混合励磁同步电机的技术方案分析

宁银行，刘 闯，姜仁华,2，张 磊，朱姝姝

(1.南京航空航天大学 自动化学院,南京 210016) (2.中航工业雷达与电子设备研究院，江苏 无锡 214063)



混合励磁同步电机的技术方案分析

宁银行1，刘 闯1，姜仁华1,2，张 磊1，朱姝姝1

(1.南京航空航天大学 自动化学院,南京 210016) (2.中航工业雷达与电子设备研究院，江苏 无锡 214063)

介绍了设计混合励磁同步电机(HESM)时，涉及的主要技术问题及其方案选择，包括原型电机方案、永磁/电励磁磁势串并联关系、励磁结构方案、定转子槽/极匹配原则和谐波抑制方案等。提出了一个励磁绕组位于转子的HESM样机模型，以该模型为例，计算了调磁特性，研究了斜槽方案对谐波抑制的有效性，分析了电励磁对电感的影响，对于HESM电感的非线性，为简化转矩控制的复杂性，宜采用id=0控制。研究了永磁/电励磁比重对调磁特性的影响，以凸极同步发电机为基础，适当增加永磁，设计得到的另一新型HESM，具有较强的励磁能力，且故障发生时可实现有效灭磁。

混合励磁同步电机；拓扑结构；谐波抑制；电感特性；调磁特性

0 引 言

永磁电机的结构形状设计灵活，具有转矩密度大，损耗小，效率高，质量轻，结构简单，运行可靠等优点，应用广泛。但主极磁场不可调的特点，限制了永磁电机在诸如发电和宽范围调速等场合中的应用。混合励磁电机是在永磁电机的基础上，引入电励磁绕组，在继承永磁电机优点的同时，确保气隙磁场可调。

美国学者Mccarty F B[1]、俄罗斯学者[2]和美国学者Radomski T A[3]分别较早地提出了磁极分割式、磁分路式和爪极式等结构的混合励磁电机，影响较为深远。各国学者将应用需求和结构设计相结合，探索了混合励磁电机在多个领域中应用的可行性，涉及到航空航天[4]、电动汽车、风能利用、舰船推进等，经济前景广阔。

早在20世纪70年代，美国、以色列、法国等国着手开展电机驱动的机载雷达，国内也在90年代中期开展了电机伺服系统取代液压伺服系统的研究工作。以永磁同步电机为电机原型的混合励磁同步电机(HESM)，转矩密度高、转矩脉动小、功率因数可控性好，在较宽的转速范围内具有良好的运行平稳性。HESM用于伺服电机，能够适应电机伺服系统所要求的力矩大、响应快、可控精度高等特点。

本文介绍了设计HESM时，涉及的主要技术问题，包括原型电机的转子方案、励磁拓扑结构方案、定转子匹配原则、谐波抑制方案和转矩控制策略选择等方面。以一个励磁绕组位于转子的HESM样机为例，介绍了HESM的基本特性。

1 HESM的拓扑方案分析

1.1 电机原型的转子结构

HESM是以永磁同步电机为电机原型进行结构调整得到的新型电机。在设计HESM时，电机原型的选择对HESM的拓扑结构和性能特点影响较大。图1给出了永磁同步电机转子的典型结构。按照永磁体磁化方向和转子旋转方向的相互关系，分为径向式、切向式和轴向式。

图1 永磁电机的转子结构

图1a)中永磁体沿轴向插入槽中，结构简单，运行可靠；漏磁少，但气隙磁密偏小；图1b)中电感凸极率大，磁阻转矩大，同一磁极的磁通由相邻永磁体提供，适用于极数多且要求气隙磁密大的电机；图1c)是由两个带爪的法兰盘和一个圆环状的永磁体构成，左右法兰盘的爪极数相同，沿圆周相互均匀错开，该类电机的优点是永磁体的形状简单、磁性能好、磁化均匀；电枢反应对永磁体的去磁作用小，永磁体的抗去磁能力强。缺点是：爪极结构复杂，制造困难；爪极自身的离心力大，需要专门的紧固措施，爪极和法兰盘占转子的比重大，质量偏大。

