混合励磁电机的技术现状及新进展
宁银行;赵朝会;刘闯
【摘要】在永磁电机的基础上,增设电励磁绕组,以辅助调节永磁磁场,形成混合励磁电机,融合了永磁电机和电励磁电机的优点,应用前景广阔.介绍了混合励磁电机的调磁原理;从电机原型的角度,分析了混合励磁电机的发展思路;以励磁方案为着眼点,提出了一种混合励磁电机的分析方法;结合混合励磁电机的电磁特性,研究了混合励磁电机应用于汽车、风力发电和航空航天等领域的控制方案和系统结构;提出了混合励磁电机技术的研究思路,展望了混合励磁电机的发展趋势.%When being equipped with the field winding for adjusting the magnetic
field,permanent magnet motor was changed into hybrid excitation motor (HEM),a novel motor.The HEM combined the advantage of permanent motor machine and electrically excited motor,enjoying a wide application prospect.The flux-adjusting principle of HEM was presented.In the perspective of the machine prototype,the developing strategy of HEM was analyzed.A method,focusing on the excitation structure,was proposed to understand the HEM.Basing on the electromagnetic characteristic of HEM,the control ideas and systems configurations were researched for HEM used in some areas such as automobile,wind power
generation,aviation and aerospace.At the end,recommended a guiding ideology to study HEM and outlooked its developing trend.
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2017(044)005
【总页数】13页(P1-12,26)
【关键词】同步电机;磁通切换电机;混合励磁电机;拓扑结构;汽车用电机;风力发电
机
【作者】宁银行;赵朝会;刘闯
【作者单位】上海电机学院电气学院,上海201306;上海电机学院电气学院,上海201306;南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
高性能永磁材料、半导体器件和数字处理器的出现，为永磁电机的发展提供了物质基础和技术支撑。永磁电机具有转矩密度大、损耗小、效率高、质量轻、结构简单、运行可靠、电机形状和尺寸设计灵活等优点，应用范围广泛，遍及航空航天、国防、工农业生产和生活,但磁场不可调节限制了永磁电机在一些特定场合中的应用。电
励磁电机磁场易于调节，功率因数可控性好，但励磁损耗的存在，一方面降低了电机效率，另一方面增大了温升过高的风险。为了融合永磁电机和电励磁的优点，同时克服两者的缺陷，引入了“混合励磁”的思想。混合励磁电机(Hybrid Excitation Motor,HEM)在永磁电机的基础上发展而来，通过调整永磁电机的结构，增设电励磁绕组，对永磁磁场进行辅助性调节，兼具功率密度高和磁场可调的特点，引起了学者的关注。
就时间先后上看，美国学者F. B. Mccarty (1985年)[1]、俄罗斯学者(1988年)[2]和美国学者Thomas A. Radomski(1989年)[3]分别较早地提出了磁极分割式、磁分路式和爪极式等混合励磁电机，影响较为深远。此后，各国学者进行了多角度、多维度的探索。
以1台三相混合励磁同步电机(Hybrid Excitation Synchronous Motor,HESM)为例，介绍HEM的调磁原理。
空载时三相绕组磁链为
式中: ψpma_n、ψpmb_n、ψpmc_n——a、b、c相空载永磁磁链；
工作在发电状态时，调节励磁电流if大小，反电势随之变化，以a相为例，反电势E为
作为发电机使用时，根据式(2)可知，在励磁电流if为零时，永磁磁链感应出相应的初始电压，在此基础上，调节励磁电流if的大小，反电势E随之变化。作为电动机使用时，电机相绕组端电压U不小于反电势E，应满足:
式中: N——匝数；Фδ——气隙磁通；ωr——角速度。
根据式(3)可知，工作转速满足的约束关系为
减小正向(或反向增大)励磁电流，可减小气隙磁通Фδ，从而可拓宽电机的转速范围。
综上所述，HEM在发电及电动场合具有良好的应用前景。
HEM中，用于产生主极磁场的激励源由永磁磁势和电励磁磁势构成，根据两者的耦合程度，可以分为弱耦合结构HEM和强耦合结构HEM。
对于弱耦合结构HEM，电励磁和永磁磁势相互独立，表现为磁势并列；对于强耦合结构HEM，电励磁和永磁磁势两者耦合程度高，表现为磁势串联或磁势并联。对于强耦合结构HEM，根据永磁体的放置位置，可以进一步细分为定子永磁型HEM和转子永磁型HEM。就目前来看，HEM中永磁体放置的位置实际上与其电机原型密切相关，定子永磁型HEM、转子永磁型HEM分别是以磁阻式双凸极电机、永磁同步电机为电机原型。
2. 1 并列结构HEM
并列式HEM中主磁极分别由永磁部分和电励磁部分构成，两部分在磁路上相互独
立，励磁调节方便。
南京航空航天大学研究的并列式HESM如图1所示[4]。该电机为4对极，转子的永磁部分为内置式切向磁路转子结构。转子的电励磁部分采用特殊的无刷结构，电励磁的所有S极统一沿轴向延伸成圆环状，电励磁的所有N极统一沿轴向延伸成
另一圆环状，在两个圆环状之间设置静止的导磁桥，导磁桥一方面用作轴向磁路的导磁部件，另一方面在其上开槽，用于嵌放励磁绕组，可实现无刷化双向调节励磁电流。永磁部分和电励磁部分的转子同轴旋转，磁极中心线对齐，极弧系数相同。图2为西门子工程师提出的一种并列式HEM(图中未给出定子部分)[5]。如图2所示，永磁部分为表贴式转子结构，电励磁部分是在电励磁爪极同步电机的基础上进行改造得到的，爪极形状改造为瓦片形状。图2所示的结构为一个基本单元，文
献[5]中研制了多个基本单元再并列的样机。该电机的永磁部分和电励磁部分磁路
仍然相互独立，结构紧凑性更高，体积进一步压缩。
并列结构的HEM中，电励磁部分和永磁部分在磁路上相互独立，构成并列结构的组合形式灵活多样。对于永磁部分，可以是切向磁路结构，也可以是径向磁路结构。对于电励磁部分，可以是传统的转子绕线式电励磁同步电机，可以是爪极同步电机，也可以是双凸极结构的电机。表1给出了并列式HEM的几种典型组合方案。
定子永磁型电机的代表结构包括双凸极电机、磁通反转电机和磁通切换电机等。以磁通切换电机为例，介绍定子永磁型HEM的发展历程。
1997年，法国学者Hoang在文献[12]中提出了如图3所示的三相12/10极永磁磁通切换电机。该磁通切换电机由C型定子冲片拼接在一起，永磁体位于相邻C
型定子冲片之间，永磁体切向磁化。同一C型冲片两个“边”的磁通极性相同，
分别源于相邻的永磁体。带载工作时，电枢磁势和永磁磁势为并联关系，永磁体退磁的风险低。
2007年，法国学者Hoang将“混合励磁”概念引入到永磁磁通切换电机中，提
出了如图4所示的三相12/10极混合励磁磁通切换电机[13-14]。在定子冲片外围增设铁心磁桥，通过铁心柱将定子轭和铁心磁桥连接在一起，增设的励磁绕组绕制在铁心柱上。电励磁磁势和永磁磁势为并联磁路关系，电励磁磁通路径的磁阻相对较小，有助于励磁能力的提高。
在经典永磁磁通切换电机(图3)的基础上，国内东南大学通过缩短永磁体，代之以
励磁绕组填充其空间，在文献[15]中提出了C型混合励磁磁通切换电机，如图5
所示。该结构中定子轭外围无磁桥，结构简单，但工作时，电励磁磁通经过永磁体。在经典永磁磁通切换电机(图3)的基础上，英国谢菲尔德大学诸自强教授通过增加
定子齿，使“C”型定子冲片变化为“E”型定子冲片;在文献[16]中提出了E型永
磁磁通切换电机，增加的中间齿不绕线圈，仅作为磁通通路。此结构有利于提高电枢绕组匝数，增大空载反电势，一方面有利于减小永磁体用量，另一方面，绕组匝数增高，电感增大，短路故障运行能力增强。为了提高气隙磁场的调节能力，诸自强教授在文献[17]中提出在(E型永磁磁通切换电机的)E型定子冲片的中间齿上绕
