎn)速工況,“低速區(qū)”和“高速區(qū)”又各分兩個(gè)控制模式,如圖21所示。

圖20 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

圖21 HEM的電流分區(qū)控制

對(duì)于圖21(a),在此范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩控制時(shí),采用id=0,遵循“先iq,后if”的原則[50-51]。以工作模式ml1為例,負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL較小時(shí),盡可能不使用勵(lì)磁電流,僅通過(guò)增大定子電流iq,增大電磁轉(zhuǎn)矩,直到iq=iqN。為繼續(xù)增大轉(zhuǎn)矩,則開(kāi)始正向增大勵(lì)磁電流if,進(jìn)入工作模式ml2,在此期間q軸電流維持在額定值不變,即iq=iqN。

對(duì)于圖21(b),轉(zhuǎn)速n高于基速,為弱磁區(qū)??捎玫娜醮盼锢砹坑衖f和id,本著“先if,后id”的原則進(jìn)行弱磁。在工作模式mh1的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),僅啟用if弱磁(此時(shí)id=0),隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,直到if達(dá)到最大值,即if=-ifmax,進(jìn)入到工作模式mh2中,開(kāi)始起用id進(jìn)行弱磁。

黃明明博士[52]以電動(dòng)汽車(chē)寬轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為應(yīng)用背景,針對(duì)非對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)型HEM,建立了“轉(zhuǎn)速分區(qū)”電流協(xié)調(diào)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型,與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)相比,系統(tǒng)中增加了勵(lì)磁電流控制和電流分配控制等功能模塊,尤以電流協(xié)調(diào)模塊最為關(guān)鍵,該模塊根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需求,負(fù)責(zé)定子電流(id,iq)以及勵(lì)磁電流if的分配。比較了3種弱磁模式(僅if,僅id,if+id)下的轉(zhuǎn)速范圍,零電流時(shí),電機(jī)呈現(xiàn)出類(lèi)似于永磁電機(jī)的特性,調(diào)速范圍較窄,if和id均參與弱磁時(shí)的調(diào)速范圍大大拓寬。

4. 2 汽車(chē)用發(fā)電機(jī)

汽車(chē)發(fā)電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。由于交流發(fā)電機(jī)的相對(duì)優(yōu)勢(shì),目前以交流發(fā)電機(jī)為主,內(nèi)部帶有二極管整流電路,將交流電整流為直流電[53]。為滿(mǎn)足汽車(chē)電器的用電需求,交流電機(jī)需要電壓調(diào)節(jié)器,使其電壓基本恒定,向蓄電池恒壓供電。

圖22所示為一種汽車(chē)電源系統(tǒng)[54]。系統(tǒng)中有高壓電池組和12 V電池組,發(fā)電機(jī)電壓雖然可通過(guò)勵(lì)磁控制器調(diào)節(jié),但不能同時(shí)滿(mǎn)足兩種電壓級(jí)別,因此,使用二極管整流電路只能為其中一個(gè)電池組充電,通常是高壓電池組。12 V電池組為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和汽車(chē)配件供電。

圖22 一種汽車(chē)電源系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)汽車(chē)和弱混合動(dòng)力汽車(chē)中,爪極發(fā)電機(jī)應(yīng)用廣泛,但爪極電機(jī)存在漏磁大、輸出能力小、效率低等問(wèn)題。在電勵(lì)磁爪極電機(jī)的爪極間鑲嵌磁鋼從而形成爪極HESM,增加了主磁通,減小了爪極間漏磁?;旌蟿?lì)磁爪極電機(jī)已逐漸成為弱混合動(dòng)力汽車(chē)皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī)(Belt Starter Generator,BSG)的主流[55]。例如,汽車(chē)零部件制造商雷米(Remy)公司和德?tīng)柛?Delphi)均采用爪極HESM開(kāi)發(fā)了BSG電機(jī),東風(fēng)風(fēng)神S30微混轎車(chē)和奇瑞A5試用了雷米公司的BSG電機(jī)。

上海大學(xué)黃蘇融教授[56]采用混合勵(lì)磁型BSG,設(shè)計(jì)了42 V的汽車(chē)供電系統(tǒng),分析了電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理,分別從機(jī)械、模態(tài)和熱工等方面進(jìn)行了綜合性研究。仿真計(jì)算和試驗(yàn)表明,可以在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持基本恒定的電壓向蓄電池供電,具有輸出能力強(qiáng)和特性硬的特點(diǎn)。合肥工業(yè)大學(xué)王群京教授以效率為關(guān)注點(diǎn),研究了爪極HESM[57],相對(duì)于傳統(tǒng)爪極電機(jī)的效率(40%~60%),混合勵(lì)磁爪極電機(jī)效率有較大提高(為55%~70%)。

