混合励磁同步电机及其控制技术综述和新进展_赵纪龙 (1)

文章编号：0258-8013 (2014) 33-5876-07
混合励磁同步电机及其控制技术综述和新进展
赵纪龙，林明耀，付兴贺，黄允凯，徐妲
(东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，江苏省 南京市 210096)
An Overview and New Progress of Hybrid Excited Synchronous Machines and Control Technologies
ZHAO Jilong, LIN Mingyao, FU Xinghe, HUANG Yunkai, XU Da
(Engineering Research Center for Motion Control of MOE, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: The hybrid excited synchronous machines (HESMs) can operate in a wide-range speed, which incorporates the advantages of the permanent magnet synchronous machine (PMSM) and the electrical excitation synchronous machine (EESM), and avoids their shortcomings. So it has been widely applied in power generation and drive systems over a wide range of speeds. In this paper, the basic characteristics of HESM are discussed, and several kinds of the typical structure and operation principles of HESM are analyzed. A novel topology of HESM is proposed. The mathematic model of HESM is derived. Based on stage control, the control system is established. Several control strategies are analyzed in both low and high speed regions. Based on the analysis of the problem existing in the control technology of HESM, a novel efficiency optimization control strategy of HESM is proposed. At last, the study direction and tendency of HESM and its control technology are discussed. The application prospect of HESM is predicted. KEY WORDS: hybrid excited synchronous machine (HESM); permanent magnet synchronous machine (PMSM); electrical excitation synchronous machine (EESM); machine structure; flux-weakening; efficiency optimization 摘 要 ： 混 合 励 磁 同 步 电 机 (hybrid excited synchronous machine，HESM)是一种宽调速电机，它结合了永磁同步电 机和电励磁同步电机的优点， 又克服了它们各自的缺点。 因 此， 它在宽速度运行范围的风力发电系统和电驱动系统具有 广阔的应用前景。 该文主要论述了混合励磁同步电机的基本 特点， 分析了几种典型的混合励磁同步电机的结构及工作原
1 混合励磁同步电机的分类
1.1 串联磁势式混合励磁同步电机 根据混合励磁同步电机中永磁磁势和电励磁 磁势在磁路上的相互作用关系，可将混合励磁同步 电机分为串联磁势式和并联磁势式两大类。 串联磁势式混合励磁同步电机 (series hybrid excitation synchronous machine，SHESM)是指永磁 磁势与电励磁磁势在磁路上呈串联关系的 HESM。 图 1 所示为永磁体与励磁绕组都安放在转子上 的串联磁势式混合励磁同步电机[13-14]，该结构电机 的电刷与滑环和直流励磁源相连接。弱磁运行时， SHESM 最大转速可以达到额定转速的 2.2 倍。为了 改进这类有刷电机结构， 文献[15]提出了一种永磁体 与励磁绕组都位于定子上的 SHESM， 转子既无绕组 也无永磁体，取缔了电刷与滑环，结构简单可靠。 这种结构类型电机的电励磁磁势和永磁磁势 呈串联关系，电励磁绕组产生的磁通要直接穿过永 磁体，而永磁体的磁导率接近空气，磁阻大。 因此， 为了混合励磁运行，励磁绕组必须注入足够大的电
(a) 截面图
5878
铁心极 N 极端 N S 极端
中
S 极永磁体
国
电Hale Waihona Puke 机工程学
报
永磁体 外定子 内定子
第 34 卷
S
N 铁心极 S N 极永磁体 (b) 定转子结构
铁心极 励磁绕组 转子
(a) TORUS N-S 结构
图2
转子磁极分割型混合励磁同步电机 Topology of CPPMHESM
Fig. 2
基金项目：国家自然科学基金项目(50977010，51277025)；高等学 校博士学科点专项科研基金资助课题(20120092110041)；江苏省科技计 划项目(BE2011140)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50977010, 51277025); The Doctoral Scientific Fund Project of the Ministry of Education of China (20120092110041); Science and Technology Support Plan of Jiangsu Province (BE2011140).