制励磁绕组，从而得到E型混合励磁磁通切换电机，如图6所示。该电机具有相
应的容错能力，但是E型定子冲片的中间齿对反电势波形的正弦度有一定影响。
磁通切换电机中，绕组和永磁体位于定子侧，便于散热，且转子上既无永磁体，也无绕组，转子结构简单，机械强度高，在高速或超高速场合具有较好的应用前景。与双凸极和开关磁阻电机相比，磁通切换电机为双极性磁链，材料利用程度高，功率密度大。与传统同步电机相比，磁通切换电机的磁极极弧系数偏小，气隙磁场的利用程度稍低，电压波形质量和带载特性有待进一步改善。
2. 3 转子永磁型HEM
目前来看，转子永磁型HEM，多以同步电机为原型。此类电机的磁极极弧系数大，功率因数易于控制，但相对而言，电机的拓扑结构复杂。
(1) 永磁磁钢的磁化类型。对于转子上的永磁体，可根据需要来设计其结构形状，
并控制其充磁方向，从而形成不同类型的永磁电机。根据其磁化方向类型可以分为径向磁化、切向磁化和轴向磁化，如图7所示。在永磁电机的基础上，进行结构调整得到相应的转子永磁型HESM(如磁钢径向磁化型HESM、磁钢切向磁化型HESM和磁钢轴向磁化型HESM)。
(2) 磁钢轴向磁化型HESM。以磁钢轴向磁化型HESM为例，介绍转子永磁型HEM的结构特征。2010年，日本学者在文献[18]中介绍了如图8所示的HEM。环状永磁体沿轴向磁化，永磁体轴向两侧为极性相互错开的转子磁极，永磁磁通经气隙进入定子铁心。直流励磁绕组位于轴向端盖的凹槽处，为三维空间磁路。该电机中直流励磁磁势和永磁磁势是并联关系，永磁体退磁的风险小，且不需要集电环和电刷，运行可靠性高。文献[18]分析了电机的工作原理、调磁能力和损耗等，并与异步电机、永磁同步电机进行了对比性分析。文献[19]对该环形永磁体混合励磁电机的样机进行了试验，并分析了定子齿形的优化及其转子的机械应力。
2006年，巴西学者在电励磁爪极电机的基础上，将电励磁绕组全部替换为轴向磁化的环形永磁体，提出了轴向磁化永磁型爪极同步电机，研究了该电机的3D电磁场分布特征[20-21]。2010年，日本学者则在保留电励磁绕组的前提下，增加环形永磁磁钢，提出了如图9所示的HESM。文献[22]对该环形磁钢-爪极HESM的转矩密度和励磁绕组损耗进行了分析，试验表明效率达85%。
国内山东大学[23]研究的一种轴向磁化型HEM，如图10所示。环形永磁体位于爪极转子的内腔中，为解决爪极转子内腔空间紧张的问题，将电励磁绕组放置在爪极的轴向两侧。
为最大限度地利用永磁电机的优点，一般而言，在采用混合励磁技术方案时，磁场激励源应以永磁为主，电励磁为辅，后者仅负责气隙磁场的辅助性调节。
定子永磁型HEM中电励磁绕组和永磁体均位于定子，易于实现电励磁的无刷化，但对于以同步电机为电机原型的转子永磁型HESM，无刷化励磁则是一个关键技
术。
对于转子永磁型HESM而言，永磁磁钢位于转子，永磁磁钢的布置和形状不固定等，转子磁极在圆周向上交替分布，如图11所示。如果将相同极性的转子磁极分成一组，则转子磁极中可分成N磁极组和S磁极组，如图11(b)所示。经典
HEM(特指转子永磁型HEM)，其工作原理的共性部分可以概括如下：使用导磁部
件将N磁极组和S磁极组分别加以延伸，并使用另一导磁部件为上述延伸部分搭
建磁路，最终形成新增的附加磁路，电励磁绕组缠绕在该附加磁路上。在永磁磁场的基础上，通过控制附加磁路上的电励磁来调节磁场强度，因此该附加磁路是电励磁磁通路径的主要部分。由于导磁部件可构建的附加磁路多种多样，因此，缠绕在附加磁路上的电励磁绕组位置也是不固定的。作者在文献[24]中仅简要提到了上述基本思想，本文结合具体案例加以丰富。以磁极分组及其附加磁路作为视角，有利于HESM的分析，以及启发新的拓扑结构。
文献[25-26]介绍的磁分路式HESM，如图12所示，永磁磁钢切向磁化，励磁绕
组放置在(位于轴向端的)导磁桥的开槽中。该电机的磁极分组及其连接方式可使用图12(b)表示，轴向磁路不需经过机壳，导磁桥为静止部件，电机为无刷励磁结构。磁极分组特征：N磁极组和S磁极组从同侧沿轴向向外延伸。
法国学者研究的双端调磁型HESM[27]，如图13所示，永磁磁钢切向磁化，在轴向两端各设置一个励磁绕组。电机中电励磁磁势和永磁磁势为并联关系，系无刷励磁结构。该电机的磁极分组及其连接可使用图13(b)表示，磁极分组特征：N和S 两组磁极从不同侧的轴向端，向外延伸，再通过导磁桥、机壳与定子铁心连接起来。根据从轴向两端引出的磁极极性和永磁体的布置，衍生出几种不同类型的双端调磁型HEM。在轴向两端引出的磁极极性可以相同[27-30]，也可以不同[31]。该电机磁路较长，调磁效率和漏磁等问题值得注意。
图14是电励磁爪极HESM，励磁绕组位于转子内腔中。该电机的磁极分组及其连
接方式可使用图14(b)表示，系无刷励磁结构。其磁极分组特征是：N、S两个磁
极极性组从不同侧轴向端，朝转子磁极内腔收缩，并连接起来。
在相邻爪极之间设置切向磁化的永磁体，即构成爪极式HESM[3]，如图15所示。永磁体增大了主磁通，此外，由于永磁磁阻较大，减少了电励磁在爪极间的漏磁，提高了功率密度。
哈尔滨工业大学研究的永磁-感应子式HESM[32]，如图16(a)所示。该电机由永
磁和感应子两部分构成，两者在磁路上相互独立，为并列式结构。电励磁部分为感应子式电机，励磁绕组位于静止的励磁支架上，为无刷励磁。感应子部分的磁极分组及连接方式可使用图16(b)表示，其磁极分组特征：单一极性的磁极从轴向端的一侧，向外延伸，轴向磁路经过端盖与机壳。感应子部分的所有转子极性相同，为单极性调磁。文献[33]讨论了永磁和感应子比重对电机电感和电机性能的影响。文献[34]对感应子部分的损耗进行了分析和计算。由于感应子的转子磁极在周向上极性相同，因此，气隙磁密中包含直流偏置分量，铁损计算时应考虑损耗系数的修正。该电机的转子结构简单，适宜于高速场合。
美国学者F. B. Mccarty在1985年发表的专利介绍了磁极分割式HESM[1]，随后英国学者E. Spooner在1989年对其进行结构改进，加工了试验样机[35-36]。美国学者T. A. Lipo在文献[37-38]中介绍的磁极分割式HESM，如图17所示。
磁极分割型HESM中包含两个独立的定子铁心，定子铁心之间固定励磁绕组，机
壳采用导磁材料，作为电励磁磁路的一部分。永磁体位于转子上。转子可以看作是由两个转子磁极单元构成，每个转子磁极单元中有永磁磁极和铁心磁极，两者交替出现。磁极分割型HESM可以看作是由两个电机单元的合并得到的，如图18所示。
比利时及波兰学者[39-40]研究了此类电机的转子磁极和定子齿顶形状对抑制齿槽
转矩的影响。以电动汽车为应用背景，意大利学者[41]对其转子铁心形状、永磁体
形状和转矩等进行了研究。国内华中科技大学从转矩控制和效率的角度对其进行了研究[42]。磁极分割型HESM中环形直流励磁线圈包围转子，因此转子外径增大，用铜量也随之增加，但该电机结构简单，无附加气隙，励磁效率高。
前述的磁分路式、双端励磁型、爪极式、永磁-感应子式和磁极分割型等HESM，为实现无刷励磁，将磁极分组从轴向端引出，通过导磁部件构成相应的磁通回路，均存在轴向磁路。除上述励磁结构方案外，文献[43]借鉴航空发电机中常用的三级式方案，介绍了一种如图19所示的两级式无刷励磁方案，由主电机和励磁机构成，主电机采用磁路独立型HESM，励磁机采用旋转电枢式交流发电机，励磁机电枢
电能经旋转整流器整流后，为主电机励磁绕组提供励磁。
作为主电机的独立磁路型HESM，在转子上通过开槽设置空气层以实现电励磁和
永磁的隔离，减弱两者的耦合程度。在一定程度上，“独立磁路型”方案可减小励磁需求。文献[44-46]对独立磁路型HESM的调磁原理、气隙磁密波形特征、数学模型、隔磁结构优化以及电磁-机械-热多物理场分析等问题进行了研究。
以上是HESM的经典励磁方案，在应用上，具有一定的普适性，应用于不同的电
机原型中，可衍生出多种结构的HEM，因此励磁结构的探索具有一定的指导意义。
4. 1 汽车用驱动电机
为应对日益严峻的能源短缺和环境污染问题，燃油型汽车逐渐过渡为混合动力型、纯电动型等低排放新能源汽车。电动汽车中，驱动电机是其核心部件，要求大扭矩、大功率密度、宽调速范围、高效率、高可靠性和具有一定的容错能力。作为电动汽车驱动电机用，香港大学邹国堂教授和东南大学程明教授在文献[47]中推荐了两类HEM(爪极型HEM和双凸极型HEM)。
针对HEM的转矩控制，一种接受度较高的控制策略是，基于“转速分区”的电流(定子电流和励磁电流)协调控制[48-49]。以HESM为例，电磁转矩Te方程为
式中: Te——电磁转矩； p——极对数； iq、id——q、d轴电流分量；ψpm—
—永磁磁链； Msf——电励磁绕组与电枢绕组的互感； if——励磁绕组电流； Ld、Lq——d、q轴电感。
