混合勵磁電機的結構及原理

前言

　　現(xiàn)代社會電氣化程度不斷提升，航空航天、工業(yè)控制等領域對電力需求越來越大，電氣設備不斷增多，電機的應用越來越廣泛。隨著電工材料、電力電子技術和計算機技術的快速發(fā)展，電機已不再是一個孤立的器件，往往與控制系統(tǒng)一道構成高性能發(fā)電或驅動系統(tǒng)。這樣，無論是發(fā)電機，還是電動機，都迫切需要電機技術向更高水平發(fā)展，新結構、新原理電機（磁阻電機、混合勵磁電機、超聲電機乃至微／納米電機等）的研究引起學者的高度關注和研究興趣?！　』旌蟿畲烹姍C力求最大程度綜合永磁電機高效高功率密度和電勵磁電機控制方便的優(yōu)勢而克服它們的不足，成為電機領域研究的一個熱點。由于勵磁方式的變化，混合勵磁電機結構的復雜程度不得不有所增加，尋求簡單、合理的電機本體結構是一個很重要且富有挑戰(zhàn)的研究課題。　　趙朝會、張卓然和秦海鴻等圍繞混合勵磁電機新結構探索方面做了非常有價值的研究工作：在轉子磁分路混合勵磁同步電機和并列式混合勵磁同步電機的新結構拓撲、電磁場分析和建模方法方面開展了系統(tǒng)、深入的研究；在混合勵磁雙凸極電機結構拓撲和運行特性方面也進行了深入研究。三位教授的研究成果系統(tǒng)地匯聚成《混合勵磁電機的結構及原理》這本著作，豐富了混合勵磁電機的結構形式，拓寬了混合勵磁電機的研究思路，對推動該類新型電機技術發(fā)展和應用具有重要意義。近些年來，關于電機本體研究方面的著作較少，這本專門針對新型電機本體研究的著作對于其他新結構電機的研究也有很好的借鑒作用?！　』旌蟿畲烹姍C的研究尚處于不斷完善的過程中，希望作者堅持研究方向、持續(xù)創(chuàng)新、再接再厲，在混合勵磁電機本體結構的優(yōu)化及其控制技術方面做出更多、更大的成績，為新型混合勵磁電機早日應用于航空電源系統(tǒng)、新能源發(fā)電及驅動系統(tǒng)做出貢獻！

內容概要

本書在系統(tǒng)總結混合勵磁電機發(fā)展和研究現(xiàn)狀的基礎上，提出了新型混合勵磁同步電機和混合勵磁雙凸極電機結構形式；討論了其工作原理和運行特性；系統(tǒng)論述了轉子磁分路混合勵磁同步電機的磁路計算、三維有限元分析與建模方法；探討了并列式混合勵磁同步電機中切向磁鋼永磁同步電機和電勵磁同步電機的設計規(guī)律以及并列式混合勵磁同步電機的運行特性、軸向漏磁等特殊問題；研究了并列式混合勵磁雙凸極電機的靜態(tài)特性、發(fā)電方式和電動運行工作特性。    本書可作為高等院校電氣工程學科的碩士生、博士生和教師的參考書，也可供從事電氣傳動和發(fā)電系統(tǒng)研究開發(fā)的工程技術人員閱讀。