4. 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

隨著能源日益枯竭以及環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),人們逐漸認(rèn)識(shí)到尋找可再生能源的迫切性,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有良好的發(fā)展前景,對(duì)于能源消耗大且風(fēng)能資源豐富的我國(guó),意義重大。

基于永磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電方案中,為了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤,通常采用可控型的機(jī)側(cè)變流器或直流側(cè)并聯(lián)Boost變流器等電力電子裝置[58-59],控制相對(duì)復(fù)雜。圖23是基于HESM的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[60-61]。網(wǎng)側(cè)逆變器負(fù)責(zé)將直流電能高質(zhì)量地輸入到電網(wǎng)中,確保直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,機(jī)側(cè)變流器雖然是不控型整流器,但是可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制電機(jī)輸出功率,進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤,減小了系統(tǒng)復(fù)雜性。

圖23 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理圖

4. 4 航空航天用電機(jī)

空客A380中采用的三級(jí)式交流電機(jī)方案,由永磁同步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電樞式交流電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)構(gòu)成[65]。永磁同步電機(jī)的容量小,為旋轉(zhuǎn)電樞式交流電機(jī)提供勵(lì)磁電能,旋轉(zhuǎn)電樞式交流電機(jī)的交流電能經(jīng)同軸旋轉(zhuǎn)的整流器整流后,為電勵(lì)磁同步電機(jī)提供勵(lì)磁。與此方案作比較,法國(guó)學(xué)者提出了基于HESM的新型方案[65],HESM帶不控整流負(fù)載,以270 V直流電壓為穩(wěn)壓目標(biāo),介紹了HESM和整流器的等效模型,分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)中,由于HESM中存在的永磁磁場(chǎng),省去了三級(jí)式方案中的永磁電機(jī);且勵(lì)磁繞組位于靜止部件上,進(jìn)一步省去了旋轉(zhuǎn)整流器,簡(jiǎn)化了系統(tǒng),節(jié)省了成本[65]。

變頻交流電源是飛機(jī)電源的重要發(fā)展方向。南京航空航天大學(xué)[66]采用HESM作為變頻發(fā)電機(jī),以端電壓、勵(lì)磁電流、工作轉(zhuǎn)速和負(fù)載作為反饋量,設(shè)計(jì)了多環(huán)調(diào)壓控制系統(tǒng),表明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,驗(yàn)證了HESM在變頻電源系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)[67]以飛輪儲(chǔ)能為應(yīng)用背景,研制了由永磁電機(jī)和感應(yīng)子電機(jī)組合而成的HESM。樣機(jī)中永磁部分采用表貼式同步電機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,感應(yīng)子部分勵(lì)磁繞組位于軸向端靜止的支架上,轉(zhuǎn)子上不存在繞組,使用整塊鋼件制成,適用于高速運(yùn)行。已有文獻(xiàn)分別從調(diào)磁特性和帶載特性[32]、永磁/電勵(lì)磁比重設(shè)計(jì)[33]、損耗[34]和溫升計(jì)算[68]等方面對(duì)其進(jìn)行了研究。

HEM是在傳統(tǒng)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),相對(duì)于其電機(jī)原型,主極磁場(chǎng)由單一型勵(lì)磁激勵(lì)源變化為多類(lèi)型激勵(lì)源,但是其工作原理并未發(fā)生根本性的變化,因此,基于原型電機(jī)的豐富研究成果,本著“借鑒-發(fā)展”的原則,積極穩(wěn)妥地開(kāi)展HEM的研究,有利于推進(jìn)HEM的普及。以HESM為例,在永磁同步電機(jī)中廣泛應(yīng)用的一些先進(jìn)控制策略(如磁場(chǎng)定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等)也可借鑒到HESM中,同時(shí)結(jié)合HESM的特點(diǎn),改進(jìn)相應(yīng)的控制方案,豐富電機(jī)理論。

