基于等效磁路的并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)仿真分析

盧恩慶， 杜欽君， 甄世龍， 石 翔， 楊致泰

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091；2. 煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司 PQF管加工分廠， 山東 煙臺(tái) 265500)

并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)將切向永磁和爪極電勵(lì)磁在轉(zhuǎn)子并列組合，兼具永磁發(fā)電機(jī)效率高，損耗低和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，而且并列組合的切向永磁和爪極電勵(lì)磁之間磁路獨(dú)立，避免了永磁體因磁場(chǎng)耦合發(fā)生不可逆退磁.目前，各類混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)其準(zhǔn)確尺寸建立三維模型分析，工作量大.文獻(xiàn)[3]用等效磁路模型分析了一種新型非對(duì)稱交錯(cuò)混合勵(lì)磁同步電機(jī)，快速而準(zhǔn)確的對(duì)電機(jī)進(jìn)行估算，指導(dǎo)了電機(jī)的設(shè)計(jì).本文對(duì)并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)建立等效磁路模型，并用有限元分析軟件建模仿真，驗(yàn)證了等效磁路模型的正確性，為發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中參數(shù)選取提供了參考.

1 發(fā)電機(jī)等效磁路模型分析

當(dāng)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流為零時(shí)，氣隙磁場(chǎng)只由永磁體產(chǎn)生.當(dāng)輸入正向勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與永磁體磁場(chǎng)的方向相同，合成氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng).當(dāng)輸入反向勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與永磁體的磁場(chǎng)方向相反，合成氣隙磁場(chǎng)減弱.因此，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和方向，即可使合成氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)磁的目的[4-5].

并列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的等效磁路如圖1所示.圖1(a)中，Rpm、Rr、Rt、Rj分別為永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子齒、定子軛磁阻;Rδ、Rmδ分別為主氣隙、磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵芯間的附加氣隙磁阻;Rmδ1、Rmδ2、Rmδ3分別為磁鋼軸向兩端面、磁鋼轉(zhuǎn)軸側(cè)、磁鋼定子側(cè)的漏磁導(dǎo);Fpm為永磁體磁動(dòng)勢(shì);Φδpm為永磁磁勢(shì)氣隙磁通.

(a)永磁部分

(b)電勵(lì)磁部分圖1 等效磁路

圖1(b)中：Rem、Rer、Rec分別為電勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子背軛、轉(zhuǎn)子爪極磁阻;Reδ1、Reδ2分別為爪極轉(zhuǎn)子軸部、相鄰爪極之間的漏磁阻;Fem為勵(lì)磁電流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì);Φδem為電勵(lì)磁磁勢(shì)氣隙磁通.

圖1虛線框中的磁阻分別用Rδ1、Rδ2、RA簡(jiǎn)化表示.簡(jiǎn)化后的等效磁路如圖2所示.

(a)永磁部分(b) 電勵(lì)磁部分圖2 簡(jiǎn)化等效磁路

由圖2(a)可得永磁部分氣隙磁通

(1)

式中，F(xiàn)pm=Hchm，Hc為永磁材料磁場(chǎng)強(qiáng)度，hm為充磁方向磁鋼厚度.

假設(shè)永磁體對(duì)應(yīng)的氣隙面積與電勵(lì)磁對(duì)應(yīng)的氣隙面積相等，則永磁部分平均氣隙磁密為

(2)

(3)

同理，在圖2(b)中，電勵(lì)磁部分平均氣隙磁密為

(4)

式中，KDC表示勵(lì)磁電流的極性，KDC=1時(shí)為勵(lì)磁電流起增強(qiáng)磁場(chǎng)作用,KDC=0時(shí)為沒有勵(lì)磁電流作用, KDC=-1時(shí)為勵(lì)磁電流起弱磁作用；Nf、If分別為勵(lì)磁繞組的匝數(shù)和勵(lì)磁電流，NfIf=Fem.

