邢立華, 王 雷, 曹 清, 宋玉晶

（1. 北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所, 北京 100094;2. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039）

0 引言

電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置, 而磁場是這種能量轉(zhuǎn)換的媒介。 在電機(jī)內(nèi)建立磁場有兩種方式: 一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場,稱為電勵磁; 另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場, 稱為永磁勵磁。 勵磁方式的不同會導(dǎo)致電機(jī)的輸出特性、 功率密度等電機(jī)特性存在較大的差異: 電勵磁電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)方便、 能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的電壓調(diào)節(jié), 但勵磁損耗大、 電機(jī)效率偏低［1］; 永磁電機(jī)效率高、 功率密度大, 結(jié)構(gòu)形式靈活, 但由于永磁材料本身的特性, 氣隙磁場難以調(diào)節(jié), 滅磁困難。 為了最大程度綜合兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn), 提出了“混合勵磁” 的概念［2-3］。

混合勵磁電機(jī)以現(xiàn)有的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為原型,通過增設(shè)永磁體或電勵磁繞組, 使其內(nèi)部存在兩種勵磁源, 結(jié)合了電勵磁電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)方便和永磁電機(jī)功率密度高的優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動、 新能源發(fā)電和交通運(yùn)載裝備等領(lǐng)域［4-7］。 電勵磁爪極電機(jī)具有制造成本低、 技術(shù)工藝成熟等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中, 但是其存在極間漏磁大、 功率密度低、 勵磁損耗大的缺點(diǎn), 因此對普通電勵磁爪極發(fā)電機(jī)采用混合勵磁的方式進(jìn)行優(yōu)化, 提高其功率密度很有必要［8-9］。

本文基于電勵磁爪極電機(jī)和永磁式電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)提出了混合勵磁無刷爪極電機(jī)。 一方面, 在有限的空間內(nèi)盡可能提高了電機(jī)的功率密度; 另一方面, 綜合考慮車輛在行駛過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的客觀條件, 為使發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下均能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電, 以電勵磁爪極發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ),通過控制勵磁電流的大小調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的氣隙磁密［10］。 首先, 介紹了混合勵磁無刷爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁場分布特征; 然后, 通過三維有限元分析對電勵磁無刷爪極電機(jī)和混合勵磁無刷爪極電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了對比分析; 最后, 進(jìn)行了樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 結(jié)果表明, 在同等勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)能夠增大氣隙磁通密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率, 有效提高了電機(jī)的功率密度。

1 混合勵磁電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)原理

混合勵磁無刷爪極電機(jī)為同步電機(jī), 其內(nèi)部有兩種勵磁源, 兼具電勵磁無刷爪極電機(jī)氣隙磁場可調(diào)和永磁電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自勵的優(yōu)點(diǎn)。 混合勵磁無刷爪極電機(jī)空載時(shí), 三相繞組的磁鏈為

式（1）中,Ψa、Ψb、Ψc為A、 B、 C 三相繞組的總磁鏈,Ψpa、Ψpb、Ψpc為A、 B、 C 三相的永磁磁鏈,Ma、Mb、Mc為A、 B、 C 三相繞組與勵磁繞組之間的互感,if為勵磁繞組的電流。

以A 相為例, 電機(jī)的反電勢為

由式（2）可知, 調(diào)節(jié)勵磁電流if的大小, 可調(diào)節(jié)氣隙磁場, 電機(jī)反電勢隨之變化。 當(dāng)if為零時(shí),電機(jī)反電勢由永磁磁鏈建立, 電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自勵。

2 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)及磁路

2.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混合勵磁無刷爪極電機(jī)在電勵磁無刷爪極電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了永磁體, 定子包括鐵心和三相繞組, 轉(zhuǎn)子包括爪極轉(zhuǎn)子、 勵磁組件（勵磁支架和勵磁繞組）和永磁體。 三相繞組星形聯(lián)接; 勵磁繞組纏繞在勵磁支架上, 勵磁支架通過螺釘固定于后端蓋, 實(shí)現(xiàn)電勵磁的無刷化; 在電勵磁無刷爪極電機(jī)的相鄰爪極間開槽, 永磁體嵌入槽內(nèi), 使用環(huán)氧樹脂膠固定, 就得到混合勵磁無刷爪極電機(jī)。 永磁體切向充磁, 永磁體的主要作用是增加主磁通和減小爪極間的漏磁。 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 主要結(jié)構(gòu)為定子鐵芯、 永磁體、 爪極轉(zhuǎn)子和勵磁組件。