从式(5)可以看出，当Ld≠Lq时，从提高转矩的角度看，id不应为0。但是HESM 中，电励磁和永磁磁场耦合程度高，调节电励磁时，参数变化明显，因此，从这个角度看，采用id=0的控制策略，可减弱参数变化对系统稳定性的影响。
HEM的转矩-转速特性如图20所示。根据电机转速n，将运行区间分成低速区和
高速区，然后分区协调控制定子电流和励磁电流。根据负载和转速工况，“低速区”和“高速区”又各分两个控制模式，如图21所示。
对于图21(a)，在此范围内转矩控制时，采用id=0，遵循“先iq，后if”的原则[50-51]。以工作模式ml1为例，负载转矩TL较小时，尽可能不使用励磁电流，
仅通过增大定子电流iq，增大电磁转矩，直到iq=iqN。为继续增大转矩，则开始正向增大励磁电流if，进入工作模式ml2，在此期间q轴电流维持在额定值不变，即iq=iqN。
对于图21(b)，转速n高于基速，为弱磁区。可用的弱磁物理量有if和id，本着“先if，后id”的原则进行弱磁。在工作模式mh1的转速范围内，仅启用if弱磁(此时id=0)，随着转速继续升高，直到if达到最大值，即if=-ifmax，进入到工作模式mh2中，开始起用id进行弱磁。
黄明明博士[52]以电动汽车宽转速系统为应用背景，针对非对称交错型HEM，建
立了“转速分区”电流协调控制的驱动系统模型，与传统永磁同步电机的矢量控制系统相比，系统中增加了励磁电流控制和电流分配控制等功能模块，尤以电流协调模块最为关键，该模块根据电机转矩和转速需求，负责定子电流(id，iq)以及励磁
电流if的分配。比较了3种弱磁模式(仅if，仅id，if+id)下的转速范围，零电流时，电机呈现出类似于永磁电机的特性，调速范围较窄，if和id均参与弱磁时的
调速范围大大拓宽。
汽车发电机可分为直流发电机和交流发电机。由于交流发电机的相对优势，目前以交流发电机为主，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电[53]。为满足汽车电器的用电需求，交流电机需要电压调节器，使其电压基本恒定，向蓄电池恒压供电。
图22所示为一种汽车电源系统[54]。系统中有高压电池组和12 V电池组，发电
机电压虽然可通过励磁控制器调节，但不能同时满足两种电压级别，因此，使用二极管整流电路只能为其中一个电池组充电，通常是高压电池组。12 V电池组为起
动电动机和汽车配件供电。
传统汽车和弱混合动力汽车中，爪极发电机应用广泛，但爪极电机存在漏磁大、输出能力小、效率低等问题。在电励磁爪极电机的爪极间镶嵌磁钢从而形成爪极HESM，增加了主磁通，减小了爪极间漏磁。混合励磁爪极电机已逐渐成为弱混合动力汽车皮带起动发电机(Belt Starter Generator，BSG)的主流[55]。例如，汽车零部件制造商雷米(Remy)公司和德尔福(Delphi)均采用爪极HESM开发了BSG电机，东风风神S30微混轿车和奇瑞A5试用了雷米公司的BSG电机。
上海大学黄苏融教授[56]采用混合励磁型BSG，设计了42 V的汽车供电系统，分析了电机的结构及原理，分别从机械、模态和热工等方面进行了综合性研究。仿真计算和试验表明，可以在宽转速范围内保持基本恒定的电压向蓄电池供电，具有输出能力强和特性硬的特点。合肥工业大学王群京教授以效率为关注点，研究了爪极HESM[57]，相对于传统爪极电机的效率(40%～60%)，混合励磁爪极电机效率有
较大提高(为55%～70%)。
随着能源日益枯竭以及环保意识的加强，人们逐渐认识到寻找可再生能源的迫切性，风力发电技术具有良好的发展前景，对于能源消耗大且风能资源丰富的我国，意义重大。
基于永磁电机的直驱式风力发电方案中，为了控制电机转速，实现最大风能跟踪，
通常采用可控型的机侧变流器或直流侧并联Boost变流器等电力电子装置[58-59]，控制相对复杂。图23是基于HESM的直驱式风力发电系统[60-61]。网侧逆变器
负责将直流电能高质量地输入到电网中，确保直流侧电压的稳定，机侧变流器虽然是不控型整流器，但是可通过调节励磁电流来控制电机输出功率，进而控制转速，实现最大风能跟踪，减小了系统复杂性。
上海大学阮毅教授团队采用图23所示的系统结构，做了不少风力发电的工作，为实现最大风能跟踪，提出了两套方案，其区别体现在网侧(逆变器)控制器和励磁控制器的输入量上。以励磁控制器的输入量为例，方案一中以直流母线电压的给定值和实测Udc的偏差，作为励磁电流的控制依据[62]。方案二中根据风速vw计算
出电机转速给定值，以转速给定值和实测值ωr的偏差，作为励磁电流的控制依据[63-64]。两种方案中，励磁控制器和网侧控制器相互独立性高，易于实现有功功
率和无功功率的解耦，控制灵活。
空客A380中采用的三级式交流电机方案，由永磁同步电机、旋转电枢式交流电机和电励磁同步电机构成[65]。永磁同步电机的容量小，为旋转电枢式交流电机提供励磁电能，旋转电枢式交流电机的交流电能经同轴旋转的整流器整流后，为电励磁同步电机提供励磁。与此方案作比较，法国学者提出了基于HESM的新型方案[65]，HESM带不控整流负载，以270 V直流电压为稳压目标，介绍了HESM和整流器的等效模型，分析了电机转速和负载变化时闭环控制系统的性能。该系统中，由于HESM中存在的永磁磁场，省去了三级式方案中的永磁电机；且励磁绕组位
于静止部件上，进一步省去了旋转整流器，简化了系统，节省了成本[65]。
变频交流电源是飞机电源的重要发展方向。南京航空航天大学[66]采用HESM作
为变频发电机，以端电压、励磁电流、工作转速和负载作为反馈量，设计了多环调压控制系统，表明系统具有良好的稳态和动态响应性能，验证了HESM在变频电
源系统中应用的可行性。
哈尔滨工业大学[67]以飞轮储能为应用背景，研制了由永磁电机和感应子电机组合而成的HESM。样机中永磁部分采用表贴式同步电机，结构简单，感应子部分励
磁绕组位于轴向端静止的支架上，转子上不存在绕组，使用整块钢件制成，适用于高速运行。已有文献分别从调磁特性和带载特性[32]、永磁/电励磁比重设计[33]、损耗[34]和温升计算[68]等方面对其进行了研究。
HEM是在传统电机的基础上发展而来，相对于其电机原型，主极磁场由单一型励磁激励源变化为多类型激励源，但是其工作原理并未发生根本性的变化，因此，基于原型电机的丰富研究成果，本着“借鉴-发展”的原则，积极稳妥地开展HEM
的研究，有利于推进HEM的普及。以HESM为例，在永磁同步电机中广泛应用
的一些先进控制策略(如磁场定向控制和直接转矩控制等)也可借鉴到HESM中，
同时结合HESM的特点，改进相应的控制方案，丰富电机理论。
(1) 拓扑结构的研究。相对于永磁电机，HEM由于电励磁绕组的存在而增设了附
加磁路，结构复杂性、体积大小和设备重量等有所增加，功率/体积比降低，限制
了HEM在诸如航空航天等场合中的应用。对HEM进行结构优化，使其紧凑化、简单化等很有必要。
HEM在真正实用化阶段之前，一些品质问题仍需进一步研究，例如，作为电动机时的转矩脉动，作为交流发电机时的电压谐波。此外，电机结构的特殊性使得磁通路径变得复杂，以HESM为例，大多同时存在径向磁路和轴向磁路，漏磁相对突出，从拓扑结构上改善此类问题意义明显。
对于同类型的HEM，永磁和电励磁的比重对其效率、调磁范围、带载特性和电感特性(例如HESM的凸极率)等影响较大。因此，以应用需求为导向设计HEM也是其发展方向之一。
(2) 驱动控制技术的研究。HEM与其电机原型相比，虽然在调磁特性上有所变化，但是从运行原理上讲，仍然保持较大相似性。以HESM为例，与其电机原型(同步
电机)相比，从电磁本质上讲，HESM仍属于“同步电机”的范畴，因此，借鉴针
对同步电机的控制技术，对于HESM十分必要。
针对永磁同步电机的磁场定向控制技术应用相对广泛。基速以下，可选择的转矩控制技术主要包括id=0控制、最大转矩/电流比控制、最大功率控制和最小损耗控
制等；基速以上，主要是弱磁扩速。与永磁电机相比，HESM中存在专门用于控
制主磁场强度的电励磁绕组，因此驱动控制技术的核心问题是综合考虑控制策略实施时的经济性和效率等因素，协调控制电励磁电流、定子直轴电流和定子交轴电流。对于HESM，尤其是串联或并联磁路型HESM，电励磁和永磁磁势相互影响。例如，施加电励磁前，磁路的饱和程度主要受永磁影响，施加电励磁后，一是影响永磁磁场，二是影响磁路的饱和程度，参数变化大。电机参数的非线性增加了系统的控制精度、难度，现有研究成果大多在控制过程中假定其参数不变。因此针对HEM的智能控制技术是其发展方向之一。
(3) 新材料在HEM中的应用研究。电机损耗不仅影响电机效率，而且会引起温升
的增加，温度过高是永磁性能恶化和破坏绕组绝缘系统的重要原因。对于HEM，尤其是转子永磁型HEM，散热差，开展HEM中新材料的应用研究很有必要。
