高速軸向電勵磁雙凸極電機設計與特性分析*

沈 澳, 孟小利

(南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 210016)

0 引 言

多電飛機將飛機的二次能源統一為電能,這不僅簡化了飛機結構,改善了飛機性能,還可以節省運行成本,多電飛機逐漸成為現代航空飛機的主要發展方向之一。但用電設備的增加又對航空電源提出了更高的要求,現代航空電源不僅需要更大的電源容量,而且對電源可靠性和電能質量的要求也不斷提高[1]。查閱文獻可知,目前航空電源采用較多的電機是三級式無刷交流同步電機、永磁雙凸極電機、永磁同步電機、開關磁阻電機和電勵磁雙凸極電機。

三級式無刷交流同步電機采用變頻直流發電模式,但由于三級式電機結構復雜,難以保證可靠性,且轉子上安裝旋轉整流器,會限制電機轉速,使得電機功率密度難以進一步得到提升;永磁電機雖然具有高功率密度優勢,但永磁體在高溫下易退磁,且無法實現故障滅磁;開關磁阻電機(SRM)轉子上無繞組和永磁體,適用于惡劣環境,電勵磁雙凸極電機(DSEM)則在繼承了SRM優勢的基礎上加以改進,采用全周期發電,同時定子上加裝勵磁繞組使得勵磁可調,DSEM不僅結構簡單,適合高溫高速運行,且控制靈活,因此正逐步成為主流航空起動發電機的有力競爭者[2]。

現有的DSEM大多采用傳統徑向勵磁的方式,電機結構簡單,便于制造,功率密度也高,但由于DSEM定子槽內需要同時放置電樞繞組和勵磁繞組,因此在槽滿率和導線最大電流密度的限制下,勵磁和電樞匝數受限,往往難以發揮電機的最優性能。另外,由于各相磁路長度不同,各相磁鏈并不對稱。因此,有學者提出了軸向勵磁的構想。

文獻[3]初步提出了軸向勵磁雙凸極電機的構想,但僅簡單描述結構,并未進行深入研究。文獻[4]設計了一種盤式雙凸極電機,但盤式電機存在附加氣隙,附加氣隙會增大磁路磁阻,因此限制了功率密度。文獻[5]提出了一種軸向混合勵磁雙凸極電機,電機磁鏈雙極性變化,正弦度高,效率高,適于航空高速運行,但結構上將定子分成四份,結構復雜的同時容易產生更大的漏磁問題。文獻[6]提出了一種軸向磁通線圈輔助定子勵磁無刷直流電機,利用輔助勵磁線圈和電樞繞組混合之后的勵磁電流-轉矩控制,實現了電機轉速和轉矩的快速調節,減小了轉矩脈動,提高了電機穩定性。但此電機軸向的磁場僅起輔助調節作用,且并未研究其發電特性。

本文結合電勵磁雙凸極電機和軸向電機的優勢,設計了一種新型軸向電勵磁雙凸極電機(DSAEM),文中對該電機結構和工作原理進行分析,并對其重要尺寸參數進行優化,再利用有限元軟件仿真驗證其優化效果,最后對其空載和負載特性進行分析。

1 電機結構和工作原理

1.1 電機結構

圖1和圖2為DSAEM的結構圖,電機由兩段定子鐵心、兩段轉子鐵心、內導磁體和外導磁體組成,其中內導磁體即導磁轉軸,圖中為了不遮擋其他結構只畫出了1/4的電機結構,為了便于散熱,可將定子和外導磁體平均分成四塊,電機整體可以看成是由a邊和b邊兩個三相12/8電機組成,定子12極,轉子8極,中部預留空間放置勵磁繞組,電樞繞組集中纏繞在定子極上,轉子上無繞組,定轉子由硅鋼片疊壓而成,a邊和b邊定子極和轉子極都對稱放置。

圖1 DSAEM二維圖

圖2 DSAEM三維圖

電機繞組也分為a邊繞組和b邊繞組,繞組分布如圖3所示,下面以A相為例說明繞組纏繞方式。對于a邊來說,設其屬于A相的線圈為A1、A2、A3、A4,正向串聯,形成a邊A相繞組,通入電流后,A相線圈將在定子極內產生同方向的磁鏈,方向為從轉子極到定子極;對于b邊來說,設其屬于A相的線圈為A1′、A2′、A3′、A4′,同樣正向串聯,形成b邊A相繞組,通入電流后,A相線圈也會在定子極內產生同方向的磁鏈,方向為從定子極到轉子極。a邊A相繞組和b邊A相繞組反向串聯,以實現a邊和b邊的磁鏈疊加[7]。