圖1 混合勵磁無刷爪極電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Stator and rotor structure of hybrid excitation brushless claw pole motor

混合勵磁無刷爪極電機(jī)的具體性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)Table 1 Parameters of hybrid excitation brushless claw pole motor

2.2 電機(jī)的磁路原理

混合勵磁爪極發(fā)電機(jī)有兩個(gè)勵磁源, 一個(gè)是固定在左右兩爪極之間的永磁體, 另一個(gè)是固定在勵磁支架上的直流勵磁繞組。 勵磁電流為零時(shí),氣隙磁場由永磁體單獨(dú)作用產(chǎn)生, 但此時(shí)永磁體產(chǎn)生的磁通主要通過爪極和轉(zhuǎn)子軛閉合, 只有很少一部分通過氣隙進(jìn)入定子。 當(dāng)勵磁電流不為零時(shí), 電勵磁磁勢“迫使” 永磁體產(chǎn)生的磁通通過氣隙進(jìn)入定子, 電勵磁磁勢和永磁磁勢呈并聯(lián)關(guān)系, 共同形成發(fā)電機(jī)的氣隙磁場。

正常工作時(shí), 發(fā)電機(jī)的氣隙磁場由永磁體和勵磁繞組產(chǎn)生的磁場疊加而成, 二者為并聯(lián)關(guān)系,圖2 為該混合勵磁發(fā)電機(jī)的主磁通路徑, 包括圖2（a）所示電勵磁磁通路徑和圖2（b）所示永磁磁通路徑。 電勵磁磁通路徑為: 爪極軛→爪極N 極→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極S極→勵磁支架→附加氣隙→爪極軛。 永磁磁通路徑為: 永磁體N 極→爪極N 極→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極S 極→永磁體S 極→永磁體N 極。 此時(shí), 電勵磁磁路為軸向主磁路, 永磁磁路為徑向輔助磁路, 調(diào)節(jié)勵磁電流大小即可方便地調(diào)節(jié)混合勵磁發(fā)電機(jī)的氣隙磁通。

圖2 混合勵磁發(fā)電機(jī)主磁通路徑Fig.2 Main flux path of hybrid excitation generator

3 基于Maxwell 3D 的電機(jī)三維有限元分析

3.1 電機(jī)三維有限元模型的建立

混合勵磁無刷爪極電機(jī)的爪極形狀不規(guī)則,電機(jī)磁場分布復(fù)雜, 需利用Maxwell 3D 有限元分析軟件建立三維分析模型。 由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的對稱性, 建立等效的1/8 簡化模型進(jìn)行研究, 在不影響分析準(zhǔn)確性的前提下可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間, 具體模型如圖3 所示。 在一對極的范圍內(nèi), 電機(jī)的兩個(gè)側(cè)面滿足周期性邊界條件, 在其余的邊界面上, 認(rèn)為磁力線與邊界面平行, 電機(jī)內(nèi)部邊界條件自動滿足。

圖3 混合勵磁發(fā)電機(jī)有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of hybrid excitation generator

3.2 電機(jī)的仿真分析

勵磁電流為1A 時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的磁密云圖如圖4 所示。 轉(zhuǎn)子軛部和爪極磁密較大,接近于飽和狀態(tài)。

圖4 混合勵磁電機(jī)磁通密度云圖Fig.4 Flux density nephogram of hybrid excitation motor

為了對比分析混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)和電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)特性, 分別對其進(jìn)行了磁場仿真, 勵磁電流為1A 時(shí), 電勵磁無刷爪極電機(jī)和混合勵磁無刷爪極電機(jī)的氣隙磁密分布如圖5 所示。

圖5 氣隙磁密分布圖Fig.5 Distribution diagram of air-gap flux density

電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為4500r/min, 勵磁電流由0A增大至3.5A, 得到不同勵磁電流下電機(jī)的氣隙磁密分布曲線, 如圖6 所示。

圖6 平均氣隙磁密隨勵磁電流變化曲線Fig.6 Variation curves of average air-gap flux density with excitation current