書籍目錄

序一序二前言第1章  混合勵磁電機的基本概念及研究現(xiàn)狀  1.1  混合勵磁電機的基本概念  1.2  混合勵磁電機的分類  1.3  混合勵磁電機的研究現(xiàn)狀    1.3.1  混合勵磁同步電機的研究現(xiàn)狀    1.3.2  混合勵磁雙凸極電機的研究現(xiàn)狀  1.4  混合勵磁電機的特點與基本要求  1.5  混合勵磁電機的應用前景    1.5.1  航空電源系統(tǒng)    1.5.2  風力發(fā)電系統(tǒng)    1.5.3  電動汽車驅動系統(tǒng)  1.6  小結第2章  轉子磁分路式混合勵磁同步電機  2.1  轉子磁分路式混合勵磁同步電機結構的提出    2.1.1  永磁同步電機的典型結構    2.1.2  轉子磁分路式徑向結構混合勵磁同步電機    2.1.3  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機  2.2  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機的等效磁路    2.2.1  雙向勵磁下的等效磁路    2.2.2  徑向磁路磁化特性    2.2.3  軸向磁路磁化特性    2.2.4  徑/軸向磁場分布與磁路特點  2.3  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機調磁特性的影響因素    2.3.1  轉子磁分路作用的基本約束關系    2.3.2  轉子長徑比對電機調磁特性的影響    2.3.3  極對數(shù)對電機調磁特性的影響    2.3.4  永磁體結構對電機調磁特性的影響    2.3.5  主氣隙/附加氣隙長度比對電機調磁特性的影響    2.3.6  轉子導磁體延伸段截面積對電機調磁特性的影響  2.4  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機的三維場分析與結構優(yōu)化    2.4.1  三維靜磁場分布    2.4.2  導磁橋結構優(yōu)化    2.4.3  轉子N極、S極導磁體結構(延伸端及過渡段)優(yōu)化與等截面原則    2.4.4  不同磁鋼寬度下的氣隙磁場調節(jié)性能    2.4.5  漏磁特性與補償磁鋼的作用  2.5  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機的電樞反應    2.5.1  直軸與交軸電樞反應磁通路徑    2.5.2  基于電樞反應計算確定勵磁磁勢的基本方法  2.6  轉子磁分路式切向結構混合勵磁同步電機的運行特性    2.6.1  瞬態(tài)場路耦合模型    2.6.2  空載特性    2.6.3  外特性    2.6.4  短路特性  2.7  基于三維有限元分析結果的MATLAB/Simulink建模方法    2.7.1  基于三維靜磁場分析的主氣隙磁通變化特性    2.7.2  基于三維瞬態(tài)場路耦合分析的同步電抗計算    2.7.3  MATLAB/Simulink建模方法  2.8  小結第3章  并列式混合勵磁同步電機  3.1  并列式混合勵磁同步電機的結構  3.2  并列式混合勵磁同步電機的磁路特點與運行原理  3.3  并列式混合勵磁同步電機中永磁同步電機    3.3.1  切向結構永磁同步電機的結構    3.3.2  切向結構永磁同步電機磁鋼厚度和氣隙磁密的關系    3.3.3  切向結構永磁同步電機的非導磁襯套    3.3.4  切向結構永磁同步電機輔助磁極的優(yōu)化    3.3.5  切向結構永磁同步電機的優(yōu)化    3.3.6  設計實例  3.4  電勵磁同步電機部分的三維場分析與設計規(guī)律    3.4.1  不同勵磁磁勢下氣隙磁場的變化規(guī)律    3.4.2  鐵心長度與氣隙磁場調節(jié)范圍的關系  3.5  軸向漏磁現(xiàn)象及其對磁場特性的特殊影響    3.5.1  軸向漏磁通的存在與路徑    3.5.2  雙向勵磁下軸向漏磁分布與三維場有限元分析    3.5.3  軸向漏磁對電勵磁部分調磁性能的影響    3.5.4  軸向漏磁對永磁部分氣隙磁場的影響  3.6  并列式混合勵磁同步發(fā)電機的運行特性    3.6.1  并列式混合勵磁同步發(fā)電機的結構尺寸    3.6.2  電勵磁同步發(fā)電機的空載和負載特性    3.6.3  并列式HESM運行模態(tài)的分析    3.6.4  并列式混合勵磁同步發(fā)電機中的永磁同步電機和電勵磁同步電機的三種組合方式    3.6.5  實驗驗證  3.7  并列式混合勵磁無刷直流發(fā)電機瞬態(tài)場仿真與實驗驗證    3.7.1  空載特性    3.7.2  外特性    3.7.3  永磁部分與電勵磁部分轉子相對位置問題  3.8  小結第4章  并列式混合勵磁雙凸極電機  4.1  并列式混合勵磁雙凸極電機的結構與原理    4.1.1  三相雙凸極電機結構    4.1.2  雙凸極電機的基本概念和定義    4.1.3  并列式混合勵磁雙凸極電機的數(shù)學模型  4.2  并列式混合勵磁雙凸極電機的靜態(tài)特性    4.2.1  空載磁場    4.2.2  空載磁鏈、感應電勢、電感特性  4.3  并列式混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機    4.3.1  雙凸極無刷直流發(fā)電機發(fā)電方式及運行原理    4.3.2  電勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的外特性和短路特性    4.3.3  并列式混合勵磁雙凸極電機發(fā)電工作的運行模式    4.3.4  混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的工作特性  4.4  并列式混合勵磁雙凸極無刷直流電動機的工作特性    4.4.1  雙凸極無刷直流電動機的構成    4.4.2  雙凸極無刷直流電動機的運行原理    4.4.3  單極性PWM控制時的電流拖尾現(xiàn)象    4.4.4  并列式混合勵磁雙凸極無刷直流電動機的機械特性和調速特性    4.4.5  雙凸極無刷直流電動機的效率特性  4.5  小結參考文獻

