…．堕壁熏＿棚… 箜 塑 ……………………………… 交叉凸极转子混合励磁同步电机的结构原理与分析 仲丽丽，张卓然，俞文俊 （南京航空航天大学，江苏南京２１００１６） … 摘要：讨论了一种新型交叉凸极转子混合励磁同步电机，详细论述了其结构特点及工作原理。考虑到电机 的非对称结构，建立了三维有限元分析模型。通过静磁场分析得到了不同励磁作用下的磁场分布情况以及气隙磁 密变化规律，利用瞬态场分析获得了电机的空载特性和功率特性曲线。有限元分析结果与理论分析一致，表明该 新型混合励磁同步电机的直流励磁电流可以双向调节电机内合成气隙磁通，从而有效地调节电枢绕组感应电势。 关键词：混合励磁同步电机；调磁特性；输出特性；三维有限元 中图分类号：ＴＭ３４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２０１２）０８－００１９—０５ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ３Ｄ—ＦＥＡ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｓｔａｇｇｅｒ Ｒｏｔｏｒｓ ＺＷＤⅣＧ 一如．ＺＨＡＮＧ Ｚｈｕｏ—ｒａｎ，ｙ ｎ—ｍｎ （Ｎａ－ｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ００ １ ６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ（ＨＥＳＭ）ｗｉｔｈ ｓｔａｇｇｅｒ ｒｏｔｏｒｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ＨＥＳＭ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，３Ｄ－ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ（３Ｄ—ＦＥＡ）ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＨＥＳＭ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｉｆｎｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ａ— ｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｈｉｃｈ ｖａｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＭＭＦｓ． Ｔｈｅ ３Ｄ—ＦＥＡ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ＨＥＳＭ． ｒｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｃａｎ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｏｒ ｗｅａｋｅｎｅｄ ｗｉｔｈ ＤＣ ｉｆｅｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ；ｆｉｅｌｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；３ Ｄ－ｆｉｎｉｔｅ ｅｌ— ｅｍｅｎｔ ０引 言 “混合励磁”的思想最早在１９８５年由美国学者 提出…，混合励磁同步电机（以下简称ＨＥＳＭ）是一 种新型结构电机。ＨＥＳＭ是在永磁同步电机的基础 究，并进行了改进和开发，研制成功了０．７５ｋＷ的小功率样机 Ｊ。２００３年，美国学者研制成功径向磁路 ： 和轴向磁路两种拓扑结构的磁极分割型ＨＥＳＭｌ ７－８］，ｉ 上加入电励磁绕组，通过改变电励磁绕组中电流的 大小和方向，实现对气隙磁场的有效调节，从而调节 电机的输出电压或转速。它兼具了永磁电机高效率 和电励磁电机气隙磁场可调等优点，有较好的发展 前景。 ＨＥＳＭ发展至今已经有多种结构形式 。１９８９ 轴向磁路经过机壳，电机轴向长度较长，且易饱和。； 针对径向磁场磁极分割型ＨＥＳＭ的电压调整率高、ｉ 波形畸变率大等问题，沈阳工业大学对其结构进行； 了优化设计、并对电抗参数展开了研究 ；在将轴方面，上海大学进行了研究 ；东南大学针对磁极 ｉ 向磁场磁极分割型ＨＥＳＭ应用于盘式车轮电机等 交 年，英国学者Ｅ．Ｓｐｏｏｎｅｒ提出了一种横向磁通混合 励磁电机 Ｊ，该电机结构简单，没有附加气隙，电励 磁效率较高，引起了国内外学者的广泛关注并开展 了大量研究。１９９５年，美国学者提出了一种并列结 构的混合励磁同步电机 Ｊ，该电机定子为一个整 分割型ＨＥＳＭ的电励磁损耗和电机轴向长度问题， 霆 优化了电机结构，形成非对称交错ＨＥＳＭｌ１１］；２００８； 年，南京航空航天大学提出了新型转子磁分路！答 ＨＥＳＭｌ１２］此电机是基于内置式切向磁钢永磁同步； 电机的拓扑结构，当励磁线圈中没有励磁电流时，电 罡 ，机处于弱磁状态，励磁电流增大时，电机增磁。２０１ １ 电 年，法国学者提出了一种新型的并列结构 ＨＥＳＭ［１３］，体，采用一套电枢绕组，而转子分为永磁和电励磁两 并根据其漏磁现象进行了优化设计；该电 福 部分；２００１年，日本学者对这种形式的电机展开研 机中的励磁绕组位于电枢绕组端部的上方，永磁体；撂 径向充磁，磁通在相邻的两极上形成回路。 与 收稿日期：２０１２—０３—０８ 交叉凸极转子ＨＥＳＭ［１ 是日本学者近年来！菥 基金项目：航空科学基金（２０１０ＺＣ５２０３４） 江苏省自然科学基金（ＢＫ２０１ １７３１） 南京航空航天大学科研创新创优基金（ＮＪ２０１１００４） 提出并研究的一种新型ＨＥＳＭ。