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| 新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性的三維有限元分析(zxj) |
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摘要：釗對(duì)電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)效率低、永磁爪極發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題，提出一種新型的混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)，它采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁繞組通過(guò)勵(lì)磁支架固定在端蓋上，由永磁體和勵(lì)磁繞組共同作用產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，永磁磁場(chǎng)與電勵(lì)磁磁場(chǎng)為并聯(lián)關(guān)系。文采用三維有限元法對(duì)電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布及磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)具有功率密度高、高效、可靠性高、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍更寬等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁；無(wú)刷；爪極發(fā)電機(jī)。
0 引 言爪極發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、勵(lì)磁調(diào)節(jié)方便而在車輛中得到了廣泛應(yīng)用。按照勵(lì)磁方式的不同，爪極發(fā)電機(jī)可分為電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)、永磁爪極發(fā)電機(jī)和混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)三種。
電勵(lì)磁瓜極發(fā)電機(jī)具有較好的調(diào)節(jié)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以方便的調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，但其極間漏磁大，功率密度小，電機(jī)效率低，且存在電刷一滑環(huán)結(jié)構(gòu)，可靠性不高。永磁爪極發(fā)電機(jī)的效率和功率密度較高，但由于采用永磁勵(lì)磁，氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)非常困難。混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)存在2個(gè)磁勢(shì)源，電機(jī)磁場(chǎng)由永磁磁場(chǎng)與電勵(lì)磁磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生。與電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)相比，它具有效率高、電機(jī)低速性能好、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)；與永磁爪極發(fā)電機(jī)相比，它的氣隙磁場(chǎng)可以方便的進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，它綜合了永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了兩者各自的缺陷，得到了廣泛的研究。
文獻(xiàn)[8—9]提出了一種串聯(lián)式混合勵(lì)磁爪極電機(jī)，永磁體為圓環(huán)形，采用軸向充磁，永磁體放置在轉(zhuǎn)子爪極軛的巾間，勵(lì)磁繞組套在轉(zhuǎn)予爪極軛上。該電機(jī)中，電勵(lì)磁磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)是串聯(lián)關(guān)系。由永磁體本身磁阻非常大，磁場(chǎng)調(diào)節(jié)所需的勵(lì)磁電流很大，可能導(dǎo)致永磁體出現(xiàn)不可逆退磁。文獻(xiàn)_=10—11]給出了一種并聯(lián)磁路的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，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(jī)的主磁通和減少爪極之間的漏磁，文獻(xiàn)[12]對(duì)該電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了研究。然而該電機(jī)采用電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)的可靠性得不到保證。文獻(xiàn)[13]將永磁體分別鑲嵌于電機(jī)轉(zhuǎn)子爪極的外極面和相鄰瓜極之間，勵(lì)磁繞組通過(guò)勵(lì)磁繞組托架固定在端蓋上，形成混合勵(lì)磁無(wú)刷結(jié)構(gòu)，因此電機(jī)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(lì)磁磁場(chǎng)是串聯(lián)關(guān)系，因此勵(lì)磁磁路的磁阻非常大。此外，永磁體還存在退磁的危險(xiǎn)。
本文提出了一種新型的混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)，介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，利用三維有限元法分析了電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布及磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性，分析結(jié)果表明：采用混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)后，氣隙磁密得到_r提高，用較小的勵(lì)磁電流即可產(chǎn)生較大的磁通調(diào)節(jié)范圍，降低了電機(jī)的勵(lì)磁損耗，有效提高了電機(jī)的效率；采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
1混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示，由定子、爪極轉(zhuǎn)子、永磁體、機(jī)殼、端蓋、勵(lì)磁支架和螺旋管形勵(lì)磁繞組組成。定子結(jié)構(gòu)與普通三相交流電機(jī)相同，采用i相對(duì)稱繞組。轉(zhuǎn)子南兩個(gè)爪極組成，在兩個(gè)爪極磁軛中間放置一塊圓柱形永磁體。勵(lì)磁支架固定在端蓋上，上面有勵(lì)磁繞組。電機(jī)端蓋與機(jī)殼由導(dǎo)磁材料加丁而成，是電機(jī)磁路的重要組成部分。
新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)由永磁體和勵(lì)磁繞組共同提供，永磁磁場(chǎng)與電勵(lì)磁磁場(chǎng)為并聯(lián)關(guān)系，其中永磁體起輔助增磁作用(本文不考慮勵(lì)磁電流反向去磁的工作狀態(tài)，F(xiàn)文中勵(lì)磁繞組通電即對(duì)永磁磁場(chǎng)起增磁作用)。
當(dāng)勵(lì)磁電流為零時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)一部分通過(guò)轉(zhuǎn)子磁軛、勵(lì)磁支架、端蓋與機(jī)殼閉合，一部分進(jìn)入定子，氣隙磁通較小。