5 HEM的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究。相對(duì)于永磁電機(jī),HEM由于電勵(lì)磁繞組的存在而增設(shè)了附加磁路,結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、體積大小和設(shè)備重量等有所增加,功率/體積比降低,限制了HEM在諸如航空航天等場(chǎng)合中的應(yīng)用。對(duì)HEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使其緊湊化、簡(jiǎn)單化等很有必要。

HEM在真正實(shí)用化階段之前,一些品質(zhì)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究,例如,作為電動(dòng)機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),作為交流發(fā)電機(jī)時(shí)的電壓諧波。此外,電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性使得磁通路徑變得復(fù)雜,以HESM為例,大多同時(shí)存在徑向磁路和軸向磁路,漏磁相對(duì)突出,從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上改善此類(lèi)問(wèn)題意義明顯。

對(duì)于同類(lèi)型的HEM,永磁和電勵(lì)磁的比重對(duì)其效率、調(diào)磁范圍、帶載特性和電感特性(例如HESM的凸極率)等影響較大。因此,以應(yīng)用需求為導(dǎo)向設(shè)計(jì)HEM也是其發(fā)展方向之一。

(2) 驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究。HEM與其電機(jī)原型相比,雖然在調(diào)磁特性上有所變化,但是從運(yùn)行原理上講,仍然保持較大相似性。以HESM為例,與其電機(jī)原型(同步電機(jī))相比,從電磁本質(zhì)上講,HESM仍屬于“同步電機(jī)”的范疇,因此,借鑒針對(duì)同步電機(jī)的控制技術(shù),對(duì)于HESM十分必要。

針對(duì)永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)應(yīng)用相對(duì)廣泛?;僖韵?,可選擇的轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)主要包括id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制、最大功率控制和最小損耗控制等;基速以上,主要是弱磁擴(kuò)速。與永磁電機(jī)相比,HESM中存在專(zhuān)門(mén)用于控制主磁場(chǎng)強(qiáng)度的電勵(lì)磁繞組,因此驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的核心問(wèn)題是綜合考慮控制策略實(shí)施時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和效率等因素,協(xié)調(diào)控制電勵(lì)磁電流、定子直軸電流和定子交軸電流。

對(duì)于HESM,尤其是串聯(lián)或并聯(lián)磁路型HESM,電勵(lì)磁和永磁磁勢(shì)相互影響。例如,施加電勵(lì)磁前,磁路的飽和程度主要受永磁影響,施加電勵(lì)磁后,一是影響永磁磁場(chǎng),二是影響磁路的飽和程度,參數(shù)變化大。電機(jī)參數(shù)的非線(xiàn)性增加了系統(tǒng)的控制精度、難度,現(xiàn)有研究成果大多在控制過(guò)程中假定其參數(shù)不變。因此針對(duì)HEM的智能控制技術(shù)是其發(fā)展方向之一。

(3) 新材料在HEM中的應(yīng)用研究。電機(jī)損耗不僅影響電機(jī)效率,而且會(huì)引起溫升的增加,溫度過(guò)高是永磁性能惡化和破壞繞組絕緣系統(tǒng)的重要原因。對(duì)于HEM,尤其是轉(zhuǎn)子永磁型HEM,散熱差,開(kāi)展HEM中新材料的應(yīng)用研究很有必要。

超導(dǎo)材料在特定溫度下呈現(xiàn)出“零電阻”特性,使用超導(dǎo)材料制成電機(jī)繞組,能夠無(wú)損耗地傳輸電能。有資料表明[69],與常規(guī)電機(jī)相比,超導(dǎo)電機(jī)效率提升0.5%~0.8%,整機(jī)重量減少1/3~1/2,長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載能力強(qiáng)(可達(dá)兩倍額定容量以上的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載),電抗減小,穩(wěn)定性提高。

硅鋼片疊片鐵心,磁性能各向異性,限制了在HESM(多存在三維磁路)中的應(yīng)用。軟磁復(fù)合材料(Soft Magnetic Composite, SMC)由表面絕緣的金屬粉末顆粒構(gòu)成,采用粉末冶金技術(shù),磁性能各向同性,能一次成型壓制成形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[70]。但就目前而言,SMC磁性能比硅鋼片差,在低頻情況下,SMC的單位損耗高于普通硅鋼片[71]。鑒于硅鋼片和SMC鐵心各有優(yōu)缺點(diǎn),浙江大學(xué)葉云岳教授提出在橫向磁通永磁電機(jī)中采用混合鐵心[72]。SMC在電機(jī)中應(yīng)用前景良好,尤其是在三維磁路的HEM中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