永磁同步电机的转子拓扑结构确定后，通过结构调整，增设电励磁绕组，使电励磁磁通和永磁磁通共同作为HESM的转子主极磁通。文献[5]介绍了磁钢轴向磁化型混合励磁同步电机。

1.2 电励磁/永磁磁势的串并联方案

HESM中包括永磁磁势和电励磁磁势，两者的相对关系主要有串联型、并联型和并列型，如图2所示。其中，Fpm和Fmf分别是永磁磁势、电励磁磁势；Rpm和Riron分别是永磁磁阻、铁芯磁阻，Rmf特指(磁势并联型HESM中)电励磁支路的铁芯磁阻；“外部”指主磁极之外的气隙和定子部分。

图2 电励磁和永磁磁势的磁路关系

对于磁势串联型HESM，电励磁直接作用在永磁体上，对永磁体的工作点影响较大。此外，由于永磁磁阻较大，励磁经济性差。

对于磁势并联型HESM，电励磁磁势和永磁磁势分别位于不同的磁支路，其中电励磁磁通经“支路2”-“外部”构成磁回路，磁阻相对较小，励磁能力提高。就电枢磁势(位于定子侧，图中未示出)而言，“支路2”对“支路1”具有旁路作用，降低了永磁体发生不可逆退磁的风险。

对于磁势并列型HESM，电励磁磁势和永磁磁势有各自独立的磁回路，因此，电励磁调节时，相互影响程度小，电感参数变化小。目前来看，为了实现磁势并列型，通常是将相互独立的永磁转子和电励磁转子在转轴上组合而成，体积较大。

1.3 励磁拓扑结构方案

根据励磁绕组的位置，主要有两类方案：(1)励磁绕组固定在静止部件上；(2)励磁绕组位于转子上，处于旋转状态。

第一类励磁方案，易于实现无刷励磁，具体实施方法：

以图1所示的转子为例，不同极性的磁极交替出现在转子周向上。为分析方便，使用图3表示转子磁极，存在N磁极组和S磁极组。将转子的磁极组沿轴向引出，然后，借助导磁部件构成闭合的磁路，定义该新增磁路为附加磁路，励磁绕组缠绕在附加磁路上。

图3给出了S磁极组和N磁极组分别引出到①端和②端，图4给出了继续延伸①端和②端的几种方法，以便构成闭合磁路。

图3 磁极分组

在图1b)所示永磁电机转子结构的基础上，采用图4所示的励磁拓扑方案，得到相应的切向磁钢型混合励磁同步电机[6-8]，永磁体位于相邻磁极之间，励磁绕组缠绕在延伸的附加磁路上。

图4a)是双端调磁型的励磁结构方案[6]，利用导磁的端盖和机壳作为附加磁路，轴向两端各存在一套励磁绕组。

图4b)是磁分路式混合励磁电机的励磁结构方案[7]。将N磁极组和S磁极组分别按照圆环状沿轴向同侧延伸，然后，圆环状部件之间设置导磁部件，该部件一是用于导磁，二是用于嵌放励磁绕组。

图4 混合励磁同步电机的励磁结构方案

图4c)是爪极式混合励磁电机的励磁结构方案[8]。将N磁极组和S磁极组分别从轴向不同侧，沿着内部收缩，使用导磁部件将两者连接起来，励磁绕组绕制在该导磁部件上。

第二类励磁方案是将励磁绕组直接放在转子上，为实现励磁，具体实施方法：

一是采用有刷励磁；二是借鉴航空发电机中常用的三级式方案(永磁副励磁机、旋转电枢式交流励磁机、主电机)；同时，考虑到混合励磁电机中固有的永磁磁场，省去三级式方案中的永磁副励磁机，保留交流励磁机，以混合励磁电机作为主电机，采用两级式方案实现无刷化励磁。