超导材料在特定温度下呈现出“零电阻”特性，使用超导材料制成电机绕组，能够无损耗地传输电能。有资料表明[69]，与常规电机相比，超导电机效率提升
0.5%～0.8%，整机重量减少1/3～1/2，长时间过载能力强(可达两倍额定容量以
上的长时间过载)，电抗减小，稳定性提高。
硅钢片叠片铁心，磁性能各向异性，限制了在HESM(多存在三维磁路)中的应用。软磁复合材料(Soft Magnetic Composite, SMC)由表面绝缘的金属粉末颗粒构成，采用粉末冶金技术，磁性能各向同性，能一次成型压制成形状复杂的结构[70]。但就目前而言，SMC磁性能比硅钢片差，在低频情况下，SMC的单位损耗高于普通硅钢片[71]。鉴于硅钢片和SMC铁心各有优缺点，浙江大学叶云岳教授提出在横
向磁通永磁电机中采用混合铁心[72]。SMC在电机中应用前景良好，尤其是在三维磁路的HEM中的应用有待进一步研究。
(4) 与应用领域相结合开展可靠性技术研究。随着研究的深入，HEM的应用领域将进一步拓展，为使其在更多的领域发挥价值，HEM的系统可靠性是一个亟待解决的问题。在电动汽车、航空航天和舰船推进等场合，诸如高转速、宽转速和高温湿热环境等复杂工况，涉及电磁-温度-动力学等领域，容错性和可靠性研究是其研究热点之一。
混合励磁电机的技术现状及新进展 宁银行;赵朝会;刘闯 【摘要】在永磁电机的基础上,增设电励磁绕组,以辅助调节永磁磁场,形成混合励磁电机,融合了永磁电机和电励磁电机的优点,应用前景广阔.介绍了混合励磁电机的调磁原理;从电机原型的角度,分析了混合励磁电机的发展思路;以励磁方案为着眼点,提出了一种混合励磁电机的分析方法;结合混合励磁电机的电磁特性,研究了混合励磁电机应用于汽车、风力发电和航空航天等领域的控制方案和系统结构;提出了混合励磁电机技术的研究思路,展望了混合励磁电机的发展趋势.%When being equipped with the field winding for adjusting the magnetic field,permanent magnet motor was changed into hybrid excitation motor (HEM),a novel motor.The HEM combined the advantage of permanent motor machine and electrically excited motor,enjoying a wide application prospect.The flux-adjusting principle of HEM was presented.In the perspective of the machine prototype,the developing strategy of HEM was analyzed.A method,focusing on the excitation structure,was proposed to understand the HEM.Basing on the electromagnetic characteristic of HEM,the control ideas and systems configurations were researched for HEM used in some areas such as automobile,wind power generation,aviation and aerospace.At the end,recommended a guiding ideology to study HEM and outlooked its developing trend. 【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2017(044)005
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
湖南工程学院 毕业设计（论文）任务书————☆————设计（论文）题目：基于DSP的永磁同步电动机矢量控制系统研究 姓名周琳系别应用技术学院专业电气工程及其自动化班级0786 学号200713010616 指导老师颜渐德教研室主任谢卫才 一、基本任务及要求： 1）掌握矢量控制的基本原理。 2）掌握永磁同步电动机矢量控制系统。 3）利用MATLAB软件仿真，分析。 4)硬件设计及软件设计 二、进度安排及完成时间： 2月20日：布置任务，下达设计任务书 2月21日——3月10日：查阅相关的资料（总参考文章15篇，其中2篇以上IEEE的相关文章）。 3月13日——3月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计、4月中旬毕业设计中期抽查 6月1日——6月7日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月8日——6月10日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。 6月11日——6月12日：毕业设计答辩
目录 摘要..................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 第１章概述.. (1) 1.1永磁同步电动机的发展概况及应用前景 (1) 1.1.1 永磁同步电动机发展概况 (1) 1.1.2 永磁同步电动机特点及应用 (2) 1.2永磁同步电动机控制系统的发展现状与趋势 (3) 1.3课题研究的背景及本文的主要研究内容 (4) 1.4本课题的研究意义 (5) 第2章永磁同步电动机的结构及其数学模型 (7) 2.1永磁同步电动机的结构 (7) 2.2永磁同步电动机的数学模型 (8) 2.2.1 永磁同步电机在静止坐标系(UVW)上的模型 (8) α-)上的模型方程 (10) 2.2.2 永磁同步电机在两相静止坐标系(β 2.2.3 永磁同步电机在旋转坐标系(d q -)上的数学模型 (12) 第3章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (16) 3.1永磁同步电机的控制策略 (16) 3.1.1永磁同步电机外同步控制策略 (16) 3.1.2 永磁同步电机自同步控制策略 (16) 3.1.3 永磁同步电动机的弱磁控制 (19)
混合励磁双凸极电机控制方式综述 刘奕杉 电气15级研究生，331501000020 摘要：本文介绍了混合励磁双凸极电机的发展历史跟研究现状，分析了混合励磁双凸极电机的各种控制方式，介绍了在分区控制的思想下，励磁系统的弱磁控制、增磁控制。以及半桥功率变换器供电方式下的标准角控，针对标准角控制时高速段下电机输出转矩不足的问题又介绍了提前角控制。最后总结展望了混合励磁双凸极电机控制方式研究中存在的问题以及解决方法。 关键词：混合励磁；双凸极电机；控制方式 0 引言 上个世纪90 年代美国电机专家T . A. L i p o 提出了永磁双凸极电机[1]，双凸极永磁(Doubly Sallent Permanent Magnet，DSPM)电机是近年来在开关磁阻电机基础上发展出来的一种新型高效节能电机。混合励磁双凸极电机( Hybrid Excited Doubly SalientMachine，HEDS)[2]是在永磁双凸极电机的基础上演变而来的，它将永磁体励磁与电励磁[3]进行了有机结合，继承了永磁双凸极电机的全部优点，而且具有电机磁场可灵活调节的特点，因此成为双凸极电机的研究热点。目前对混合励磁电机的研究，主要围绕着对电机不同混合励磁结构、混合励磁原理分析等方面，而对混合励磁电机的控制策略研究则相对较少，HEDS电机继承了DSPM 电机凸极永磁的优点，具有功率密度高、结构简单、容错性能好、控制灵活等优点。它在工业驱动、航空航天、汽车、舰船以及诸如电动汽车等需宽调速驱动应用场合具有前景[4]。HEDS电机的控制策略包含 2 种基本控制模式[5]即低速时的电流斩波控制和高速时的角度位置控制。根据该电机的运行原理提出采取分区控制策略，对电机进行弱磁控制，增磁控制。以及HEDS在半桥功率变换器供电方式下，标准角控制策略对电机输出转矩的影响，并在此基础上，介绍了提前角控制。 1 双凸极电机的发展历史及研究现状 开关磁阻电机（简称SRM）是上个世纪60 年代国外推出的一种交流调速电动机的新品种，随着电力电子技术的发展，出现了开关磁阻电机调速驱动系统。开关磁阻电机结构非常简单，定、转子都为凸极齿槽结构，定子上装有集中绕组，转子上没有绕组和磁钢，这使得定、转子的结构坚固，制造成本低，装配工艺简单，冷却方便。 