永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)軸向力分析

余輝 施道龍 張登平

摘 要：針對(duì)永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)附加氣隙處的飽和磁密高，產(chǎn)生軸向力大，影響發(fā)電機(jī)軸承壽命及運(yùn)行可靠性的問(wèn)題，采用有限元法對(duì)永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁電流對(duì)軸向力的影響進(jìn)行了分析;采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果設(shè)計(jì)了樣機(jī)，進(jìn)行了電機(jī)性能運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明，所做軸向力分析具有一定的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：永磁-感應(yīng)子;混合勵(lì)磁;結(jié)構(gòu);軸向力

0? ? 引言

永磁-感應(yīng)子發(fā)電機(jī)在改變勵(lì)磁電流的過(guò)程中，其產(chǎn)生的輔助磁場(chǎng)在對(duì)主磁場(chǎng)進(jìn)行相對(duì)增磁、去磁調(diào)節(jié)時(shí)，附加氣隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯變化，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生一定的軸向磁力。

本文以某永磁-感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)附加氣隙處場(chǎng)強(qiáng)特點(diǎn)，利用ANSYS有限元分析方法，計(jì)算勵(lì)磁繞組受軸向磁場(chǎng)力的大小，分析軸向磁場(chǎng)力造成的影響，優(yōu)化電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)樣機(jī)研制，驗(yàn)證了磁路優(yōu)化的有效性與軸向力分析的準(zhǔn)確性。

1? ? 永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)軸向力產(chǎn)生機(jī)理

與其他混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁磁路與電勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立，無(wú)電刷和滑環(huán)裝置，附加氣隙少等優(yōu)點(diǎn)。

1.1? ? 結(jié)構(gòu)形式

永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是結(jié)合永磁和感應(yīng)子發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)形成的新型電機(jī)，共用電樞、齒槽等結(jié)構(gòu)參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩者軸向并列，結(jié)構(gòu)更加緊湊，整機(jī)重量勻稱(chēng)分布，軸向細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)工況下，轉(zhuǎn)子離心力更小，高速性能更優(yōu)。

1.2? ? 軸向力分析

1.2.1? ? 磁路分析

發(fā)電機(jī)主磁路由永磁體部分提供磁通，磁回路與永磁發(fā)電機(jī)磁通路徑相同，如圖2所示。發(fā)電機(jī)電勵(lì)磁部分輔助磁通由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，磁通經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)軸→轉(zhuǎn)子副極齒部→定轉(zhuǎn)子間氣隙→定子鐵芯→機(jī)殼→勵(lì)磁支架→附加氣隙再回到轉(zhuǎn)軸，形成閉合回路，如圖3所示。磁通路徑中不僅存在定轉(zhuǎn)子間的工作氣隙，還有附加氣隙的存在，與永磁體相比，輔助磁通路徑長(zhǎng)，一定程度上削弱了電勵(lì)磁磁場(chǎng)的利用率。因此，需要根據(jù)磁路特點(diǎn)優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，繼而提高電勵(lì)磁磁場(chǎng)的利用率。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁路包括徑向、軸向磁路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁場(chǎng)分布不均勻，軸向磁路對(duì)轉(zhuǎn)子形成軸向力，磁場(chǎng)強(qiáng)弱及軸向力分布規(guī)律采用電磁場(chǎng)有限元方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2.2? ? 軸向力數(shù)學(xué)模型

注入勵(lì)磁繞組電流，在勵(lì)磁電流磁勢(shì)與永磁體磁勢(shì)組合作用下，氣隙處的高磁密產(chǎn)生軸向磁力。磁勢(shì)根據(jù)基爾霍夫公式計(jì)算：

F1+F2=Φδ（Rδ+Rm+Rn）? （1）

式中，F(xiàn)1為勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁勢(shì)（A）;F2為永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)（A）;Φδ為永磁體產(chǎn)生的總磁通（Wb）;Rδ為工作氣隙磁阻（A/Wb）;Rm為磁性材料磁阻（A/Wb）;Rn為附加氣隙磁阻（A/Wb）。

