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| 新型混合励磁无刷爪极电机磁场调节特性的三维有限元分析(zxj) |
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摘要：钊对电励磁爪极发电机效率低、永磁爪极发电机磁场调节困难的问题，提出一种新型的混合励磁无刷爪极发电机，它采用无刷结构，励磁绕组通过励磁支架固定在端盖上，由永磁体和励磁绕组共同作用产生气隙磁场，永磁磁场与电励磁磁场为并联关系。文采用三维有限元法对电机的空载磁场分布及磁场调节能力进行分析，分析结果表明：新型混合励磁无刷爪极发电机具有功率密度高、高效、可靠性高、转速调节范围更宽等特点。
关键词：混合励磁；无刷；爪极发电机。
0 引 言爪极发电机因结构简单、成本低、励磁调节方便而在车辆中得到了广泛应用。按照励磁方式的不同，爪极发电机可分为电励磁爪极发电机、永磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机三种。
电励磁瓜极发电机具有较好的调节特性，通过调节励磁电流可以方便的调节气隙磁场，但其极间漏磁大，功率密度小，电机效率低，且存在电刷一滑环结构，可靠性不高。永磁爪极发电机的效率和功率密度较高，但由于采用永磁励磁，气隙磁场的调节非常困难。混合励磁爪极发电机存在2个磁势源，电机磁场由永磁磁场与电励磁磁场共同作用产生。与电励磁爪极发电机相比，它具有效率高、电机低速性能好、功率密度高等优点；与永磁爪极发电机相比，它的气隙磁场可以方便的进行调节。因此，它综合了永磁电机和电励磁电机的优点，同时又克服了两者各自的缺陷，得到了广泛的研究。
文献[8—9]提出了一种串联式混合励磁爪极电机，永磁体为圆环形，采用轴向充磁，永磁体放置在转子爪极轭的巾间，励磁绕组套在转予爪极轭上。该电机中，电励磁磁场与永磁磁场是串联关系。由永磁体本身磁阻非常大，磁场调节所需的励磁电流很大，可能导致永磁体出现不可逆退磁。文献_=10—11]给出了一种并联磁路的混合励磁爪极发电机，它在爪极之间加入了一块切向充磁的永磁体，永磁体的主要作用是增加电机的主磁通和减少爪极之间的漏磁，文献[12]对该电机的输出特性进行了研究。然而该电机采用电刷和滑环结构，因此系统的可靠性得不到保证。文献[13]将永磁体分别镶嵌于电机转子爪极的外极面和相邻瓜极之间，励磁绕组通过励磁绕组托架固定在端盖上，形成混合励磁无刷结构，因此电机的可靠性得到提升，然而镶嵌在爪极外极面的永磁片与电励磁磁场是串联关系，因此励磁磁路的磁阻非常大。此外，永磁体还存在退磁的危险。
本文提出了一种新型的混合励磁无刷爪极发电机，介绍了电机的结构特点和磁场调节原理，利用三维有限元法分析了电机的空载磁场分布及磁场调节特性，分析结果表明：采用混合励磁结构后，气隙磁密得到_r提高，用较小的励磁电流即可产生较大的磁通调节范围，降低了电机的励磁损耗，有效提高了电机的效率；采用无刷结构，提高了系统的可靠性。
1混合励磁无刷爪极发电机的结构特点及磁场调节原理新型混合励磁无刷爪极电机的结构如图l所示，由定子、爪极转子、永磁体、机壳、端盖、励磁支架和螺旋管形励磁绕组组成。定子结构与普通三相交流电机相同，采用i相对称绕组。转子南两个爪极组成，在两个爪极磁轭中间放置一块圆柱形永磁体。励磁支架固定在端盖上，上面有励磁绕组。电机端盖与机壳由导磁材料加丁而成，是电机磁路的重要组成部分。
新型混合励磁无刷爪极发电机的空载气隙磁场由永磁体和励磁绕组共同提供，永磁磁场与电励磁磁场为并联关系，其中永磁体起辅助增磁作用(本文不考虑励磁电流反向去磁的工作状态，F文中励磁绕组通电即对永磁磁场起增磁作用)。
当励磁电流为零时，永磁体产生的磁场一部分通过转子磁轭、励磁支架、端盖与机壳闭合，一部分进入定子，气隙磁通较小。