章節(jié)摘錄

　　電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場有兩種基本方法：一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場，稱為電勵磁方式；另一種是由經過磁化處理的永磁體產生磁場，稱為永磁勵磁方式。　　1821年，法拉第發(fā)現(xiàn)通電導線能繞永久磁鐵旋轉，第一次成功實現(xiàn)了電能向機械能的轉換，從而建立了電機的實驗室模型，被認為是世界上第一臺電機，其實質是永磁勵磁方式的永磁電機。其后30余年間，不斷有新結構形式的永磁電機出現(xiàn)，但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度很低，電機體積龐大、性能較差。1857年，英國惠斯通用電磁鐵代替永久磁鐵，發(fā)明了電勵磁方式，開創(chuàng)了電勵磁電機的新紀元。當時，電勵磁方式更容易在電機中產生足夠強的磁場，因此隨后的70多年間，電勵磁電機理論和技術得到迅猛發(fā)展，而永磁勵磁方式在電機中的應用則較少。一直到1967年和1983年，釤鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料（二者統(tǒng)稱為稀土永磁材料）相繼問世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能，從而使永磁電機的發(fā)展和應用進入一個新的歷史時期，永磁電機的品種和應用領域不斷擴大，正向大功率化、高功能化和微型化方向發(fā)展?？梢?，永磁電機和電勵磁電機-一直在技術進步和自身完善中不斷競爭發(fā)展。　　勵磁方式的不同使得電機輸出特性、功率密度以及效率等性能有很大區(qū)別。電勵磁電機通過改變勵磁繞組電流可以方便地調節(jié)氣隙磁場強度，從而實現(xiàn)寬范圍輸出電壓調節(jié)或調速特性，斷開勵磁回路可以有效滅磁，實現(xiàn)電機系統(tǒng)的短路和故障保護，但由于勵磁損耗的存在使得電機系統(tǒng)效率相對較低，難以實現(xiàn)高功率密度。永磁電機省去了勵磁繞組和勵磁電源，結構簡單，運行可靠，同時消除了勵磁損耗，提高了電機效率，功率密度大，結構形式靈活多樣。但是，由于永磁材料的固有特性，永磁電機制成后其氣隙磁場基本保持恒定，這導致發(fā)電運行時，電壓調節(jié)和故障滅磁困難；電動運行時，恒功率區(qū)較窄，調速范圍有限。因此，氣隙磁場難以調節(jié)和控制成為限制高性能永磁電機應用和推廣的重要技術瓶頸，從電機本體和控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，如何實現(xiàn)氣隙磁場的有效調節(jié)成為永磁電機研究領域的熱點和難點之一?！　　?/pre>








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