圖3 繞組展開圖

1.2 工作原理

DSAEM的磁通路徑如圖4所示,根據磁通最小原理,當給勵磁繞組通入直流電流后,會在內導磁體中產生沿軸向的磁場,磁場沿圖4所示路徑經過a邊轉子進入氣隙再進入a邊定子,通過外導磁體進入到b邊定子中,再通過氣隙和b邊轉子進入內導磁體形成閉合回路。由于同屬一相的電樞繞組是反向串聯關系,所以最終電機總磁鏈為a邊和b邊磁鏈絕對值之和。當轉子轉入定子極時,對應相的磁鏈增加;轉子轉出定子極時,對應相的磁鏈減小;定轉子極無重合時,磁鏈不變,始終為0。根據經驗確定的電機結構尺寸見表1。

表1 電機尺寸

圖4 磁通路徑

2 DSAEM數學模型

DSAEM的軸向結構相對復雜,每段磁路都不能簡單地用線性磁阻方式來計算,且電機局部飽和以及漏磁等因素也會對其分析造成影響。為簡化分析,這里忽略以上影響因素,建立簡單的數學模型。

2.1 磁鏈方程

以A相為例,其磁鏈方程如下:

ψa=Laia+Labib+Lacic+Lafif

(1)

式中:La為A相自感;Lab為A相和B相互感;Lac為A相和C相互感;Laf為A相和勵磁繞組互感;ip(p=a,b,c,f)為各相電流和勵磁電流。

2.2 轉矩方程

轉矩方程可表示為

Tr+Tc+Tf

(2)

式中:Tr為磁阻轉矩;Tc為齒槽轉矩;Tf為勵磁轉矩。

磁阻轉矩是由相繞組自感引起的轉矩;齒槽轉矩是由勵磁繞組自感引起的轉矩,表現為空載狀態下定子將轉子拉回到對齊位置的趨勢;勵磁轉矩是相繞組和勵磁繞組互感引起的轉矩,為DSAEM的主轉矩。

3 電機靜態參數分析

采用三維有限元法,利用Ansys仿真軟件中的maxwell電磁仿真模塊搭建模型進行仿真分析。

3.1 空載磁場

空載時,固定勵磁電流為2 A。圖5給出了DSAEM以定子極到轉子極的空載磁場分布情況,圖5(a)為電機定轉子對齊位置軸向剖面的磁感應強度矢量圖,圖5(b)為軸向剖面磁感應強度云圖。從圖5(a)和圖5(b)中可以看出,轉軸中部磁感應強度最大,其次為外導磁體中部,這兩處是磁力線分布最密集的地方,這也為電機設計提供了思路。因此,為了避免飽和,可適當增大轉軸直徑和外導磁體厚度。取b邊電機正中部為橫切面得到圖5(c)和圖5(d),即為橫向剖面的磁場分布情況圖,由圖5(c)和圖5(d)可知,在定轉子極對齊的位置,磁力線最密集,非對齊位置磁力線稀疏,存在一定的漏磁現象,這與徑向勵磁的雙凸極電機一樣,不同的是,DSAEM所有磁力線的方向都相同。

圖5 DSAEM空載磁場分布

3.2 氣隙磁密

DSAEM氣隙磁密可分為兩類,即圓周向氣隙磁密和軸向氣隙磁密。前者如圖6所示,取電機b邊正中部作橫截面得到圓周氣隙磁密圖,后者如圖7所示,取定轉子極對齊位置的極中心線作豎切面得到軸向氣隙磁密圖。

圖6 圓周氣隙磁密

圖7 軸向氣隙磁密

圓周向氣隙磁密在四個對齊位置達到最大值,約為0.45 T,在非對齊位置也存在一定的漏磁現象;軸向氣隙磁密從b邊端部開始,在[0 mm,25 mm]上下波動較大;在[25 mm,80 mm]趨于穩定,穩定后也維持在0.45 T左右,但也可以看出,這一區間磁密依然在上升,這說明利用線性磁路法無法準確描述電機;[80 mm,130 mm]經過中部,磁密為0;[130 mm,210 mm]進入a邊,磁密變化規律與b邊相同。

