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| 新型混合勵磁無刷爪極電機磁場調節特性的三維有限元分析(zxj) |
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摘要：釗對電勵磁爪極發電機效率低、永磁爪極發電機磁場調節困難的問題，提出一種新型的混合勵磁無刷爪極發電機，它采用無刷結構，勵磁繞組通過勵磁支架固定在端蓋上，由永磁體和勵磁繞組共同作用產生氣隙磁場，永磁磁場與電勵磁磁場為并聯關系。文采用三維有限元法對電機的空載磁場分布及磁場調節能力進行分析，分析結果表明：新型混合勵磁無刷爪極發電機具有功率密度高、高效、可靠性高、轉速調節范圍更寬等特點。
關鍵詞：混合勵磁；無刷；爪極發電機。
0 引 言爪極發電機因結構簡單、成本低、勵磁調節方便而在車輛中得到了廣泛應用。按照勵磁方式的不同，爪極發電機可分為電勵磁爪極發電機、永磁爪極發電機和混合勵磁爪極發電機三種。
電勵磁瓜極發電機具有較好的調節特性，通過調節勵磁電流可以方便的調節氣隙磁場，但其極間漏磁大，功率密度小，電機效率低，且存在電刷一滑環結構，可靠性不高。永磁爪極發電機的效率和功率密度較高，但由于采用永磁勵磁，氣隙磁場的調節非常困難。混合勵磁爪極發電機存在2個磁勢源，電機磁場由永磁磁場與電勵磁磁場共同作用產生。與電勵磁爪極發電機相比，它具有效率高、電機低速性能好、功率密度高等優點；與永磁爪極發電機相比，它的氣隙磁場可以方便的進行調節。因此，它綜合了永磁電機和電勵磁電機的優點，同時又克服了兩者各自的缺陷，得到了廣泛的研究。
文獻[8—9]提出了一種串聯式混合勵磁爪極電機，永磁體為圓環形，采用軸向充磁，永磁體放置在轉子爪極軛的巾間，勵磁繞組套在轉予爪極軛上。該電機中，電勵磁磁場與永磁磁場是串聯關系。由永磁體本身磁阻非常大，磁場調節所需的勵磁電流很大，可能導致永磁體出現不可逆退磁。文獻_=10—11]給出了一種并聯磁路的混合勵磁爪極發電機，它在爪極之間加入了一塊切向充磁的永磁體，永磁體的主要作用是增加電機的主磁通和減少爪極之間的漏磁，文獻[12]對該電機的輸出特性進行了研究。然而該電機采用電刷和滑環結構，因此系統的可靠性得不到保證。文獻[13]將永磁體分別鑲嵌于電機轉子爪極的外極面和相鄰瓜極之間，勵磁繞組通過勵磁繞組托架固定在端蓋上，形成混合勵磁無刷結構，因此電機的可靠性得到提升，然而鑲嵌在爪極外極面的永磁片與電勵磁磁場是串聯關系，因此勵磁磁路的磁阻非常大。此外，永磁體還存在退磁的危險。
本文提出了一種新型的混合勵磁無刷爪極發電機，介紹了電機的結構特點和磁場調節原理，利用三維有限元法分析了電機的空載磁場分布及磁場調節特性，分析結果表明：采用混合勵磁結構后，氣隙磁密得到_r提高，用較小的勵磁電流即可產生較大的磁通調節范圍，降低了電機的勵磁損耗，有效提高了電機的效率；采用無刷結構，提高了系統的可靠性。
1混合勵磁無刷爪極發電機的結構特點及磁場調節原理新型混合勵磁無刷爪極電機的結構如圖l所示，由定子、爪極轉子、永磁體、機殼、端蓋、勵磁支架和螺旋管形勵磁繞組組成。定子結構與普通三相交流電機相同，采用i相對稱繞組。轉子南兩個爪極組成，在兩個爪極磁軛中間放置一塊圓柱形永磁體。勵磁支架固定在端蓋上，上面有勵磁繞組。電機端蓋與機殼由導磁材料加丁而成，是電機磁路的重要組成部分。
新型混合勵磁無刷爪極發電機的空載氣隙磁場由永磁體和勵磁繞組共同提供，永磁磁場與電勵磁磁場為并聯關系，其中永磁體起輔助增磁作用(本文不考慮勵磁電流反向去磁的工作狀態，F文中勵磁繞組通電即對永磁磁場起增磁作用)。
當勵磁電流為零時，永磁體產生的磁場一部分通過轉子磁軛、勵磁支架、端蓋與機殼閉合，一部分進入定子，氣隙磁通較小。