總的氣隙磁通Φδ由永磁和電勵(lì)磁磁通兩部分疊加組成，即Φδ=Φδem+Φδpm

(5)

從式(3)～式(5)可以看出，合成氣隙磁密的大小與永磁體材料、磁鋼厚度、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁繞組匝數(shù)、極對(duì)數(shù)以及等效磁阻有關(guān).在發(fā)電機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)中：

1)為產(chǎn)生較大的氣隙磁場(chǎng)，永磁部分應(yīng)選擇較高磁場(chǎng)強(qiáng)度的材料.

2)磁鋼厚度增大會(huì)增大永磁體等效磁阻，但總體上氣隙磁密隨磁鋼厚度增大而增大.

3)極對(duì)數(shù)改變對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變影響較大，從而改變發(fā)電機(jī)各部分的等效磁阻，而且磁鋼厚度也受到極對(duì)數(shù)的制約，所以選擇發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮.

當(dāng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí)，改變勵(lì)磁電流的大小和方向可以調(diào)節(jié)合成氣隙磁場(chǎng).不同勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)合成氣隙磁密見表1.

2 發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)仿真分析

發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布較為復(fù)雜，一般采用有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.并列結(jié)構(gòu)可以分別對(duì)永磁部分和電勵(lì)磁部分進(jìn)行分析，再疊加總磁場(chǎng)分析.發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表2.

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2.1 永磁磁場(chǎng)仿真

把發(fā)電機(jī)永磁部分的計(jì)算簡(jiǎn)化成二維問題.利用電磁分析軟件建立二維有限元穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)模型進(jìn)行定義及分配材料屬性，加載激勵(lì)源與邊界條件，設(shè)定求解選項(xiàng)，參數(shù)后處理等.求解計(jì)算得到切向永磁轉(zhuǎn)子磁力線分布,如圖3所示.

圖3 切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁力線分布圖

2.2 電勵(lì)磁磁場(chǎng)仿真

由于電勵(lì)磁部分爪極模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而其參數(shù)與發(fā)電機(jī)的性能密切相關(guān)，計(jì)算不準(zhǔn)確對(duì)結(jié)果的影響較大，因此對(duì)爪極進(jìn)行三維建模，準(zhǔn)確的描繪其結(jié)構(gòu).

勵(lì)磁繞組通入正向勵(lì)磁電流If時(shí)，爪極轉(zhuǎn)子與定子組合模型的磁通密度模值如圖4所示.

圖4 If=1A時(shí)爪極勵(lì)磁模型磁通密度模值

圖4中，不同的色塊表示組合結(jié)構(gòu)上各處磁通密度的大小，通過對(duì)各處磁場(chǎng)的分析，可以判斷磁場(chǎng)飽和情況及漏磁的大小.

2.3 合成磁場(chǎng)仿真

對(duì)切向永磁與爪極電勵(lì)磁組合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型. 圖5是勵(lì)磁繞組中分別通入正負(fù)向電流時(shí)組合模型磁通密度矢量.

(a)正向勵(lì)磁電流If=2A

(b)負(fù)向勵(lì)磁電流 If=-2A圖5 組合勵(lì)磁模型磁通密度矢量

從圖5看出，通入正負(fù)向勵(lì)磁電流時(shí)爪極電勵(lì)磁部分的磁場(chǎng)方向相反，通過對(duì)仿真圖形各區(qū)域的磁通密度大小比對(duì)，通正向電流轉(zhuǎn)子磁通密度明顯比通負(fù)向勵(lì)磁電流的轉(zhuǎn)子磁通密度大許多，正是由于通入正向電流轉(zhuǎn)子磁通密度增強(qiáng)，而通入負(fù)向勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)子磁通密度減弱，雙向疊加的效果形成.

2.4 氣隙磁密分析

使用仿真軟件，選定模型氣隙的90°弧長(zhǎng)范圍，

得到單獨(dú)由永磁體部分勵(lì)磁和單獨(dú)由爪極電勵(lì)磁部分勵(lì)磁的氣隙磁密分布曲線，如圖6所示.