永磁双凸极电机的设计思想最早可以追溯到1955 年Rauch和Johnson对永磁双凸极电机的研究[6]，但是由于当时永磁材料性能等问题的限制，这种原型机体积较大、力能指标相对较低，并没有得到多大的重视。 直到上个世纪90 年代初，美国Wisconsin大学Lipo教授领导的科研小组，进行了大量永磁双凸极电机的研究工作，取得了丰硕的研究成果。其中，Liao于1993 年发表了关于DSPM主要尺寸确定的论文[7]，表明DSPM电机具有较高的功率密度，随后Liao又于1995 年在IEEE上系统阐述了DSPM电机工作原理及其控制特点[8]，文献成为DSPM电机的经典作品。图1.1为美国Wisconsin 大学Lipo教授领导的科研小组于1992 年提出的DSPM电机结构示意图，电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但它在定子（或转子）上放有永磁体，从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。概括地讲，DSPM电机系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大，可实现各种特殊要求的转矩/转速特性，功率因数接近于1，效率高。Lipo.T.A等人提出的混合励磁双凸极电机不同之处在于永磁体旁边附加了一条并联磁分路，为直流励磁磁通提供了一个通路，避免了直流励磁磁势直接作用于永磁体，减小了永磁体产生不可逆退磁的风险，并且通过磁分路磁阻的适当设计，能达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调节范围的目的[9]。 东南大学程明教授所领导的课题组提出了磁桥式混合励磁双凸极电机[10]，电机结构如图1.2所示，其特点是在电机永磁体与直流励磁绕组之间设置了一定尺寸的导磁桥，使电机定子铁芯保持一个整体，南京航空航天大学的严仰光教授等在双凸极电机方面作了很多研究工作，他在文献[11]中提出了一种新型的12/8 极磁路独立式的混合励磁双凸极电机结构，这种并列结构混合励磁双凸极电机定子有两并列的电枢铁芯，一段为永磁励磁，另一段为
永磁同步电动机的电磁设计与分析 摘要 永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。 本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。 关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析
The design of Permanent-Magnet Synchronous Motor Abstract PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss . The paper mainly introduces the PMSM's development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density. Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis
永磁同步电机 Kunlabs 诺丁汉大学· 电气工程博士 最近更新于2021.02.28 18:45 ，并经过3位同行评审，查看全部1个编审记录 V型插入式永磁同步电机结构示意图: V型永磁体插入转子结构进而励磁 永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机[1]，永磁体通过表贴或插入的方式整合在转子结构上进而产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机(electric generator)用；此外，当定子绕组通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置
上相差120°，三相定子电流在空间中产生旋转磁场，带有永磁体的转子受到电磁力作用而运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机(electric motor)用。 中文名永磁同步电机展开 外文名Permanent magnetic synchronous machine, PMSM展开 电机类别同步无刷交流电机展开 功能分类电动机(electric motor), 发电机(electric generator)展开 应用场景新能源、航空航天、军工设备、生物技术展开 电机结构及参数 与其它旋转电机结构类似，永磁同步电机主要由定子及转子两部分组成。对于永磁同步电机来说，定子由定子铁芯（叠层钢），定子绕组（漆包铜线）组成。铜线绕组按照电机设计布线方式，由绕线机嵌入预先垫好绝缘材料的定子铁芯槽内部，最终整体浸漆完成定子结构的制造。转子由转子铁芯（叠层钢），永磁体（表贴式或插入式）组成。其它机械结构还包括轴承组，电机轴，冷却系统以及电机外壳等。永磁同步电机依据转子结构不同还分为内转子电机及外转子电机，内转子结构电机的使用场景较多。 PMSM的高性能运行需要获取精确的定子电阻Rs、d-q-两轴电感Ld、Lq以及转子磁链值，但这些电磁参数会随电机负载以及温度改变而变化，需要配合相应参数的电机用传感器[2]进行数据收集，或者采用无传感器（sensorless）电机控制策略[3]。
混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性 徐妲;林明耀;付兴贺;郝立;张蔚;赵纪龙 【摘要】提出一种混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机,以一台12/11极电机为例分析电机的结构特点和工作原理.基于三维有限元方法研究该电机静态特性,对空载永磁磁场和气隙磁通密度进行分析,研究永磁磁链、反电动势、定位力矩及绕组电感等电磁特性,分析不同励磁电流下的气隙磁场分布和调磁特性.结果表明:该种电机的磁链和反电动.势均为双极性的正弦分布,适于无刷交流运行场合;通过调节励磁电流,线圈匝链磁通变化明显,调磁效果较好. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2015(030)002 【总页数】6页(P58-63) 【关键词】混合励磁;轴向磁场;磁通切换;静态特性 【作者】徐妲;林明耀;付兴贺;郝立;张蔚;赵纪龙 【作者单位】东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212009;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212009;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212009;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212009;东南大学电气工程学院南京210096;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212009
【正文语种】中文 【中图分类】TM351 1 引言 永磁电机由永磁体产生磁场，无励磁损耗，效率高且工作稳定可靠，但磁场调节困难。混合励磁电机是一种磁通可控型永磁电机，兼具永磁电机效率高和电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，特别适合于恒功率调速驱动和恒压发电等领域的应用，在工业应用领域具有广阔的应用前景[1,2]。 近年来，国内外学者提出并研究了多种混合励磁电机结构，包括磁极分割式[3,4]、爪极式[5,6]、组合转子式[7]、并列结构式[8,9]、转子磁分路式[10]、永磁-感应子式[11]等。这几类混合励磁电机的永磁体均位于转子上，属于转子永磁型混合励磁电机。该类永磁型电机转子结构复杂，转子散热困难，较高的温升可能引起永磁体不可逆退磁、电机出力减小等问题。 磁通切换型永磁电机是一种定子永磁型电机，由法国学者E.Hoang 于1997 年提 出[12]。该种电机定、转子都采用双凸极结构，永磁体和绕组均置于定子上，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单，易于散热冷却，机械强度高。目前的研究结果表明，这种电机具有体积小、工作可靠、功率密度高和效率高等优点[13,14]。磁 通切换永磁电机采用永磁体励磁方式，无法直接改变磁场强度，作发电机运行时存在电压调整率大和故障灭磁困难的问题，作电动机运行时存在难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄等缺点。 混合励磁磁通切换电机兼具磁通切换电机和混合励磁电机的优点，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁通密度[15-18]。研究表明，文献[15]中永磁体磁路容 易通过励磁绕组端部铁心形成回路，电枢绕组匝链磁通较少，永磁体利用率不高。