该电机是为混合动 力汽车驱动设计的，其特点是使用了软磁复合材料； 触持电棚 ２０１２年第４０卷第９期 机的电势波形谐波含量较大，在采用正弦波电流控 ［１２］ 张卓然，严仰光，苏凯城．切向磁钢混合励磁同步电机空载磁 制方法时需对其电势波形进行优化设计。 路计算及三维场分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（３０）： ８４—８９． 参考文献 ［１３］ Ｎｅｄｉａ Ｂ，Ｈｌｉｏｕｉ Ｓ，Ａｍａｒａ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｅｗ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｄｏｕｂｌｅ Ｅｘｃｉｔａ－ ［１］ Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｂ Ｍ．Ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｃｉｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｌｕｘ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｏｎｓｅ－ ｔｉｏｎ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ｑｕｅｎｔ—ｐｏｌｅ ｒｏｔｏｒ：Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ，４６５６３７９［Ｐ］．１９８５． ２０１１，４７（９）：２２５２—２２６０． ［２］赵朝会，张卓然，秦海鸿．混合励磁电机的结构及原理［Ｍ］．北 ［１４］ Ｋｏｓａｋａ Ｔ，Ｓｒｉｄｈａｒｂａｂｕ Ｍ，Ｙａｍａｍｏｔｏ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ 京：科学出版社，２０１０． Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｍａｉｎ Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｄｒｉｖｅ ｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ ［３］ Ｓｐｏｏｎｅｒ Ｅ，Ｋｈａｔａｂ ＳＡＷ，Ｎｉｃｏｌａｏｕ ＮＧ．Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＣ ［Ｃ］／／１８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｖｉｌ－ ａｎｄ ＤＣ ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｃ］／／Ｆｏｕｒｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃ－ ａｍｏｕｒａ。Ｐｏｒｔｕｇａ１．２００８：１４４７—１４５２． ｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ．Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ，１９８９：４８－５２． ［１５］ Ｋｏｓａｋａ Ｔ，Ｍａｔｓｕｉ Ｎ．Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｐｏｗｄｅｒｅｄ ［４］ Ｃｈａｒｌｅｓ Ｄ Ｓｙｖｅｍｏｎ．Ｈｙｂｒｉｄ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ：Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ，５３９７９７５ Ｉｒｏｎ Ｃｏｒｅ ｏｆｒ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｄｒｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒ－ ［Ｐ］．１９９５． ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｕｈａｎ， ［５］ Ｃｈａｒｌｅｓ Ｄ Ｓｙｖｅｒｓｏｎ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｐ Ｃｕｒｔｉｓｓ．Ｈｙｂｒｉｄ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｖｏｌｔ－ Ｃｈｉｎａ，２００８：２９７４－２９７９． ａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ，５５０２３６８［Ｐ］．１９９６． ［１６］ Ｏｚａｗａ Ｉ，Ｋｏｓａｋａ Ｔ，Ｍａｔｓｕｉ Ｎ．Ｌｅｓｓ Ｒａｒｅ—Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔ—Ｈｉｇｈ ［６］ Ｎｏｂｕｙｕｌａ Ｎ，Ｔａｄａｓｈｉ Ｆ．Ｔｒｉａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃ－ Ｔｙｐｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｍａ— ｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｒｉｖｅｓ『Ｃ］／／１３ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅ－ ｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＵＳＡ，２００１：５４５—５４７． ｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｂａｒｃｅｌｏｎａ，Ｓｐａｉｎ，２００９：１—１０． ［７］Ａｙｄｉｎ Ｍ，Ｈｕａｎｇ ＳＲ，Ｌｉｐｏ ＴＡ．