第 34 卷 第 33 期 5876 2014 年 11 月 25 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.33 Nov.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 351
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.33.010
心极 2气隙定子铁心定子背轭。该电机结构 简单，永磁磁路和电励磁磁路的磁阻较小，电励磁 效率较高。但弱磁时，部分磁路容易饱和，弱磁性 能较差，且励磁绕组安装空间有限，增加电励磁比 例的同时， 加大了电机体积， 降低了电机功率密度。 日本学者 T.Mizuno 对该电机进行了拓扑研究， 并将其应用于电动汽车[17]； 美国学者也对该电机进 行了大量研究， 并将 CPPM 混合励磁同步电机分为 径向磁场和轴向磁场两类。 径向磁场 CPPM 拓扑结 构如图 3 所示[18-19]，该电机的电枢绕组为三相对称 绕组，定子被环形直流励磁绕组分成两部分，转子 分为 N 极端与 S 极端两部分， 每极端由同极性永磁 极和铁心交错排列。两个磁势源的磁路相对独立， 并联提供磁通，共同形成主磁场。
0 引言
永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻 和效率高等优点，受到了国内外学者的重视，并被 越来越多的应用于工业领域。在电力牵引、主轴驱 动、风力发电等系统中，需要电机在宽速度范围内 运行。在基速以上，永磁同步电机只能通过 d 轴电 流弱磁来提高电机转速，但永磁体磁阻很大，气隙 磁场调节困难；另一方面，过大的 d 轴电流可能引 起永磁体永久退磁。所以，永磁同步电机很难在宽 速度范围内运行。传统的直流电机可以通过改变励 磁电流来调节速度，电励磁同步电机同样也可以通 过改变励磁电流调节气隙磁场强度，实现宽调速运 行。但是，励磁损耗的存在降低了电机的效率，很 难实现电机的高功率密度和高效率运行，其应用也 受到一定限制。由于永磁同步电机与电励磁同步电 机都存在各自的缺陷，因此学术界一直在寻找一种 结合它们的优点同时又克服各自缺点的新电机。 早在 20 世纪 80 年代末，美国学者提出了“混 合励磁” 的思想[1]。 混合励磁同步电机(hybrid excited synchronous machine，HESM)，又称组合励磁同步 电 机 或 双 励 磁 同 步 电 机 (double excitation synchronous machine，DESM)，是指将永磁与电励
图1 串联磁势式混合励磁同步电机 Fig. 1 Topology of SHESM
流，这样就会产生一个很大的额外铜耗。同时，励 磁绕组注入过大电流，有可能会使永磁体永久退 磁。国内外学者对此类结构电机的研究较少。 1.2 并联磁势式混合励磁同步电机 并联磁势式混合励磁同步电机(parallel hybrid excitation synchronous machine，PHESM)，是指永 磁磁势与电励磁磁势在磁路上呈并联关系的 HESM。 励磁绕组产生的磁通并不直接穿过永磁体， 所以不存在退磁问题。相互并联的磁路结构，便于 实现电 机的 增磁与 弱磁 运行， 其弱 磁能力 优于 SHESM。PHESM 的永磁体设置也比较灵活，既可 以放置在定子上， 也可以在转子上， 结构形式多样。 不同 PHESM 的拓扑结构具有不同的特点。目前， 针对混合励磁同步电机的研究主要集中在 PHESM 类型。 1989 年英国学者 E.Spooner 提出了一种受到广 泛 关 注 的 转 子 磁 极 分 割 型 (consequent pole permanent magnet，CPPM)并联磁势混合励磁同步 电机[16]， 如图 2 所示。 该电机的永磁体位于转子上， 与铁心极交错排列，结构较为简单，励磁绕组放置 在定子上，在定子外层设有导磁背轭。 该电机的永磁磁通路径为： 永磁 N 极气隙 定子铁心定子背轭定子铁心气隙永磁 S 极 转子轭永磁 N 极；电励磁路径为：定子背轭 定子铁心气隙转子铁心极 1转子轭转子铁