双转子混合励磁电机优化设计和特性分析 井立兵; 高起兴; 王冲; 罗正豪; 解立辉; 胡康 【期刊名称】《《电机与控制学报》》 【年(卷),期】2019(023)009 【总页数】8页(P43-50) 【关键词】混合励磁; 永磁同步电机; 电励磁双凸极电机; 极槽匹配; 双转子结构 【作者】井立兵; 高起兴; 王冲; 罗正豪; 解立辉; 胡康 【作者单位】三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002; 三峡大学湖北省微 电网工程技术研究中心湖北宜昌443002; 国网冀北电力有限公司智能配电网中心河北秦皇岛066100; 吉安供电公司江西吉安343000; 国网湖北省电力有限公司 孝感供电公司湖北孝感432000 【正文语种】中文 【中图分类】TM351 0 引言 永磁电机的特点是体积小、结构简单及运行高效，目前在很多工业领域得到应用。但是，永磁电机对气隙磁场强度调节能力有限，作为电动机时，在航空电源系统等需宽调速区间的驱动应用中将会受到限制；作为发电机时，较大的电压调整率将会影响通电质量[1-5]。因此，调整永磁电机结构，合理引进励磁线圈，通过混合励 磁实现对电机气隙磁场的有效调节成为国内外电机界学者研究的一个重要方向[6]。
混合励磁电机具有高功率密度，宽范围调磁的优点，在航空电源系统和电动汽车领域具有较高应用价值[7]。在此类电机中：串联混合励磁电机虽然结构简单，有较 强的气隙磁场调节能力；但较大的励磁电流可以使永磁体永久退磁，因此，国内外学者对此研究较少[8]。而并联混合励磁电机不存在永磁体退磁问题。文献[9]分析 了不同拓扑结构的并联混合电机的结构原理以及控制技术。文献[10]比较了不同拓扑结构并联混合励磁电机各自的优势与劣势。目前为止仍没有一种混合励磁电机可以克服自身缺点，又能具备其他结构电机的优点。所以，混合励磁电机仍需朝着高功率密度，简化结构，较强的调磁性能方向发展。 本文提出一种新型双转子混合励磁电机(DRHEM)，通过单定子-双转子拓扑结构实现电励磁双凸极电机(DSEM)和永磁同步电机(PMSM)的有效结合。利用DSEM磁场可调特性拓宽电机的磁通调节范围，同时达到励磁无刷效果。该结构可减小电机体积，使两类电机紧凑结合，电枢绕组端部可大大缩短，从而降低绕组铜耗[11-12]。本文给出了该电机结构和两类电机的结合原则，提出一种有效优化方案，并 利用有限元软件建立该模型，分析该电机电磁特性以及它的调磁性能。 1 DRHEM结构原理 图1是双转子混合励磁电机(dual-rotor hybrid excitation motor，DRHEM)基本结构，内、外转子分别同中间定子组成内电机单元和外电机单元。定子两侧同时开槽，电枢绕组通过定子连接两部分电机单元。所以，电机的感应电动势是内、外电机单元电动势之和；并且内、外两个转子转速和转向均相同。 DRHEM可以有两类拓扑：外侧是PMSM、内侧是DSEM；另一类外侧是DSEM、内侧是PMSM。前者的优势是有利于提高电机运行效率，但内侧电励磁电机若实 现有效磁场调节，对电流要求较高，较大的电流会造成中间定子磁路饱和。而后者拓扑虽然降低了电机运行效率，但有利于外侧电励磁电机实现对电机磁路的调控。本文选取DSEM作为外电机单元，PMSM作为内电机单元的组合。
纯电动汽车驱动电机匹配研究现状 纯电动汽车作为新能源汽车中的一种重要类型，是未来汽车行业发展的趋势，而驱动 电机是纯电动汽车的核心部件之一，直接关系到汽车的性能和效率。电动汽车驱动电机匹 配研究成为了相关领域的热点之一。本文将从现有研究成果和技术发展趋势两个方面，对 纯电动汽车驱动电机匹配研究现状进行探讨。 一、现有研究成果 1. 驱动电机类型 目前市场上常见的纯电动汽车驱动电机类型主要有永磁同步电机、感应电机和混合励 磁电机等。不同类型的驱动电机在工作原理、结构和性能上各有特点，因此需要根据车辆 的使用需求和性能要求进行合理选择和匹配。 2. 匹配方法 驱动电机和电动汽车动力系统之间的匹配研究是纯电动汽车研发过程中的关键问题之一。目前，匹配方法主要包括理论分析、试验研究和仿真模拟等多种手段。通过分析车辆 的工况和负载特性，结合电机的特性参数，可以实现驱动电机和动力系统的合理匹配，以 提高汽车的性能和能效。 3. 性能优化 随着纯电动汽车市场的发展和竞争的日益激烈，驱动电机的性能优化成为了研究的重 点之一。采用先进的电机设计和控制技术，如无感矢量控制、磁通定向控制和空间矢量调 制等，可以实现驱动电机性能的优化，提高汽车的动力性和续航里程。 4. 车辆应用 在纯电动汽车的不同类型和用途中，驱动电机的匹配也需要根据具体的车辆应用进行 定制化设计。城市轿车和高速公路客车对动力性能和能效的要求不同，需要针对不同的应 用场景进行驱动电机匹配研究。 二、技术发展趋势 1. 高性能电机 随着电机磁性材料、绝缘材料和制造工艺的不断进步，未来驱动电机将更加注重高性 能和高效率。高温超导材料、轻质化材料和新型制造工艺的应用将使驱动电机在功率密度、能效和可靠性方面有较大突破。 2. 智能化控制
风力发电中的变速恒频技术综述 1引言 风力发电技术是一种利用风能驱动风机浆叶。进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力物力财力来发展风力发电技术。第一次世界大战后，丹麦首开先河，制造了仿螺旋桨高速风力发电机组。随后美国、法国、前西德等国先后制造出了风力发电机组并投入运行。前西德在风机桨叶制造上首次使用了质地轻、强度高的复合材料。到20世纪60年代，由于石油廉价和内燃机的广泛运用，风力发电成本高的问题显得突出，和以内燃机为动力的发电技术相比失去竞争力，发展几近停止。但1973年全世界的石油危机以及燃料发电带来的环境污染问题，使得风力发电技术重新受到重视。风力发电又进入迅速发展阶段。先后有美国研制的1000kW大型风力发电机、前西德的3000kW大型风力发电机、英国加拿大的3800kW大型风力发电机投入运行，自动控制技术日益成熟，并形成了能并网运行的风力发电机群(见图1)。2002年，世界各国风电装机总量达到近40000MW，并且每年增长率达20％，发展势头强劲。我国现代风力发电技术始于20世纪70年代。2002年底，我国风力发电装机容量达473MW，遍布新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江等地[1]。 图1风力发电机群 最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点： （1）风力发电机单机容量稳步变大。现在单机容量已达到兆瓦级； （2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术； （3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效； （4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高[2]。 2 风力发电机的气动功率调节方式 气动功率调节是风力发电的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。功率调节方式主要有三种。 （1）定桨距失速调节 这种调节方式下，桨叶与轮毂刚性联接，桨距角度保持不变。随着风速增加，攻角增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，上下翼面压力差减少，阻力增加，升力减少，造成失速，从而限制功率增加。整机结构简单、部件少、安全系数较高，但翼型结构复杂，制造困难，机组额定功率增加后，叶片加长，