Ａ ｎｅｗ ａｘｉｌａ ｆｌｕｘ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ［１７］ Ｓｒｉｄｈａｒｂａｂｕ Ｍ，Ｋｏｓａｋａ Ｔ，Ｍａｔｓｕｉ Ｎ．Ｄｅｓｉｎｇ Ｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｃｈｉｎｅ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌ［ｃ］／／３７ｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｍａｉｎ ＩＳＡ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＵＳＡ，２００２： Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｄｒｉｖｅ ｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ １２５０—１２５７． Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ Ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２０１１， ［８］Ｔａｐｉａ Ｊ Ａ，Ｌｅｏｎａｒｄｉ Ｆ，Ｌｉｐｏ Ｔ Ａ．ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ—Ｐｏｌｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ— ４７（１０）：４４６９—４４７２． Ｍａｇｎｅｔ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｗｉｔｈ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｆｉｅｌｄ—Ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ［１８］ 黄允凯，朱建国，胡虔生．软磁复合材料在电机中的应用［Ｊ］． ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，３９（６）： 微特电机，２００６，３４（１１）：１—４． ｌ７０４—１７０９． ［１９］ 邓秋玲，黄守道，徐志伟．软磁复合材料在轴向磁场永磁风力 ［９］王惠君．混合励磁同步发电机的设计研究［Ｄ］．沈阳：沈阳工 发电机中的应用［Ｊ］．微特电机，２０１０，３８（１）：２１－２３． 业大学，２００６． ［１Ｏ］潘风琰，张琪，黄苏融，等．混合励磁盘式电机的有限元分析 作者简介：仲丽丽（１９８９一），女，硕士研究生，主要从事混合励 ［Ｊ］．微特电机，２００５，３３（１）：１３—１５． 磁同步电机及其控制方面的研究。 ［１１］杨成峰，林鹤云，刘细平．新型非对称交错混合励磁同步电机 电磁设计［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（２４）：８２—８７． （上接第６页） 这也是这种电机广泛使用的瓶颈所在。 对其所建模型是正确的，分析是科学的，在此得出双 参考文献 转子对转永磁同步电动机的以下特点： ［１］ 张凤阁，刘鑫，刘光伟．对转双转子永磁同步电动机电枢电抗 （１）从内外侧绕组及内外侧转子部分讲，内外 的有限元计算［Ｊ］．电气技术，２００９（４）：３２—３６． 侧各为一个永磁同步电动机，这不光是形式上的而 ［２］ 王晓远，宋鹏，田亮，等．基于ＤＳＰ的盘式无铁心永磁同步电动 是本质上的完全符合。从整体上讲，可以将双转子 机调速系统［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，２６（１７）：１３８－１４２． 对转永磁同步电动机看成是两个永磁同步电动机的 ［３］王晓远，唐任远，杜静娟，等．基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列盘式无铁心永 磁同步电机优化设计——楔形气隙结构电机［Ｊ］．电工技术学 绕组反向串联形式，只是共用一个定子磁路。 报，２００７，２２（３）：２－５． （２）由于其三相绕组分布是不对称的，又共用 ［４］ 辜承林．转子无铁心式直流永磁盘式电机的磁场和解析解分 一个定子磁路，所以其三相相关量都是不对称的，解 析与优化设计［Ｊ］．中国电机工程学报，１９９６，１６（２）：１２５—１２９． 决这个绕组先天性问题，只能通过改善定子磁轭，从 ［５］ 邓志君，罗玉涛，周斯加，等．新型车用对转双转子电机的研究 而使其在磁压源同向并联供磁时不至于饱和，方法 ［Ｊ］．电气传动，２００７，３７（７）：１０—１３． ［６］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版 有改变磁轭最小处宽度和改变磁轭布局，一般后者 社．１９９７． 较好。 ［７］乔鸣忠，张晓锋．单定子双转子盘式永磁同步电动机设［Ｊ］．微 （３）由于双转子对转永磁同步电动机相当于两 电机，２００８，４１（６）：１４－１６． 个永磁同步电动机的绕组反向串联而成，所以其向 量关系图较之一般的永磁同步电动机复杂得多，其 作者简介：罗德荣（１９６８一），男，教授，硕士生导师，研究方向为 两侧的电压和功率（转矩）的分配都是较难控制的， 电力电子技术应用及电机控制系统。 交叉凸极