(4) 與應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合開(kāi)展可靠性技術(shù)研究。隨著研究的深入,HEM的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展,為使其在更多的領(lǐng)域發(fā)揮價(jià)值,HEM的系統(tǒng)可靠性是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和艦船推進(jìn)等場(chǎng)合,諸如高轉(zhuǎn)速、寬轉(zhuǎn)速和高溫濕熱環(huán)境等復(fù)雜工況,涉及電磁-溫度-動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域,容錯(cuò)性和可靠性研究是其研究熱點(diǎn)之一。

[1] MCCARTYF B. Hybrid excited generator with flux control of consequent-pole rotor: U.S. Patent: 4656379[P]. 1985.

[2] 趙朝會(huì),李遂亮,嚴(yán)仰光.混合勵(lì)磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(4): 461-466.

[3] RADOMSKI T A. Alternating current generator: U.S. Patent: 4959577[P]. 1989.

[4] 張卓然,周競(jìng)捷,嚴(yán)仰光,等.新型并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(33): 83-89.

[5] BURKHARDT Y, SCHLEICHER K, KLOEPZIG M. A novel hybrid excited synchronous machine for (H) EV applications[C]∥ International Conference on Electrical Machines (ICEM), Berlin, 2014: 353-359.

[6] 趙朝會(huì),秦海鴻,姬少龍,等.并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特性研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(4): 406-409.

[7] MALANCIUC A, SIMION A, LIVADARU L, et al. FEM-based analysis of a hybrid synchronous generator with skewed stator slots[J]. Advances in Electrical and Computer Engineering, 2011, 11(4): 9-14.

[8] BERNATT J P, GAWRON S A. The synchronous generator with permanent magnets and excitation winding[C]∥ XIX International Conference on Electrical Machines (ICEM), Rome, 2010: 1-4.

[9] 耿偉偉, 張卓然,于立,等.新型并列式混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理及其磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(11): 131-137.

[10] GENG W W, ZHANG Z R, JIANG K, et al. A new parallel hybrid excitation machine: permanent-magnet/variable-reluctance machine with bidirectional field-regulating capability[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(3): 1372-1381.

[11] 劉細(xì)平,鄭愛(ài)華,王晨.雙定子混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(7): 22-28.

[12] HOANG E, AHMED A H B, LUCIDARME J. Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines[C]∥ 7th European Conference on Power Electronic and Applications, Norway, 1997: 903-908.

[13] HOANG E. Flux-switching dual-excitation electrical machine: 0018-9464[P]. 2011.

[14] HOANG E, LECRIVAIN M, GABSI M. A new structure of a switching flux synchronous polyphased machine with hybrid excitation[C]∥ European Conference on Power Electronics and Applications, Aalborg, 2007: 1-8.

[15] HUA W, CHENG M, ZHANG G. A novel hybrid excitation flux-switching motor for hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(10): 4728-4731.

[16] CHEN J T, CHEN J T, ZHU Z Q, et al. A novel E-core flux-switching PM brushless AC machine[C]∥ IEEE Energy Conversion Congress & Exposition, Atlanta, Georgia, 2010: 3811-3818.

[17] CHEN J T, ZHU Z Q, IWASAKI S, et al. A novel hybrid-excited switched-flux brushless AC Machine for EV/HEV applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(4): 1365-1373.

[18] TAKASHI K, MUTHUBABU S, MASAYOSHI Y, et al. Design studies on hybrid excitation motor for main spindle drive in machine tools[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(11): 3807-3813.

[19] SRIDHARBABU M, KOSAKA T, MATSUI N. Design reconsiderations of high speed permanent magnet hybrid excitation motor for main spindle drive in machine tools based on experimental results of prototype machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(10): 4469-4472.

[20] NEVES C G C, RüNCOS F, FERREIRA D L M V, et al. 3D electromagnetic simulation of a claw-pole generator[C]∥ International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2006: 1430-1433.

[21] 章超,陳棟.軸向磁通切換混合勵(lì)磁電機(jī)比較[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2014,41(6): 39-44.

[22] KURODA Y, MORITA M, HAZEYAMA M, et al. Improvement of a claw pole motor using additional ferrite magnets for hybrid electric vehicles[C]∥ The XIX International Conference on Electrical Machines (ICEM 2010), Rome, 2010: 1-3.