综上，第一类方案易于实现无刷化励磁，但存在轴向磁路，转子等部件为块状实体铁芯，磁路长，漏磁大，励磁效率低；第二类方案中，磁路短，励磁效率高。

结合应用需求，完成上述技术问题(原型电机结构，磁势串并联关系，励磁拓扑结构等)的方案选择，HESM的拓扑结构基本确定。

图5为一个混合励磁型转子的设计实例，是在切向永磁同步电机转子的基础上形成的，励磁绕组位于转子上，励磁磁路短，不涉及轴向磁路。

图5 混合励磁型转子结构

为该转子设计定子，表1中给出了相关参数值。使用有限元软件进行计算，同时忽略定子开槽的影响，磁场分布如图6所示，Fmf为每极电励磁磁动势，单位为A·T。可以看出，施加电励磁之前，永磁磁场的一部分在转子中闭合，另一部分进入定子。施加电励磁后，极身中合成总磁通方向发生变化，气隙磁通增大，定子轭部磁密由0.74 T变化为1.21 T。

表1 HESM的主要参数 mm

参数值参数值电机长度95永磁体磁化长度6定子外径174永磁体宽度29定子内径112.8励磁绕组每极匝数180转子外径112电枢绕组每相匝数16

图7为施加电励磁前的气隙磁密波形，呈方波特征，除基波分量B1外，还存在大量的谐波分量(谐波抑制问题见后文分析)。基波分量B1是交流电机的有效分量，图8为励磁电流变化时，B1的变化特征。在施加电励磁前，气隙磁场不为零，随着励磁的增强，气隙磁密由0.68 T增大到1.11 T，调磁范围约为0.63%。

图7 气隙磁密波形(Fmf=0 A·T)

图8 调磁特性(基波分量B1)

1.4 定转子的槽/极匹配

图5所示的混合励磁型转子，本质仍然是同步电机转子。因此，为混合励磁型转子(图5所示)选择定子方案时，理论上讲，与永磁同步电机或电励磁同步电机的定转子匹配原则相同，可设计成整数槽，也可设计为分数槽，可设计成分布绕组，也可设计成集中绕组。图9为基于混合励磁型转子设计而成的混合励磁同步电机，转子磁极数为4，采用120°相带，每对极每相槽数q=4，其他主要参数见表1。以图9所示的混合励磁同步电机为主电机，采用两级式无刷励磁方案的样机如图10所示，其电磁特性参见文献[9]。

图9 混合励磁电机结构

图10 两级式无刷混合励磁电机

2 HESM的谐波抑制方案分析

为提高电压波形品质，通常从槽口、槽形、极槽配合、磁极形状、斜槽或斜极等方面入手[10]。

(1)半闭口槽或用磁性槽楔

磁性槽楔可以减弱气隙磁导的波动，缓和齿槽效应，半闭口槽的槽口有效尺寸小，效果上类似于磁性槽楔。但是从图7可以看出即使定子未开槽，气隙磁密中仍然存在大量的谐波，因此，该方案仅可作为辅助措施。

(2)增大每极每相槽数q

每极每相槽数q越大，谐波抑制效果越好，但是q越大，意味着定子总槽数越多，电机成本提高。而且，q>6时，高次谐波的分布因数下降不再明显，因此，通常选用2≤q≤6。实际上，对于特定次数的谐波(如齿谐波)，增大q值也难以获得理想的谐波抑制效果。

(3)分数槽绕组

每极每相槽数q为非整数时，称之为分数槽。对于多极的HESM，过大的q不太现实，而采用分数槽绕组是一个较为理想的选择，通过选择合理的极槽配合，减小空载电动势中的高次谐波。采用分数槽时，从其分布因数的表达式上看，分数槽实际上是等效放大了q值。

(4)合理设计磁极形状

在凸极同步电机中，为削弱谐波分量，可设法改变主极的极靴形状和极弧长度，例如将极弧系数设计在0.7～0.75。但是对于诸如图9所示的HESM，由于转子结构的特殊性，极弧系数难以调整。文献[9]借鉴隐极同步电机磁极形状的优化方法，控制最大气隙和最小气隙，来改善主极磁场的分布。

(5)斜槽或斜极

从定性的角度看，如果一个导体倾斜的范围正好等于v次谐波磁场的周期，那么在任意时刻，该v次磁场略过导体上的磁力线总和始终为定值(一般为0)。因此，该次谐波不产生电势，表明此时导体的倾斜程度正好抑制了该v次谐波。

采用斜槽后，导体各小段在磁场中的位置各不相同，即存在空间相位差，因此，各段的感应电势表现为时间上的相位差。一个导体的感应电势相当于无数个小段感应电势的矢量合成。因此，绕组的“斜槽因数”的求解类似于绕组的“分布因数”的求解，具体细节可参考文献[10]。

