定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制(4)

相应地, 由图22(b)所示的实测波形也可以直观

看出励磁电流对电机转速的影响. 每次改变励磁电流时, 电机速度上升曲线便会出现一个加速拐点, 随着速度的不断增加, 电机的反电势也不断增加, 电枢电流逐渐减小, 速度上升逐渐变慢, 通过不断调节电机的励磁电流可实现电机的弱磁升速. 当电励磁电流为 3 A时, 即对应着 600安匝时, 电机的速度基本稳定在3500 r/min. 前面(27)式计算获得的理论空

图20 突变速度给定下电机的速度响应曲线

(a) 仿真; (b) 实验

载最大转速为3750 r/min, 由于实际负载转矩、电枢电流的测量误差因素, 以及电机制造与控制误差等因素, 实测与理论最大速度之间存在一定的偏差, 但这并不影响理论和实验分析结论的一致性. 图23给

出了励磁电流随速度上升而连续变化时, 电机转速与励磁电流之间的关系.

为了综合评估电励磁绕组对电机效率的影响, 图24为电机不同速度下的效率分布. 可以看出, 基速以下, 电机永磁方式运行, 电机效率维持在80%以上, 保留了永磁电机优点. 当基速以上, 不进行弱磁控制时, 电机效率随速度增加明显下降, 且电机的实际速度最大速度仅为2500 r/min, 而且在该点的效率已降至50%. 当采用电励磁绕组进行弱磁控制时, 通过电枢电流和电励磁电流的协调控制, 可实现电机

图21 有无电励磁增磁电流下启动响应

的弱磁升速和效率优化, 电机的最大转速能达到3500 r/min, 电机的效率仍能保持在65%以上. 虽然

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将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.

朱孝勇等: 定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制

图24 电机的实测不同速度下的效率分布

在深度弱磁区(大于2倍基速), 在某一运行点的效率远低于额定速度下的效率, 但从能量效率的角度来说, 该电机在较宽的调速范围内保持了较高的能量效率, 即对应电动汽车一次充电, 能获得更长的续行里程. 受实验条件等限制, HEDS电机原型样机功率等级较小, 但实际应用于电动汽车的电机功率一般远大于原型样机的功率, 因此, 实际运行过程中的能量效率在数值上也将远高于实验条件下的能量效率, 而成本将明显减低.

6 结论

本文对所提出的新型12/8极定子永磁型HEDS电机进行了设计、分析与控制. 理论上, 建立了电机

图22 不同励磁电流给定下速度响应

(a) 仿真; (b) 实验

的数学模型, 详细推导了电机的功率输出方程和尺寸方程, 推导出电机永磁体用量、电励磁绕组安匝数以及磁场调节能力之间的关系, 并推导出电机最大调速范围与电机磁场调节能力之间的一般关系, 为该类新型电机的初步设计提供了一个切实可行的方法. 采用3D“一步法”对电机磁链、电感以及反电势等电磁性能进行了分析. 样机的实验结果验证了理论分析和设计方法的正确性, 同时表明:

1) 该类定子永磁型HEDS电机通过在定子上引入电励磁绕组和永磁体, 不仅结构紧凑, 同时保留了定子永磁型电机功率密度大、效率高、转子结构简单等优点;

2) 引入“混合励磁”思想, 增加电励磁绕组, 能有效拓展该电机的调速范围, 通过电枢电流和电励

图23 励磁电流连续给定下速度响应

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磁电流的协调控制, 能实现电机在较宽的速度区间内具有较高的能量效率, 在电动汽车领域具有良好的应用前景;

将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.

中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第9期

3) 提出的电机设计方法, 特别是永磁体尺寸、电励磁安匝数、电机调速范围以及最大转速之间的一般

参考文献

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1069—1078

关系的推导, 也为其他定子永磁型电机解决调速范围较窄这一具有共性的难点提供了方法和有益的思路.

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