[23] 喬?hào)|偉,王秀和,朱常青.環(huán)形永磁體夾置式混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(5): 30-35.

[24] 寧銀行,劉闖,姜仁華,等.混合勵(lì)磁同步電機(jī)的技術(shù)方案分析[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(10): 54-60.

[25] ZHANG Z R, DAI J, DAI C, et al. Design considerations of a hybrid excitation synchronous machine with magnetic shunt rotor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(11): 5566-5573.

[26] ZHANG Z R, YAN Y G, YANG S S, et al. Principle of operation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(9): 2174-2180.

[27] HLIOUI S, VIDO L, AMARA Y, et al. Magnetic equivalent circuit model of a hybrid excitation synchronous machine[J]. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 2008, 27(5): 1000-1015.

[28] YACINE A, SAMI H, RACHID B, et al. Comparison of open circuit flux control capability of a series double excitation machine and a parallel double excitation machine[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(9): 4194-4207.

[29] AMARA Y, VIDO L, GABSI M, et al. Hybrid excitation synchronous machines: energy-efficient solution for vehicles propulsion[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009, 58(5): 2137-2149.

[30] RITA M, GEORGES S, LIONEL V, et al. Hybrid excitation synchronous generator in embedded applications: modeling and control[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2013, 90(6): 60-73.

[31] VIDO L, AMARA Y, GABSI M, et al. Compared performances of homopolar and bipolar hybrid excitation synchronous machines[C]∥ 40th Annual Meeting of the IEEE-Industry-Applications-Society, Hong Kong, 2005: 1555-1560.

[32] FU X H, ZOU J B. Numerical analysis on the magnetic field of hybrid exciting synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(10): 4590-4593.

[33] ZOU J B, FU X H. Influence of the axial-length ratio of permanent magnet to homopolar induction on the performance of hybrid excitation synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): 368-373.

[34] FU X H, LIN M Y, YU H T, et al. Calculation and analysis of iron loss in homopolar inductor alternator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(11): 3466-3469.

[35] SPOONER E, KHATAB S A W, NICOLAOU N G. Hybrid excitation of AC and DC machines[C]∥ Fourth International Conference on Electrical Machines and Drives, 1989: 48-52.

[36] 趙紀(jì)龍,林明耀,付興賀,等.混合勵(lì)磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)綜述和新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(33): 5876-5887.

[37] TAPIA J A, LEONARDI F, LIPO T A. Consequent-pole permanent-magnet machine with extended field-weakening capability[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 39(6): 1704-1709.

[38] TAPIA J A, LEONARDI F, LIPO T A. A design procedure for a pm machine with extended field weakening capability[C]∥ 37th Annual Meeting of the Industry-Applications-Society, Pittsburgh, USA, 2002: 1928-1935.

[39] PUTEK P, SLODICKA M, PAPLICKI P, et al. Minimization of cogging torque in permanent magnet machines using the topological gradient and adjoint sensitivity in multi-objective design[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2012, 39(1): 933-940.

[40] PUTEK P, PAPLICKI P, PALKA R. Low cogging torque design of permanent magnet machine using modified multi-level set method with total variation regularization[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(2): 657-660.

[41] PAOLO D B, MOGNASCHI M E, PALKA R, et al. Design optimization of a permanent-magnet excited synchronous machine for electrical automobiles[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2012, 39(1): 889-895.

[42] LI Z R, LI Y S, LI X H. Flux control of a CPPM Machine for both a wide speed range and high efficiency[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(9): 4866-4876.

[43] ZHANG Q, HUANG S R, XIE G D. Design and experimental verification of hybrid excitation machine with isolated magnetic paths[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010, 25(4): 993-1000.

[44] 張琪,黃蘇融,丁烜明,等.獨(dú)立磁路混合勵(lì)磁電機(jī)的多領(lǐng)域仿真分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(6): 8-15.

[45] 張琪,黃蘇融,謝國(guó)棟,等.獨(dú)立磁路混合勵(lì)磁電機(jī)的矩陣分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(18): 106-112.

[46] 丁炬明,張琪,黃蘇融,等.獨(dú)立磁路混合勵(lì)磁電機(jī)有限元分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2009,36(8): 6-9,28.

[47] 鄒國(guó)堂,程明.電動(dòng)汽車(chē)的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[48] 黃明明,林鶴云,金平,等.混合勵(lì)磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)弱磁控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(4): 8-12.