由圖6 可知, 隨著勵磁電流逐漸增大, 永磁體增磁作用明顯, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的平均氣隙磁密明顯大于電勵磁無刷爪極電機(jī)的平均氣隙磁密。 勵磁電流為0A 時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的平均氣隙磁密為28mT, 相較于電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī), 混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自勵。勵磁電流由0A 增大至1A 時(shí), 二者增速均較大。當(dāng)勵磁電流大于1A 后, 氣隙磁密趨于飽和狀態(tài),增大勵磁電流, 氣隙磁密增幅不大。 勵磁電流為1A 時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的平均氣隙磁密為329mT, 電勵磁無刷爪極電機(jī)的平均氣隙磁密為265mT, 平均氣隙磁密增大了24.15%, 一方面是因?yàn)橛来朋w產(chǎn)生的磁通直接增大了氣隙磁密, 另一方面是永磁體的存在減小了爪極間的漏磁。

設(shè)置勵磁電流為1A, 電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min,輸出電壓經(jīng)三相全橋整流電路整流后帶純阻性負(fù)載50Ω, 電勵磁無刷爪極電機(jī)和混合勵磁無刷爪極電機(jī)的輸出電壓波形如圖7 所示。

圖7 整流負(fù)載下的電機(jī)輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveforms of motor with rectifier load

轉(zhuǎn)速從500r/min 上升至5500r/min, 對比混合勵磁電機(jī)和電勵磁電機(jī)帶負(fù)載的能力, 輸出功率變化情況如圖8 所示。 電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的輸出功率大于電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)。 在轉(zhuǎn)速為4500r/min 時(shí), 電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的輸出功率為5.54kW, 混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的輸出功率為7.05kW, 輸出功率提高了27.26%。

圖8 電機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.8 Variation curves of motor output power with speed

混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)純阻性負(fù)載時(shí), 電機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖9 所示。 由圖9 可知, 電機(jī)帶純電阻負(fù)載時(shí), 由于電樞反應(yīng)的去磁作用, 電機(jī)的外特性是下降的, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)調(diào)節(jié)特性的趨勢保持一致。

圖9 發(fā)電機(jī)的外特性曲線Fig.9 External characteristic curves of generator

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對比分析混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)的性能指標(biāo), 制造了兩臺電機(jī)并搭建了電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺, 對兩臺電機(jī)進(jìn)行了空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn)。 空載實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)能力, 負(fù)載實(shí)驗(yàn)是為了測試樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的帶載能力。 通過混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)的對比實(shí)驗(yàn), 獲得兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對比分析混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)的性能。

4.1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

實(shí)驗(yàn)原理和裝置如圖10 所示, 采用直流電源給發(fā)電機(jī)的勵磁繞組供電, 通過調(diào)節(jié)直流電源的輸出控制勵磁電流的大小。 發(fā)電機(jī)采用原動機(jī)拖動, 通過調(diào)節(jié)變頻器可調(diào)節(jié)原動機(jī)轉(zhuǎn)速, 進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 變頻器使用高性能、 多功能型日本富士變頻器MEGA 系列, 控制方式多樣, 電流響應(yīng)和速度響應(yīng)快, 過載耐量高。 原動機(jī)采用30kW 的變頻電機(jī), 具有機(jī)械強(qiáng)度大、 精度高、 調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)。 發(fā)電機(jī)的三相正弦輸出電壓經(jīng)過三相全橋整流器輸出直流電壓。

圖10 實(shí)驗(yàn)原理圖與裝置Fig.10 Diagram of experiment principle and devices

4.2 空載實(shí)驗(yàn)

空載實(shí)驗(yàn)時(shí), 調(diào)整原動機(jī)轉(zhuǎn)速拖動混合勵磁電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min, 保持恒定, 調(diào)整直流電源, 使電機(jī)的勵磁電流由0A 逐步增大至1.2A, 可以得到空載時(shí)電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)和混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)整流輸出電壓隨勵磁電流變化的曲線, 如圖11 所示。

由圖11 可知, 隨著勵磁電流的增大, 整流輸出電壓也逐步增大, 但隨著磁路逐漸飽和, 增速逐漸變小。 在電機(jī)轉(zhuǎn)速、 勵磁電流相同的情況下,混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓比電勵磁爪極無刷發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓高。 在勵磁電流為1A 時(shí), 混合勵磁電機(jī)的空載輸出電壓為937V, 電勵磁電機(jī)的空載輸出電壓為796V, 兩者差值為141V, 空載輸出電壓增幅達(dá)到了17.68%。

4.3 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

設(shè)置勵磁電流為1A, 輸出帶純阻性負(fù)載50Ω,轉(zhuǎn)速從500r/min 上升至5500r/min, 進(jìn)行兩種電機(jī)的負(fù)載實(shí)驗(yàn), 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比如圖12所示, 圖12（a）為混合勵磁電機(jī)與電勵磁電機(jī)負(fù)載輸出功率曲線對比, 圖12（b）為混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。