大型电机中采用斜槽时，铁芯叠压工艺复杂，倾向于采用斜极方案，斜槽主要用于中小型电机。以图9所示的HESM为例，节距r1=5π/6，q=4，优化前的相电势计算结果如图11所示。

图11 优化前的相电势(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

采用整数槽时，v=Kz/p±1次的高次谐波表现突出，工程中将其称之为齿谐波，其中，z为电枢槽数，p为极对数，K为整数。根据设计参数(z=24，p=2)可知，图11中较大的谐波(11、25、35、47次)正是齿谐波，这表明通过“分布”和“短距”绕组设计对齿谐波的抑制不够理想，n为电机转速。图12为斜过1个齿距(对应的机械角度为360°/24=15°)时相电势的计算结果，谐波含量大大降低，总的谐波畸变率计算值约为2.28%。

图12 斜槽后的相电势(Fmf=0 A·T,n=5 000 r/min)

3 HESM的控制策略和电感特性分析

HESM的本质仍是同步电机，从定子端看，可以将由永磁和电励磁激励的转子磁场统一看成一个合成磁场，对应的转子磁链使用符号Ψr表示，HESM的电磁转矩Te方程为

(1)

式中：p为极对数；iq和id分别为q轴电流分量、d轴电流分量；Ld和Lq分别是d轴、q轴电感。

永磁同步电机的电流矢量转矩控制方法主要有：id=0控制、cosφ=1控制、最大转矩/电流比控制和最大输出功率控制等。上述控制策略与Ψr、Ld和Lq等因素密切相关。在永磁同步电机中，上述参数变化波动小，通常认为是恒值，控制策略易于实施，但是对于HESM，电感呈现出新的特性。以并联磁路型HESM为例，分析电感特性，如图13所示。

图13 磁路并联型HESM磁通工作模式

图13a)中，在未施加电励磁时，磁通主要由永磁体产生，永磁磁通分别在支路1和支路2中闭合，永磁磁势较大时，支路2常处于反向磁饱和状态；图13b)中施加正向电励磁后，电励磁磁通Ф3和永磁磁通Ф2在支路2中方向相反，因此，正向调磁过程中支路2的磁饱和程度先减小后增大。以图9所示的混合励磁同步电机为例，转子极身对应于图13中的支路2。在调磁过程中转子极身处磁密的变化如图14所示。

图14 转子极身的磁密

图15为HESM的交直轴电枢反应磁路。交轴电枢反应经定子铁芯、气隙、永磁体及转子外缘，形成闭合回路。直轴电枢反应经定子铁芯、气隙及电励磁极身，形成闭合回路。磁路1中仅存在交轴电枢反应磁通，而磁路2则同时受永磁、电励磁和直轴电枢反应等因素的影响。

图15 电枢反应磁路

由上述定性分析可知，永磁和电励磁影响转子极身饱和程度，进而影响电感参数。电枢相电流ia分别是10 A、20 A、30 A、40 A、50 A时，电励磁对直交轴电枢电感的影响如图16所示。

图16 励磁电流对直交轴电感的影响

可以看出：1)直轴电枢电感的变化较大，说明励磁电流对直轴磁路饱和程度的影响较大，与图13、图14和图15的定性分析相一致。

2)与直轴电感相比，交轴电枢电感相对稳定。但是，以ia=40 A为例，图中，Lq的最小值为0.56 mH，最大值为0.62 mH，也变化了10.7%。

根据电感的计算结果可知：1)Ld和Lq均是变化的(尤以Ld为甚)。

2)凸极率ρ=Lq/Ld，存在>1、=1和<1等情况，因此，根据式(1)可知，相对于Ld和Lq通常为定值或变化不大的永磁同步电机而言，对HESM采用最大转矩/电流比控制、最大功率控制、cosφ=1和最小铜损控制等难度较大。推荐采用id=0的控制策略，有利于减小电感参数变化对系统稳定性的影响。