從圖6看出，氣隙磁密在模型的90°弧長(zhǎng)范圍分布均勻，曲線的兩個(gè)周期內(nèi)的波形一致.由于發(fā)電機(jī)模型是對(duì)稱的，所以可以得到整個(gè)范圍的氣隙磁密分布.單獨(dú)由永磁體部分勵(lì)磁時(shí)的平均氣隙磁密為0.9T，永磁體部分是發(fā)電機(jī)的主磁場(chǎng).單獨(dú)電勵(lì)磁 If=±1A時(shí)，平均氣隙磁密為0.2T，電勵(lì)磁為輔助調(diào)磁磁場(chǎng).

(a)單獨(dú)永磁勵(lì)磁

(b)單獨(dú)電勵(lì)磁If=±1A圖6 氣隙磁密分布曲線

(1)磁鋼厚度對(duì)合成氣隙磁密的影響

圖7是不同勵(lì)磁電流下磁鋼厚度與合成氣隙磁密的變化曲線關(guān)系.要增大合成氣隙磁密應(yīng)選擇厚度較大的磁鋼，但是磁鋼厚度在設(shè)計(jì)中又受到極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)子半徑和轉(zhuǎn)軸半徑的制約，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮.

圖7 磁鋼厚度與合成氣隙磁密變化曲線

(2)極對(duì)數(shù)對(duì)合成氣隙磁密的影響

圖8是不同極對(duì)數(shù)下勵(lì)磁電流和合成氣隙磁密的變化關(guān)系曲線.可以看出，合成氣隙磁密隨極對(duì)數(shù)的增大而增大，但是極對(duì)數(shù)增大，勵(lì)磁電流對(duì)合成氣隙磁密的調(diào)節(jié)范圍將減小，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮.

圖8 不同極對(duì)數(shù)下勵(lì)磁電流與合成氣隙磁密曲線

(3)勵(lì)磁電流對(duì)各部分氣隙磁密的影響

圖9是對(duì)永磁、電勵(lì)磁和合成模型通入不同勵(lì)磁電流時(shí)的氣隙磁密變化曲線.勵(lì)磁電流變化時(shí)，永磁部分氣隙磁密基本保持不變，電勵(lì)磁與永磁之間互不干擾；電勵(lì)磁部分隨勵(lì)磁電流的增大而增大，在接近±3A時(shí)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)作用減弱；合成氣隙磁密為永磁部分和電勵(lì)磁部分疊加而成，通過改變勵(lì)磁電流的大小和方向可以起到調(diào)節(jié)合成氣隙磁密的作用.

圖9 勵(lì)磁電流與各部分氣隙磁密變化曲線

圖10 等效磁路計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表1可以得到等效磁路模型計(jì)算結(jié)果的勵(lì)磁電流與合成氣隙磁密的關(guān)系曲線，與仿真曲線對(duì)比如圖10所示，兩條曲線基本吻合，驗(yàn)證了等效磁路的正確性.

3 結(jié)束語

根據(jù)并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，建立了等效磁路模型，得到發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算方法.采用有限元仿真軟件對(duì)并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的建立三維模型，仿真分析了磁場(chǎng)分布情況.仿真結(jié)果中，磁鋼厚度、極對(duì)數(shù)對(duì)合成氣隙磁密的影響與等效磁路模型相符，勵(lì)磁電流在-2A～2A范圍內(nèi)與氣隙磁密變化關(guān)系和計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了等效磁路模型的正確性和參數(shù)計(jì)算方法的有效性.為并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算提供了一種便捷的方案.

[1] 趙朝會(huì). 并列轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行模態(tài)分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(15):87-93.

[2]張卓然.周競(jìng)捷,嚴(yán)仰光，等.并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的軸向漏磁及其影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(36):49-53.

[3]楊成峰,林鶴云.新型非對(duì)稱交錯(cuò)混合勵(lì)磁同步電機(jī)等效磁路法分析[J].微電機(jī),2008,41(4): 1-5.

[4]朱姝姝,劉闖,寧銀行，等. 一種切向/徑向混合勵(lì)磁無刷同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,23(3):128-133.

[5]朱詩(shī)順,楊春寶,李建文，等.混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)等效磁路分析研究[J].防爆電機(jī),2009(4):8-11.