圖12 電機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.12 Comparison between simulation and experimental results of motor output power changing with speed

分析可知, 勵磁電流恒定時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機(jī), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的仿真結(jié)果與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢上保持一致。

進(jìn)一步對比兩種電機(jī)在不同勵磁電流下的帶負(fù)載能力, 采用50Ω 純電阻負(fù)載, 分別在3500r/min、4500r/min、 5500r/min 三種轉(zhuǎn)速下逐步增大勵磁電流, 得到了兩種電機(jī)帶載時(shí)的輸出特性曲線, 如圖13 所示。

圖13 電機(jī)輸出功率隨勵磁電流變化曲線Fig.13 Variation curves of motor output power with excitation current

由圖13（a）可知, 在勵磁電流為1A、 電機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/min 時(shí), 混合勵磁電機(jī)的輸出功率為4.752kW, 電勵磁電機(jī)的輸出功率為3.791kW, 兩者差值為0.961kW, 混合勵磁電機(jī)的輸出功率相較于電勵磁電機(jī)提升了25.36%。

由圖13（b）可知, 在勵磁電流為1A、 電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min 時(shí), 混合勵磁電機(jī)的輸出功率為6.881kW, 電勵磁電機(jī)的輸出功率為5.364kW, 兩者差值為1.517kW, 混合勵磁電機(jī)的輸出功率相較于電勵磁電機(jī)提升了28.27%。

由圖13（c）可知, 在勵磁電流為1A、 電機(jī)轉(zhuǎn)速為5500r/min 時(shí), 混合勵磁電機(jī)的輸出功率為7.856kW, 電勵磁電機(jī)的輸出功率為6.666kW, 兩者差值1.190kW, 混合勵磁電機(jī)的輸出功率相較于電勵磁電機(jī)提升了17.85%。

為了進(jìn)一步量化對比電勵磁無刷爪極電機(jī)和混合勵磁無刷爪機(jī)電機(jī)的帶載性能, 進(jìn)行了電機(jī)恒負(fù)載實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí), 設(shè)定恒定負(fù)載為50Ω, 勵磁電流設(shè)定為1A, 輸出功率為5kW, 此時(shí)混合勵磁無刷爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3598r/min, 電勵磁無刷爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)速為4315r/min, 轉(zhuǎn)速相差717r/min。

通過上述實(shí)驗(yàn), 可以得到如下結(jié)論:

1）空載實(shí)驗(yàn)中, 在電機(jī)轉(zhuǎn)速、 勵磁電流相同的情況下, 混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓比電勵磁爪極無刷發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓高。

2）負(fù)載實(shí)驗(yàn)中, 勵磁電流恒定時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機(jī); 轉(zhuǎn)速恒定時(shí), 混合勵磁無刷爪極電機(jī)在整個(gè)勵磁電流變化區(qū)間內(nèi)的輸出功率大于電勵磁無刷爪極電機(jī), 且仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

3）恒負(fù)載條件下, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)速更低, 則電機(jī)的可靠性更高, 對改善電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)、 提高使用壽命效果明顯。

由此可以驗(yàn)證, 采用混合勵磁結(jié)構(gòu)的無刷爪極電機(jī)帶載性能優(yōu)于電勵磁無刷爪極電機(jī)。

5 結(jié)論

本文基于“混合勵磁” 原理設(shè)計(jì)并試制了一種混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī), 闡述了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁路原理, 結(jié)合Maxwell 3D 對混合勵磁無刷爪極電機(jī)和電勵磁無刷爪極電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)能力進(jìn)行了對比分析, 并通過樣機(jī)的空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn), 對比分析了兩種電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)能力和帶載能力, 得到以下結(jié)論, 為混合勵磁無刷爪極電機(jī)在車載取力發(fā)電系統(tǒng)上的應(yīng)用提供了理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù):

1）在相同的勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)的氣隙磁密大于電勵磁無刷爪極電機(jī), 意味著產(chǎn)生相同的氣隙磁場, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)需要較小的勵磁電流, 降低了電機(jī)的勵磁損耗;

2）在相同的勵磁電流下, 混合勵磁無刷爪極電機(jī)相較于電勵磁無刷爪極電機(jī)有更高的功率密度;

3）采用“混合勵磁” 后, 相同條件下輸出功率為5kW 時(shí), 混合勵磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3598r/min,比電勵磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速4315r/min 降低了717r/min,電機(jī)的低速性能得到了改善。