4 转子设计的进一步探讨

在永磁电机的基础上，调整电机结构，增设励磁绕组，得到图9所示的混合励磁电机，以永磁为主，电励磁为辅，在电励磁为0时，存在一定大小的气隙磁场(如图6所示)，不利于故障灭磁。相反，在电励磁同步电机的基础上，通过调整结构，增设永磁体，形成的HESM，以电励磁为主，以永磁为辅。

图17为凸极电励磁同步电机(EESM)转子，图18为在凸极EESM的相邻转子磁极之间增设永磁体形成的新型同步电机(EESM-add)转子。从工作原理上看，图17中气隙磁场全部由电励磁产生，图18中气隙磁场也全部由电励磁提供，但是在EESM-add的转子极身上，永磁磁通与电励磁磁通方向相反，削弱了转子极身的饱和程度，从而提高电励磁的励磁能力。

图17 EESM

图18 EESM-add

为了进行对比，EESM和EESM-add统一采用表1中的尺寸参数和绕组参数。采用有限元法对其计算，得到的磁场分布和空载特性，分别如图19和图20所示，图中，E0为相感应电势。在零励磁时，EESM-add的转子磁场分布如图19所示，几乎所有的永磁磁通在转子中闭合。

图19 励磁分布(Fmf=0 A·T)

图20 空载特性

从图20可以看出，除数值大小不同之外，EESM-add和EESM具有相似的调磁特性。与EESM相比，EESM-add的气隙磁场较大；在励磁电流为0时，EESM-add的空载电压近似为0 V，表明故障发生时，切除电励磁可实现有效灭磁。

5 结束语

本文介绍了设计混合励磁同步电机HESM时，涉及的主要技术问题，包括如下方面：

1)分析了HESM的电机原型方案，永磁/电励磁磁势的串并联关系，励磁结构方案和定转子槽/极匹配原则等。

2)为提高HESM的电能品质，以空载电压波形为例，讨论了HESM的谐波抑制方案，如主磁极形状优化和定子斜槽设计。

3)研究了HESM中电励磁对电感的影响。HESM的电感波动相对较大，针对HESM的转矩控制时，采用id=0控制策略，有利于简化控制的复杂性。

4)研究了永磁/电励磁比重对调磁特性的影响。以凸极同步发电机为基础，设计得到的新型HESM，以电励磁为主，永磁为辅。计算结果表明该新型HESM的励磁能力有较大提高，同时具有故障发生时有效灭磁的能力。

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宁银行 男，1982年生，博士生，研究方向为特种电机设计与控制。

刘 闯 男，1973年生，博士生导师，研究方向为航空电源系统设计，特种电机设计与控制。

姜仁华 男，1981年生，博士生，研究方向为特种电机设计与控制。

Analysis on Technology Scheme of Hybrid Excitation Synchronous Machines

NING Yinhang1，LIU Chuang1，JIANG Renhua1,2，ZHANG Lei1，ZHU Shushu1

(1.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) (2.Radar and Avionics Institute of Aviation Indus Corporation of China,Wuxi 214063,China)

Some technological issues in designing hybrid excitation synchronous machine(HESM) are presented,including the rotor base of HESM,the topology structure for electrical excitation,the matching rule of stator slot to rotor pole,the harmonic suppression methods,and so on.A HESM with the exciting coils in its rotor (HESM-E-R) is proposed.Besides the flux-regulating characteristic of HESM-E-R,the effectiveness of the skewed-slot method in reducing the harmonic order is studied with the finite element method(FEM).In addition,the influence of the exciting current on the inductance is also analyzed and calculated.Because of the non-linear variation of HESM's inductance,id=0 controlling strategy is recommended for the simplification of the system.Finally,a salient pole synchronous generator combining with the permanent magnet(another novel HESM) is presented.This novel HESM has an excellent ability of flux excitation and flux extinction when electrical failures occur.

hybrid excitation synchronous machine; topology structure; harmonic suppression; inductance characteristic; flux-regulating feature

��伺系统·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.013

国家自然科学基金(50977044)；国家自然科学基金(51377076)；江苏省自然科学基金(BK20151574)；江苏省产学研联合创新资金前瞻项目(BY2014003-09)

宁银行 Email：nyh4711343@126.com

2016-07-13

2016-09-26

TM35

A

1004-7859(2016)10-0054-07