汽车电励磁同步电机 引言 随着环保意识的提升和汽车工业的发展，电动汽车成为未来出行的主流趋势。而作为电动汽车的核心技术之一，电励磁同步电机在汽车行业受到了广泛关注。本文将深入探讨电励磁同步电机在汽车领域的应用以及其优势和挑战。 电励磁同步电机的工作原理 电励磁同步电机是指依靠电励磁磁场和永磁磁场进行同步运转的一种电动机。其工作原理是通过控制电流和电压来调节电励磁磁场，同时利用永磁磁场实现同步运转。与传统的感应电机相比，电励磁同步电机具有高效率、高功率密度和宽工作范围的优势。 电励磁同步电机在汽车领域的应用 电动汽车驱动系统 电励磁同步电机被广泛应用于电动汽车的驱动系统。它具有高效率和高输出功率，能够提供持续稳定的动力输出。同时，该电机可以实现电能回馈，将制动能量转化为电能储存，提高能源利用效率。 混合动力汽车辅助驱动系统 除了在纯电动汽车中的应用，电励磁同步电机还常用于混合动力汽车作为辅助驱动系统。在混合动力汽车中，电励磁同步电机可以充当发电机，收集制动能量并将其转化为电能储存。 汽车动力传递系统 除了驱动系统和辅助驱动系统外，电励磁同步电机还可以用于汽车动力传递系统中。它可以与发动机或传统变速器配合工作，提高整车的燃油经济性和驾驶体验。
电励磁同步电机的优势 高效率 电励磁同步电机具有高效率的特点。其设计和控制方法使得电机在各种工况下都能够实现高效能转换，从而提高电动汽车的续航里程。 高功率密度 电励磁同步电机具有较高的功率密度，意味着可以在较小体积的空间内提供更大的输出功率。这使得电动汽车可以在减小车辆重量的同时获得更好的动力性能。 宽工作范围 电励磁同步电机在转速范围内能够提供稳定的输出功率。这意味着无论是低速行驶还是高速行驶，电动汽车都能够获得较好的动力响应和驾驶体验。 良好的控制性能 电励磁同步电机具有良好的控制性能。它通过电流和电压的精确控制可以实现精准调节，从而满足不同工况和驾驶需求。 电励磁同步电机的挑战 成本 电励磁同步电机的制造成本相对较高。高性能的永磁材料和控制器的成本较高，导致整车成本上升。随着技术的发展和成本的下降，电励磁同步电机的应用将会更加广泛。 热管理 电励磁同步电机在高功率输出时会产生较多的热量，对热管理提出了较高要求。不良的热管理将导致电机性能下降，减少使用寿命。因此，合理的热管理系统对于电励磁同步电机的可靠性和耐久性至关重要。
新型直爪混合励磁爪极电机设计与研究 杜飞;姚舜才•;安坤;王鑫 【摘要】针对现阶段爪极电机的易磁饱和、电励磁损耗过高和高速状态下易产生形变等问题,对爪极电机的励磁方式、磁路和运行中的应力进行了分析,提出了一种在爪极电机根部添加永磁体和铁齿环部件实现混合励磁.同时将现阶段爪极电机斜爪结构改为直爪结构的新型直爪爪极电机,利用Ansoft软件和Solidworks软件对新型电机与传统电机的性能进行了对比分析,同时也对不同转速下电机的应力进行了仿真分析.研究结果表明:新型爪极电机在实现混合励磁的基础上,形成了更高效的磁通路径,同时还具有较高的磁饱和电流和较低的励磁损耗,有较好的输出特性;在机械性能方面,新型爪极电机无论是在何种下都有着更低的应力效果,能满足电机高速运行的要求. 【期刊名称】《机电工程》 【年(卷),期】2019(036)005 【总页数】5页(P539-543) 【关键词】混合励磁;直爪爪极电机;Ansoft;应力 【作者】杜飞;姚舜才•;安坤;王鑫 【作者单位】中北大学电气与控制工程学院,山西太原030051;中北大学电气与控制工程学院,山西太原030051;中北大学电气与控制工程学院,山西太原030051;西北机电工程研究所,陕西咸阳712000 【正文语种】中文
【中图分类】TM302;TP39 0 引言 爪极电机的转子由两个类似于鸟爪的磁极交错形成，由于这种电机的结构简单、便于制造，使得这种电机具有较大的价格优势，因而被广泛应用于发电机领域[1-3]，尤其是汽车发电机领域。但是由于漏磁较大，使得爪极电机效率不高，峰值效率在60%以下，随着汽车配备的电子产品的日益增多，提高爪极电机的效率显得尤为 重要。 现阶段对于提高爪极电机效率的研究，主要集中在采用混合励磁方式降低励磁电流从而降低励磁损耗上。采用混合励磁的爪极发电机转子中至少存在两个磁化源[4-5]。除了直流励磁磁场外，在转子内放置永磁体形成永磁磁场，从而补偿泄漏磁通和提高转子磁通，提高转矩密度和电机效率。根据设计，混合励磁爪极电机被分为串联混合励磁和并联混合励磁两种励磁方式。文献[6]提出了在两个爪极之间放置 一个轴向磁化的圆柱形永磁体与电励磁形成串联结构，但是永磁体的放置破坏了爪极的结构，同时对电励磁的磁通路径产生了负影响；文献[7]提出了另外一种串联 方式，在励磁线圈空间内放置轴向充磁的永磁体，但是永磁体的存在减小了励磁线圈的体积，降低了励磁磁场大小；文献[8-9]提出了一种并联式混合励磁方式，在 爪极之间的空隙中嵌入了切向磁化永磁体，但是永磁体存在难以固定的问题，特别是在电机进行高速旋转时，永磁体易发生移位。 同时，还有一部分研究集中在降低爪极电机的端部空间长度上面。通过采用新型绕组的方式，降低绕组的铜耗[10-11]。特别是引入扁线绕组和发卡式绕组的方式使 得电机的绕组端部长度和阻值得到降低。但是引入新绕组不能够完全利用电机的端部空间，仍然会造成电机端部空间的浪费，使得电机的效率不能得到有效提高。 此外，基于爪极电机的特殊结构，电机在高速旋转过程中，在爪极根部产生较大的
混合励磁电机的结构及原理 混合励磁电机是一种结合了励磁绕组和永磁励磁的电机，它采用了混合磁场的原理来实现高效率和高功率密度。本文将从结构和原理两个方面来介绍混合励磁电机。 一、结构 混合励磁电机的结构包括定子、转子、励磁绕组和永磁体。定子是电机的不动部分，通常由定子铁心和定子绕组组成。转子是电机的旋转部分，通常由转子铁心和转子绕组组成。励磁绕组是用来产生励磁磁场的线圈，通常安装在定子上。永磁体是用来产生永磁磁场的磁体，通常安装在转子上。 二、原理 混合励磁电机的原理是通过合理组合励磁绕组和永磁体的磁场，形成一个混合磁场，从而实现高效率和高功率密度。具体原理如下：1. 励磁绕组产生磁场：励磁绕组通过通电产生磁场，这个磁场可以是恒定的也可以是可控的。当通电时，励磁绕组的磁场会影响定子绕组和转子绕组的磁场分布。 2. 永磁体产生磁场：永磁体通过其自身的磁性产生恒定的磁场。这个磁场可以是轴向的也可以是径向的。永磁体的磁场可以在一定程度上抵消励磁绕组的磁场或者增强定子绕组和转子绕组的磁场。 3. 混合磁场作用：励磁绕组和永磁体的磁场相互作用，形成一个混
合磁场。这个混合磁场既包含了励磁绕组的磁场特性，也包含了永磁体的磁场特性。混合磁场的分布可以根据设计需要进行调节，以实现不同的工作状态和效果。 4. 磁场转换为电能：当电机通电时，混合磁场会作用在定子绕组和转子绕组上，产生电磁感应，将电能转换为机械能。定子绕组和转子绕组的磁场受到混合磁场的影响，进而影响电机的输出性能。 混合励磁电机的结构和原理使其具有以下优点： 1. 高效率：混合励磁电机可以通过合理设计混合磁场，提高电磁能量的利用效率，从而达到高效率的目的。相比于传统的励磁电机和永磁电机，混合励磁电机在一定程度上减少了能量损耗。 2. 高功率密度：混合励磁电机的结构和原理使其能够在较小的体积内实现较大的功率输出。这对于电机在限制空间内的应用非常有优势。 3. 可调节性：混合励磁电机的励磁绕组和永磁体都可以进行调节，以适应不同的工况和要求。励磁绕组的通电可以调节励磁磁场的强弱，而永磁体的选择和布置可以调节永磁磁场的分布。 总结起来，混合励磁电机通过合理组合励磁绕组和永磁体的磁场，形成一个混合磁场，从而实现高效率和高功率密度。混合励磁电机具有高效率、高功率密度和可调节性等优点，在电机领域有着广泛
永磁-感应子式混合励磁发电机轴向力分析作者：余辉施道龙张登平 来源：《机电信息》2020年第15期
摘要：针对永磁-感应子式混合励磁发电机附加气隙处的饱和磁密高，产生轴向力大，影响发电机轴承寿命及运行可靠性的问题，采用有限元法对永磁-感应子式混合励磁发电机的磁路结构及励磁电流对轴向力的影响进行了分析;采用优化设计的结果设计了样机，进行了电机性能运行测试，结果表明，所做轴向力分析具有一定的准确性和参考价值。 关键词：永磁-感应子;混合励磁;结构;轴向力 0 引言