3.3 磁鏈

圖8給出了勵磁安匝數統一為400狀態下DSAEM和DSEM一個電周期內的三相磁鏈波形,兩種電機磁鏈的變化規律基本一致。以A相為例進行說明,前1/3電周期轉子轉入定子極,磁鏈上升;第二個1/3電周期轉子轉出定子極,磁鏈下降;最后一個1/3電周期定轉子無重合部分,磁鏈幾乎為0。二者磁鏈的一致性使得用于DSEM的控制方式也同樣適用于DSAEM,比如提前角控制策略[8]、三相六狀態控制策略[9]、三相九狀態控制策略等[10-14]。

圖8 三相磁鏈

DSAEM相比于DSEM來說,由于磁各相磁路幾乎相同,故其磁鏈波動很小,表2和表3分別為DSAEM和DSEM三相磁鏈數據。DSAEM各相磁鏈最大值波動0.38%,最小值波動0%,各相磁鏈基本一致;DSEM磁鏈最大值波動5.5%,最小值波動27.8%。

表2 DSAEM磁鏈數據 Wb

表3 DSEM磁鏈數據 Wb

3.4 電感

電感是DSAEM的重要靜態參數,從DSAEM數學模型可以看出,無論是電機的磁鏈還是電磁轉矩都與電感有著密切的關系。圖9給出了勵磁電流If=2 A條件下的一個電周期內電樞繞組自感、電樞繞組互感和電樞繞組與勵磁繞組互感圖。

圖9 DSAEM電感

電感的計算式如下:

L=N2Λ

(3)

式中:N為匝數,Λ為磁導。

在DSAEM中,氣隙隨轉子轉角變化而不斷變化,所以電感是位置角的函數,在定轉子極對齊的位置,氣隙最小,氣隙磁導最大,電感最大。另外,由于磁路差異,DSAEM中從a邊某相穿出的磁鏈進入b邊后會重新分配,這就導致DSAEM存在比DSEM更大的相間互感,相間互感會在電角度為60°時達到最大值。以AB互感為例,此時對于A相來說,轉子極剛好一半進入定子極,而對于B相來說,轉子極剛好一半轉出定子極。

4 輸出特性分析

4.1 空載特性

圖10為外發電電路圖,為了獲得最原始輸出的電壓波形,發電外電路采用由六個二極管構成的整流電路,不采用濾波電容,外接負載電阻Ro,令Ro=∞得到空載輸出電壓。圖11給出了If=2 A,6 A,10 A,14 A四個不同勵磁電流下的空載輸出電壓波形圖。

圖10 外發電電路圖

圖11 空載輸出電壓圖

定義輸出電壓脈動為

(4)

空載輸出電壓脈動率分別為24.51%、26.37%、26.79%、26.59%。

電機的空載特性如圖12所示,從圖中可看出電機在If=4 A時開始進入飽和,If=12 A時已接近深度飽和,此時再增加勵磁電流,輸出電壓增大則不明顯。

圖12 空載特性

4.2 負載特性

仍采用圖10所示的電路,外接純阻性負載,電機在不同勵磁電流下的外特性和功率特性如圖13所示。從外特性曲線可以看出,電機外特性較軟,電壓調整率較大。從功率特性曲線可以看出,隨著勵磁電流增加,電機功率增加,依據空載特性曲線,假定勵磁電流If=16 A時電機完全飽和,電機最大功率可達30 kW,此時輸出電流達到40 A,輸出電壓為750 V,電機鐵損為1.68 kW,銅損為197.6 W,效率為93.74%,功率密度為6 000 kW/m3。

圖13 負載特性

5 結 語

本文設計并研究了一種新型高速軸向電勵磁雙凸極電機,介紹了電機結構和工作原理,并建立了數學模型,利用三維有限元法進行仿真分析,得出結論如下:

(1) 電機具有雙定轉子結構,轉子無繞組,無永磁體,可在惡劣條件下運行,且勵磁可調,以便于調壓,其效率高,功率密度大,適于航空電源系統。

(2) 電機勵磁繞組放置在中部,擁有更大的空間,避免了因槽面積和電流密度的限制而使得電機實際功率密度較低的問題,同時減輕了對定子槽內繞組的壓力,定子槽內可放置更多電樞繞組,也有采用粗導線增加電流承載力。

(3) DSAEM三相磁路對稱,三相磁鏈波動很小,可輸出更穩定的電壓,且由于磁鏈類似于DSEM,控制上可直接采用DSEM的控制方式,簡單方便。