当励磁绕组通电时，电机磁路分为两部分：永磁磁路与电励磁磁路，二者为并联关系，励磁磁动势“迫使”永磁体产生的磁通进入气隙，而不再在机壳内闭合。其中永磁磁路为：永磁体(N极)一转子磁轭一爪极一气隙一定子齿一定子轭一定子齿一气隙一爪极一转子磁轭_÷永磁体(s极)；电励磁磁路为：励磁支架一附加气隙一爪极一主气隙一定子齿一定子轭一机壳一端盖一励磁支架。气隙磁场随着励磁电流的增大而等大，实现了并联混合励磁。
相对于普通电励磁爪极发电机，新型混合励磁爪极发电机的转子磁轭中间放置永磁体后，增加了气隙磁通，因此在不增大励磁电流的情况下增大了气隙磁密和电机出力，提高了电机的效率。同时，励磁绕组静止，实现了无刷化，取消了电刷一滑环结构，提高_r发电机工作的可靠性。
该结构是电励磁无刷爪极发电机和并联式混合励磁有刷爪极发电机结构和优点的结合，既实现r无刷化，又减小了励磁容量。
2有限元分析爪极电机的爪极形状不规则，电机磁场是典型的三维场，电机的设计、分析具有一定的难度，国际上较为直接的方法就是三维有限元法来进行分析计算。
2。1三维有限元原理三维静磁场的基本麦克斯韦方程组为2．2 电机几何模型的建立与空载磁场分析爪极是电机实现磁场方向转换的关键环节，是模型中最为关键的部分，必须对爪极准确建模。图2为电机的有限元模型，图3为电机的剖分图，表1为样机的具体结构参数。
图4为不同励磁电流时新型混合励磁无刷爪极发电机的气隙磁场分布，由图4(a)可以清晰地看到，励磁电流为0时，混合励磁无刷爪极电机的气隙****磁密大约为O.3T，因此，混合励磁无刷爪极发电机可以实现自励。由图4还可以看到，由爪极极跟到极尖，气隙磁密的宽度逐渐减小，这与爪极的形状一致。
图5为不同直流励磁电流下的电机磁场调节能力曲线，由于爪极电机的气隙磁密分布不均匀，本文给出的是电机的气隙平均磁密。为便于比较，图5同样给出了电励磁有刷爪极发电机的(二者具有相同的定子结构尺寸、爪极结构尺寸。二者的定子电枢绕组、励磁绕组总匝数相同)磁场调节能力曲线．．由图5可以看到：
(1)励磁电流为0 A时，电励磁有刷爪极发电机与电励磁无刷爪极发电机的气隙磁密均为O，而混合励磁无刷爪极电机的气隙平均磁密为0．18 T。因此，相对于电励磁无刷爪极发电机与电励磁有刷爪极发电机，混合励磁无刷爪极发电机可以实现自励。
(2)励磁电流较小时(O～2 A)，混合励磁无刷爪极发电机的气隙磁密人T’电励磁有刷爪极发电机的气隙磁密，这是由于采用混合励磁结构后，在爪极的磁轭上增加了永磁体，增大了电机磁动势，在相同的励磁绕组匝数、相同的励磁电流情况下，混合励磁无刷爪极发电机与电励磁无刷爪极发电机的气隙磁密高于电励磁有刷爪极发电机的气隙磁密。
(3)随着励磁电流的增大(3～10 A)，电机铁心逐渐饱和，混合励磁无刷爪极发电机的气隙平均磁密高于电励磁有刷爪极发电机的气隙磁密，但提高幅度不大，****磁密趋于一致。
(4)相同气隙磁密时，混合励磁无刷爪极发电机的励磁电流小于电励磁爪极发电机，因此，相比于电励磁爪极电机，混合励磁爪极发电机励磁损耗低，电机功率密度高。
3结论本文研究了一种新型混合励磁无刷爪极发电机，介绍了电机的结构特点和磁场调节原理，进行了样机的三维有限元分析。可以看出这种新型混合励磁无刷爪极发电机具有如下特点：
(1)采用混合励磁结构后，用较小的励磁电流产生较大的磁通调节范围，减少了励磁损耗，有效提高了电机效率。
(2)在相数、极对数、转速相同、结构参数相同的情况下，当励磁电流相等时，与电励磁爪极发电机相比，混合励磁无刷爪极发电机具有更高的气隙磁通密度和功率密度。
(3)采用无刷结构，取消了电刷、滑环结构，提高了系统的可靠性。 |
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