F=BiL=（σΦδ/S）iL （2）

式中，σ為漏磁系數(shù);S為附加氣隙磁場(chǎng)截面積（m2）;i為勵(lì)磁繞組線圈電流（A）;L為勵(lì)磁繞組線圈總長(zhǎng)度（m）。

2? ? 有限元仿真分析

2.1? ? 附加氣隙磁場(chǎng)分析

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)工作過(guò)程受勵(lì)磁電流大小和方向的影響，實(shí)現(xiàn)增磁、去磁調(diào)節(jié)。定義勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，軸向上由勵(lì)磁繞組側(cè)指向永磁體側(cè)的方向?yàn)檎较?。?jīng)分析，添加正向勵(lì)磁電流時(shí)，發(fā)電機(jī)輔助激磁磁場(chǎng)與永磁體工作磁場(chǎng)基本同向，實(shí)現(xiàn)增磁，此時(shí)附加氣隙處磁場(chǎng)指向永磁體。當(dāng)勵(lì)磁電流反向時(shí)，勵(lì)磁輔助激磁磁場(chǎng)與永磁體工作磁場(chǎng)正好相反，從而削弱了主磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)，附加氣隙處的磁場(chǎng)由永磁體指向感應(yīng)子側(cè)，實(shí)現(xiàn)弱磁運(yùn)行。磁力線分布在附加磁場(chǎng)處的密度較大，從而證明了增磁、去磁運(yùn)行過(guò)程中，附加氣隙處磁場(chǎng)強(qiáng)度相比于發(fā)電機(jī)內(nèi)部其他位置而言是最大的。

2.2? ? 軸向力仿真計(jì)算

為了便于識(shí)別勵(lì)磁電流大小對(duì)勵(lì)磁繞組受力大小的影響，從正向和反向勵(lì)磁電流兩個(gè)方面對(duì)軸向磁力進(jìn)行分析。當(dāng)運(yùn)行工況是勵(lì)磁電流為正向、反向電流時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)對(duì)激磁繞組產(chǎn)生的磁力密度如圖4、圖5所示。

激磁繞組在附加氣隙處的軸向磁場(chǎng)力與激磁繞組磁力密度和勵(lì)磁繞組的體積有關(guān)，感應(yīng)子部分的勵(lì)磁繞組部分體積約0.631 78×10-4 m3，由軸向磁力公式（3）計(jì)算，可得感應(yīng)子軸向磁力特性如表1所示，與之對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)子同時(shí)也受到相反的軸向力作用。

F=m×V? （3）

式中，m為磁力密度（N/m3）;V為感應(yīng)子體積（m3）;F為軸向磁力（N）。

永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在電勵(lì)磁輔助磁場(chǎng)的作用下，磁場(chǎng)分布隨勵(lì)磁電流的大小和方向變化而變化。正向和反向勵(lì)磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組在附加氣隙磁場(chǎng)作用下，其軸向力互為反向。

3? ? 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)軸向磁力計(jì)算結(jié)果對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用優(yōu)化后的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果制造了原理樣機(jī)，發(fā)電機(jī)實(shí)物如圖6所示。

采用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在外加勵(lì)磁電流控制器、整流測(cè)試橋等聯(lián)合輔助測(cè)試設(shè)備下進(jìn)行性能試驗(yàn)，永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特性如表2所示。

經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)磁路、磁場(chǎng)分析，將有限元計(jì)算方法運(yùn)用在電磁軸向力計(jì)算中，在優(yōu)化發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)后制造的原理樣機(jī)，性能穩(wěn)定可靠，軸向磁力在可承受范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常，由此可知仿真分析及優(yōu)化過(guò)程合理有效。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文以某永磁-感應(yīng)子式混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)為例，對(duì)軸向磁力產(chǎn)生機(jī)理及磁場(chǎng)分布進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出永磁-感應(yīng)子式混合發(fā)電機(jī)所受軸向磁力與激磁電流的大小與方向有關(guān)的結(jié)論。采用優(yōu)化后的磁路結(jié)構(gòu)，樣機(jī)性能穩(wěn)定，可有效減少軸向力的沖擊，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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收稿日期：2020-03-24

作者簡(jiǎn)介：余輝（1992—），女，四川廣安人，助理工程師，主要從事航空高速、多通道精密微特電機(jī)技術(shù)研究工作。