永磁-感应子发电机在改变励磁电流的过程中，其产生的辅助磁场在对主磁场进行相对增磁、去磁调节时，附加气隙处的磁场强度会发生明显变化，对发电机励磁绕组会产生一定的轴向磁力。 本文以某永磁-感应子式发电机为研究对象，根据附加气隙处场强特点，利用ANSYS有限元分析方法，计算励磁绕组受轴向磁场力的大小，分析轴向磁场力造成的影响，优化电机的电磁结构设计，并通过样机研制，验证了磁路优化的有效性与轴向力分析的准确性。 1 永磁-感应子式混合励磁发电机轴向力产生机理 与其他混合励磁发电机相比，永磁-感应子式混合励磁发电机具有结构简单，永磁磁路与电励磁磁路相互独立，无电刷和滑环装置，附加气隙少等优点。 1.1 结构形式 永磁-感应子式混合励磁发电机是结合永磁和感应子发电机优点形成的新型电机，共用电枢、齿槽等结构参数，其结构如图1所示。两者轴向并列，结构更加紧凑，整机重量匀称分布，轴向细长结构使得发电机在高速旋转工况下，转子离心力更小，高速性能更优。 1.2 轴向力分析 1.2.1 磁路分析 发电机主磁路由永磁体部分提供磁通，磁回路与永磁发电机磁通路径相同，如图2所示。发电机电励磁部分辅助磁通由励磁绕组产生，磁通经过转轴→转子副极齿部→定转子间气隙→定子铁芯→机壳→励磁支架→附加气隙再回到转轴，形成闭合回路，如图3所示。磁通路径中不仅存在定转子间的工作气隙，还有附加气隙的存在，与永磁体相比，辅助磁通路径长，一定程度上削弱了电励磁磁场的利用率。因此，需要根据磁路特点优化磁路结构，继而提高电励磁磁场的利用率。 发电机内部磁路包括径向、轴向磁路，结构复杂，磁场分布不均匀，轴向磁路对转子形成轴向力，磁场强弱及轴向力分布规律采用电磁场有限元方法进行详细分析。 1.2.2 轴向力数学模型 注入励磁绕组电流，在励磁电流磁势与永磁体磁势组合作用下，气隙处的高磁密产生轴向磁力。磁势根据基尔霍夫公式计算： F1+F2=Φδ（Rδ+Rm+Rn）（1）
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）实用新型专利 （10）申请公布号 CN202586545U （43）申请公布日2012.12.05（21）申请号CN201220192088.8 （22）申请日2012.04.26 （71）申请人张学义 地址255049 山东省淄博市张店区张周路12号山东理工大学交通学院 （72）发明人张学义 （74）专利代理机构 代理人 （51）Int.CI 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 永磁与电磁串联磁场混合励磁发电机 （57）摘要 本实用新型提供一种永磁与电磁串联 磁场混合励磁发电机，属于汽车电机电器技 术领域。由转子、定子、前端盖、后端盖、 电子稳压控制器组成，转子由瓦片磁钢、极 靴、螺钉、转子铁芯、轴、电励磁绕组组 成，瓦片磁钢按凸面为N极、S极间隔排列 的方式通过极靴由螺钉固定在转子铁芯的外 圆上，转子铁芯压装在轴上，电励磁绕组的 线圈缠绕在转子铁芯的凸极上，按通入直流 电后凸极的凸面产生的极性为N极、S极相 间隔的规律依次绕线，每个凸极上的匝数应
相等，碳刷与电子稳压控制器连接，滑环与 电励磁绕组连接，碳刷、滑环安装在后端盖 的左侧，滑环固定在轴上，滑环的外圆直径 小于轴承的内孔直径。永磁磁场与电励磁场 迭加后的磁场可以调节，发电机在宽转速、 宽负载范围内输出电压保持稳定，为现代汽 车用电设备提供直流电源。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2012-12-05授权授权 2014-06-18专利权的终止专利权的终止
权利要求说明书 永磁与电磁串联磁场混合励磁发电机的权利要求说明书内容是....请下载后查看
新型混合励磁发电系统用无刷励磁机电磁性能分析 张春莉;宫海龙;王亮;张艳竹;宋敏慧 【摘要】本文提出了新型混合励磁发电系统,它由混合励磁发电机、无刷励磁机和旋转整流器构成,其中混合励磁发电机转子由结构上独立的两部分——永磁体和电励磁组成,定子铁心沿轴向分为三段:永磁部分定子铁心、电励磁部分定子铁心以及中间部分定子铁心,其中中间部分定子铁心采用非导磁材料.新型混合励磁系统具有永磁电机高效、高功率密度的优点.本文仅针对新型混合励磁发电系统中的无刷励磁机迚行分析,无刷励磁机结构与绕线式异步电机结构相似,定、转子均采用三相绕组,无刷励磁机的转子与混合励磁发电机转子同轴,转子绕组经固定在同发电机转轴上的二极管整流将交流变为直流,供给混合励磁发电机励磁.同时本文采用电磁场有限元法对无刷励磁运行机理和电磁性能迚行分析,其中包括供电电源类型、定子电流特性和转矩特性等.本研究成果对掌握无刷励磁机运行特性具有重要作用.%A novel hybrid excitation power system is presented in this paper. It is consist of hybrid excitation generator, brushless exciter and rotating rectifier. The rotor of hybrid generator is made of permanent magnet (PM) and electro-exciting similar with the rotor of non-salient synchronous machine. The stator core of hybrid generator is divided into three parts, corresponding to the PM, electro-exciting and parts between them separately. Only brushless exciter in the system is analyzed. The structure of the exciter is similar with the wounded rotor induction machine, and the rotor windings are connected to the electro-exciting of the hybrid generator by the rectifier. The theory and performance of exciter are calculated using the finite element method (FEM), which include the type
混合励磁爪极发电机空载漏磁计算与结构优化 曹金祥;岳峰丽 【摘要】为研究不同结构变量对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响,利用JMAG三维电磁场有限元软件,分析在不同结构参数下空载漏磁系数,并设计正交实验,确定最优结构参数.结果表明,混合励磁爪极发电机空载漏磁系数与定子内径和爪极根部厚度呈正增长关系,与定子外径和定子铁心有效长度呈负增长关系,与转子铁心内径几乎无正负增长关系.这为爪极发电机的参数设计、漏磁分析和结构优化等提供了理论基础和实践参考. 【期刊名称】《温州职业技术学院学报》 【年(卷),期】2017(017)001 【总页数】6页(P48-52,56) 【关键词】爪极发电机;混合励磁;空载漏磁;最优结构 【作者】曹金祥;岳峰丽 【作者单位】沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳 110159;沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳 110159 【正文语种】中文 【中图分类】TM31 近年来，随着新能源汽车市场的持续火爆，以及人们对汽车舒适性、经济性和安全性等方面的要求越来越高，使得汽车上的电子设备不断增加，传统的电励磁爪极发电机已不能满足供电要求[1-2]，亟需研制出高输出功率的发电机。本文设计一种
特殊结构的混合励磁爪极发电机，其气隙磁场由电励磁和永磁励磁并联共同提供，转子的两个爪极间放有切向充磁的钕铁硼永磁体，取消电刷结构。与传统发电机明显不同，混合励磁爪极发电机的定子与机壳之间无隔磁层，磁通不通过端盖与机壳，磁路比较短，且其中的磁场不会干扰四周的电子装置[3-4]。 目前，国外学者已对混合励磁爪极发电机的电磁场性能、噪声振动、动态仿真及涡流损耗等做了相关分析和研究[5-9]。国内学者对多种结构的混合励磁爪极发电机 进行研究，如利用三维有限元方法对串联磁路混合励磁爪极发电机的极对数和磁钢厚度进行优化[10]，但此电机的串联磁路会使永磁体不可逆退磁；建立一种并联磁路的混合励磁爪极发电机的等效磁路模型，仿真分析得到气隙磁密与各参数之间的变化关系曲线[11]，但此电机没有实现无刷化，工作可靠性不高；计算一种混合励磁无刷爪极发电机的电感参数[12]，尽管此电机的磁路是并联关系，且实现了无刷化，但其定子与壳体间放有隔磁层，磁通会通过端盖和机壳干扰四周的电子装置。本文采用日本JSOL公司开发的JMAG三维电磁场有限元软件，分析在不同结构 参数下并联磁路混合励磁无刷爪极发电机空载漏磁系数，并设计正交实验，确定最优结构参数。 1.1 三维电磁场有限元计算的基本原理 在静态场中，电机的磁场可看作三维恒定磁场，磁场强度H 和电流密度J 满足安 培环路定律，即： 根据Maxwell方程，可知： 其中B为磁感应强度。 又由于H=B/μ，μ为磁导率，因而可得： 再根据B=·A，可得： 其中A为矢量磁位。由于磁阻率v=1/μ，故（4）式可表示为： 其中，