[49] 黃明明,林鶴云,金平,等.新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(12): 120-125.

[50] 馮杰,李優(yōu)新,黎勉,等.混合勵(lì)磁同步電機(jī)低速大力矩控制策略的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014,183(2): 136-138.

[51] 李優(yōu)新.混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制策略研究[J].微特電機(jī),2003(3): 3-5.

[52] 黃明明,郭新軍,周成虎,等.一種新型電動(dòng)汽車(chē)寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(4): 228-233.

[53] 郭中醒,李國(guó)麗,張洲,等.現(xiàn)代汽車(chē)電機(jī)技術(shù)[M].上海: 上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2015.

[54] 王群京,倪有源,李國(guó)麗.爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)、理論及應(yīng)用[M].合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006.

[55] 李新華,李馨,黃啟振,等.新型混合勵(lì)磁BSG調(diào)壓與轉(zhuǎn)矩特性研究[J].汽車(chē)電器,2013(12): 33-35.

[56] 李維亞,黃蘇融,張琪.混合動(dòng)力車(chē)用混合勵(lì)磁爪極皮帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)多領(lǐng)域仿真分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(36): 7-15.

[57] 王群京,倪有源,朱衛(wèi)國(guó),等.新型汽車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)效率計(jì)算[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(6): 1609-1611.

[58] 吳賽飚,施小豹.測(cè)量爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,42(8): 72-76.

[59] 趙仁德,王永軍,張加勝.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(27): 106-111.

[60] 趙梅花,楊勇,鐘沁宏.新型混合勵(lì)磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(5): 30-36.

[61] 張文秀,武新芳,孫娟.基于反饋線(xiàn)性化的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2014,41(8): 46-50.

[62] 葉斌英,阮毅,楊勇,等.基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(5): 1-6.

[63] 楊勇,朱彬彬,陶雪慧,等.混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)靈活功率控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(1): 246-254.

[64] 趙梅花,阮毅,楊勇,等.直驅(qū)式混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(12): 19-23.

[65] PATIN N, VIDO L, MONMASSON E, et al. Control of a hybrid excitation synchronous generator for aircraft applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(10): 3772-3783.

[66] 楊善水,張卓然,楊春源,等.基于多環(huán)調(diào)壓控制的混合勵(lì)磁航空變頻交流發(fā)電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(3): 176-180.

[67] WANG Q, LIU C J, ZOU J B, et al. Numerical analysis and design optimization of a homopolar inductor machine used for flywheel energy storage[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(5): 1290-1294.

[68] 付興賀,林明耀,徐妲,等.永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)三維暫態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3): 107-113.

[69] 翟慶志.電機(jī)與新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[70] 蘇士斌,史儀凱,袁小慶,等.橫向磁通電機(jī)研究綜述[J].電子學(xué)報(bào),2013,41(11): 2290-2296.

[71] 張鳳閣,杜光輝,王天煜,等.高速電機(jī)發(fā)展與設(shè)計(jì)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(7): 1-18.

[72] 盧琴芬,謝舸,金勇,等.混合鐵心橫向磁通永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(9): 66-70.

Overview and New Process of Hybrid Excitation Motor

NINGYinhang1,ZHAOChaohui1,LIUChuang2

(1. School of Electric, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

When being equipped with the field winding for adjusting the magnetic field, permanent magnet motor was changed into hybrid excitation motor (HEM), a novel motor. The HEM combined the advantage of permanent motor machine and electrically excited motor, enjoying a wide application prospect. The flux-adjusting principle of HEM was presented. In the perspective of the machine prototype, the developing strategy of HEM was analyzed. A method, focusing on the excitation structure, was proposed to understand the HEM. Basing on the electromagnetic characteristic of HEM, the control ideas and systems configurations were researched for HEM used in some areas such as automobile, wind power generation, aviation and aerospace. At the end, recommended a guiding ideology to study HEM and outlooked its developing trend.

synchronous motor; flux-switching motor; hybrid excitation motor (HEM); topology structure; automobile motor; wind power generator

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50977044);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151574);江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻項(xiàng)目(BY2014003-09)

寧銀行(1982—),男,博士研究生,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。 趙朝會(huì)(1963—),男,博士研究生,教授,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。 劉 闖(1973—),男,博士研究生,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)05- 0001- 12

2017 -01 -11

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