當勵磁繞組通電時，電機磁路分為兩部分：永磁磁路與電勵磁磁路，二者為并聯關系，勵磁磁動勢“迫使”永磁體產生的磁通進入氣隙，而不再在機殼內閉合。其中永磁磁路為：永磁體(N極)一轉子磁軛一爪極一氣隙一定子齒一定子軛一定子齒一氣隙一爪極一轉子磁軛_÷永磁體(s極)；電勵磁磁路為：勵磁支架一附加氣隙一爪極一主氣隙一定子齒一定子軛一機殼一端蓋一勵磁支架。氣隙磁場隨著勵磁電流的增大而等大，實現了并聯混合勵磁。
相對于普通電勵磁爪極發電機，新型混合勵磁爪極發電機的轉子磁軛中間放置永磁體后，增加了氣隙磁通，因此在不增大勵磁電流的情況下增大了氣隙磁密和電機出力，提高了電機的效率。同時，勵磁繞組靜止，實現了無刷化，取消了電刷一滑環結構，提高_r發電機工作的可靠性。
該結構是電勵磁無刷爪極發電機和并聯式混合勵磁有刷爪極發電機結構和優點的結合，既實現r無刷化，又減小了勵磁容量。
2有限元分析爪極電機的爪極形狀不規則，電機磁場是典型的三維場，電機的設計、分析具有一定的難度，國際上較為直接的方法就是三維有限元法來進行分析計算。
2。1三維有限元原理三維靜磁場的基本麥克斯韋方程組為2．2 電機幾何模型的建立與空載磁場分析爪極是電機實現磁場方向轉換的關鍵環節，是模型中最為關鍵的部分，必須對爪極準確建模。圖2為電機的有限元模型，圖3為電機的剖分圖，表1為樣機的具體結構參數。
圖4為不同勵磁電流時新型混合勵磁無刷爪極發電機的氣隙磁場分布，由圖4(a)可以清晰地看到，勵磁電流為0時，混合勵磁無刷爪極電機的氣隙****磁密大約為O.3T，因此，混合勵磁無刷爪極發電機可以實現自勵。由圖4還可以看到，由爪極極跟到極尖，氣隙磁密的寬度逐漸減小，這與爪極的形狀一致。
圖5為不同直流勵磁電流下的電機磁場調節能力曲線，由于爪極電機的氣隙磁密分布不均勻，本文給出的是電機的氣隙平均磁密。為便于比較，圖5同樣給出了電勵磁有刷爪極發電機的(二者具有相同的定子結構尺寸、爪極結構尺寸。二者的定子電樞繞組、勵磁繞組總匝數相同)磁場調節能力曲線．．由圖5可以看到：
(1)勵磁電流為0 A時，電勵磁有刷爪極發電機與電勵磁無刷爪極發電機的氣隙磁密均為O，而混合勵磁無刷爪極電機的氣隙平均磁密為0．18 T。因此，相對于電勵磁無刷爪極發電機與電勵磁有刷爪極發電機，混合勵磁無刷爪極發電機可以實現自勵。
(2)勵磁電流較小時(O～2 A)，混合勵磁無刷爪極發電機的氣隙磁密人T’電勵磁有刷爪極發電機的氣隙磁密，這是由于采用混合勵磁結構后，在爪極的磁軛上增加了永磁體，增大了電機磁動勢，在相同的勵磁繞組匝數、相同的勵磁電流情況下，混合勵磁無刷爪極發電機與電勵磁無刷爪極發電機的氣隙磁密高于電勵磁有刷爪極發電機的氣隙磁密。
(3)隨著勵磁電流的增大(3～10 A)，電機鐵心逐漸飽和，混合勵磁無刷爪極發電機的氣隙平均磁密高于電勵磁有刷爪極發電機的氣隙磁密，但提高幅度不大，****磁密趨于一致。
(4)相同氣隙磁密時，混合勵磁無刷爪極發電機的勵磁電流小于電勵磁爪極發電機，因此，相比于電勵磁爪極電機，混合勵磁爪極發電機勵磁損耗低，電機功率密度高。
3結論本文研究了一種新型混合勵磁無刷爪極發電機，介紹了電機的結構特點和磁場調節原理，進行了樣機的三維有限元分析。可以看出這種新型混合勵磁無刷爪極發電機具有如下特點：
(1)采用混合勵磁結構后，用較小的勵磁電流產生較大的磁通調節范圍，減少了勵磁損耗，有效提高了電機效率。
(2)在相數、極對數、轉速相同、結構參數相同的情況下，當勵磁電流相等時，與電勵磁爪極發電機相比，混合勵磁無刷爪極發電機具有更高的氣隙磁通密度和功率密度。
(3)采用無刷結構，取消了電刷、滑環結構，提高了系統的可靠性。 |
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