當(dāng)勵(lì)磁繞組通電時(shí)，電機(jī)磁路分為兩部分：永磁磁路與電勵(lì)磁磁路，二者為并聯(lián)關(guān)系，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)“迫使”永磁體產(chǎn)生的磁通進(jìn)入氣隙，而不再在機(jī)殼內(nèi)閉合。其中永磁磁路為：永磁體(N極)一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁軛_÷永磁體(s極)；電勵(lì)磁磁路為：勵(lì)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(jī)殼一端蓋一勵(lì)磁支架。氣隙磁場(chǎng)隨著勵(lì)磁電流的增大而等大，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)混合勵(lì)磁。
相對(duì)于普通電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，新型混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(lì)磁電流的情況下增大了氣隙磁密和電機(jī)出力，提高了電機(jī)的效率。同時(shí)，勵(lì)磁繞組靜止，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，取消了電刷一滑環(huán)結(jié)構(gòu)，提高_(dá)r發(fā)電機(jī)工作的可靠性。
該結(jié)構(gòu)是電勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)和并聯(lián)式混合勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)r無(wú)刷化，又減小了勵(lì)磁容量。
2有限元分析爪極電機(jī)的爪極形狀不規(guī)則，電機(jī)磁場(chǎng)是典型的三維場(chǎng)，電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析具有一定的難度，國(guó)際上較為直接的方法就是三維有限元法來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。
2。1三維有限元原理三維靜磁場(chǎng)的基本麥克斯韋方程組為2．2 電機(jī)幾何模型的建立與空載磁場(chǎng)分析爪極是電機(jī)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是模型中最為關(guān)鍵的部分，必須對(duì)爪極準(zhǔn)確建模。圖2為電機(jī)的有限元模型，圖3為電機(jī)的剖分圖，表1為樣機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。
圖4為不同勵(lì)磁電流時(shí)新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布，由圖4(a)可以清晰地看到，勵(lì)磁電流為0時(shí)，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極電機(jī)的氣隙****磁密大約為O.3T，因此，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。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(lì)磁電流下的電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力曲線，由于爪極電機(jī)的氣隙磁密分布不均勻，本文給出的是電機(jī)的氣隙平均磁密。為便于比較，圖5同樣給出了電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)的(二者具有相同的定子結(jié)構(gòu)尺寸、爪極結(jié)構(gòu)尺寸。二者的定子電樞繞組、勵(lì)磁繞組總匝數(shù)相同)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力曲線．．由圖5可以看到：
(1)勵(lì)磁電流為0 A時(shí)，電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁密均為O，而混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極電機(jī)的氣隙平均磁密為0．18 T。因此，相對(duì)于電勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。
(2)勵(lì)磁電流較小時(shí)(O～2 A)，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁密人T’電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁密，這是由于采用混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)后，在爪極的磁軛上增加了永磁體，增大了電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)，在相同的勵(lì)磁繞組匝數(shù)、相同的勵(lì)磁電流情況下，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁密高于電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁密。
(3)隨著勵(lì)磁電流的增大(3～10 A)，電機(jī)鐵心逐漸飽和，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的氣隙平均磁密高于電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)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(shí)，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流小于電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，因此，相比于電勵(lì)磁爪極電機(jī)，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)勵(lì)磁損耗低，電機(jī)功率密度高。
3結(jié)論本文研究了一種新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)，介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，進(jìn)行了樣機(jī)的三維有限元分析。可以看出這種新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：
(1)采用混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)后，用較小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生較大的磁通調(diào)節(jié)范圍，減少了勵(lì)磁損耗，有效提高了電機(jī)效率。
(2)在相數(shù)、極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速相同、結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，當(dāng)勵(lì)磁電流相等時(shí)，與電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)相比，混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)具有更高的氣隙磁通密度和功率密度。
(3)采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，取消了電刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。 |
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