混合勵磁電機技術

混合勵磁同步電機(hybrid excited synchronous machine HESM)是一種寬調速電機，它結合了永磁同步電機和電勵磁同步電機的優點，又克服了它們各自的缺點。因此，它在寬速度運行範圍的風力發電系統和電驅動系統具有廣闊的套用前景。混合勵磁同步電機的基本由於混合勵磁電機在結構上實現了電機氣隙磁場的直接調節與控制，突破了傳統永磁電機通過電樞電流矢量控制實現弱磁或增磁的局限，結構上可有多種實現方式。按照轉子(動子)的運動方向可分為旋轉式混合勵磁電機和直線式混合勵磁電機;從電機永磁體放置位置可分為轉子永磁型混合勵磁電機和定子永磁型混合勵磁電機。

基本介紹

• 中文名：混合勵磁電機技術
• 外文名：Hybrid ExcitationMotor Technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：電機勵磁控制
• 優點：調速範圍寬

背景

隨著新型稀土永磁材料欽鐵硼(NdFeB)性價比的不斷提高，永磁無刷直流(BLDG)電機和永磁同步(PMSM)電機等稀土永磁電機，以其體積小、效率高、動態回響特性好等優點在越來越多的工業馭動和伺服控制領域得到廣泛套用。但由於永磁材料的固有特性，永磁電機內氣隙磁場基木保持恆定，用作電動運行時，調速範圍有限，在諸如航空航大、電動汽車等需寬調速直接馭動場合的套用受到一定的限制;作發電運行時，電壓調整率較大，影響供電質量。如何實現氣隙磁場的有效調節與控制一直是永磁電機研究的熱點和難點。合理改變永磁電機結構，引入輔助電勵磁繞組，實現氣隙磁場靈活調節的“混合勵磁”思想的提出，得到國內外電機界學者的認可與關注，同時各國學者對各種混合勵磁電機結構及其控制系統進行了有益的探索與研究。近十年來，在權威期刊和國際會議上，不時有與混合勵磁電機相關的文章出現降。美國威斯康星大學著名電機專家T. A. Lipo教授在混合勵磁電機技術方而已經進行了卓有成效的研究，並有多項涉及混合勵磁電機及其套用的專利公布。此外，國外某些馭動系統公司還推出了相關的混合勵磁電機產品，目前，美國TIMKEN公司研發的盤式車輪轉子磁極分割型混合勵磁電機馭動系統已在電動汽車馭動領域獲得初步套用。

在系統闡述混合勵磁電機的基木特點的基礎上，介紹了混合勵磁電機磁場調節的一般原理;對幾種典型的混合勵磁電機結構、原理以及一般控制技術進行了分析，針對混合勵磁電機設計、分析與控制技術的研究現狀和存在的不足，探討了混合勵磁電機技術的發展趨勢和研究方向。分析表明，混合勵磁電機能繼承永磁電機的優點，克服永磁電機氣隙磁場難以調節的不足，在航空航大、電動汽車等場合具有套用前景。因此，對混合勵磁電機開展深入研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有工程推廣和實用價值。

混合勵磁電機與磁場調節原理

混合勵磁與混合勵磁電機

“字昆合勵磁”思想早在1988年便由俄羅斯學者提出，但目前尚缺乏相對統一的定義。在深入研究、分析現有的混合勵磁電機的基礎上，現給出“混合勵磁”以及“混合勵磁電機”的基木定義。混合勵磁，有時也稱組合勵磁或複合勵磁，是由兩種勵磁源相互作用，共同實現電磁能量轉換，是對單一勵磁(永磁勵磁或電勵磁)概念的有效拓寬與延伸。所謂混合勵磁電機，在保持電機較高效率的前提卜，改變電機的拓撲結構，由兩種勵磁源共同產生電機主磁場，實現電機的主磁場調節和控制，改善電機調速、馬扭動性能或調壓特性的一類新型電機。

與永磁電機比較，混合勵磁電機具有調節氣隙磁場的能力;與電勵磁同步電機相比，具有較小的電樞反應電抗。混合勵磁電機不僅能繼承永磁電機的諸多特點，而且具有電勵磁電機氣隙磁場平滑可調的優點，用作發電機，可獲得較寬的調壓範圍，在飛機、艦船和車輛中可作為獨立的發電系統。用作電動機，適合於作節能馭動使用，而其中的寬調速特性可以在電動汽車、武器設備伺服馭動等高要求場合套用。

氣隙磁場調節原理

混合勵磁電機存在兩種類型的勵磁源，一種是永磁勵磁源，另一種是電勵磁源，兩種勵磁源磁場在氣隙中共同作用產生電機內主磁場。

永磁電機氣隙磁密主要決定於永磁體，其數值不易改變。傳統的永磁同步電機實現寬調速，一般採用矢量控制策略，通過控制直軸電流分量產生的直軸去磁磁動勢削弱永磁磁場，維持高速運行時電機端電壓的平衡，實現弱磁調速。但是，一方而由於直軸上存在磁阻較大的永磁體，直軸電感較小，弱磁能力有限，調速範圍窄;另一方而，由於直軸電流分量的存在，使得電樞繞組電流加大，若弱磁時出現逆變失敗，系統失去弱磁控制能力，高速旋轉的永磁磁場會在電機繞組中感應出過高電壓，可能損壞變頻器等功率器件。混合勵磁電機的氣隙磁密由永磁體和電勵磁繞組共同產生，而轉速(或電壓)調節所需的磁場變化部分靠輔助的電勵磁繞組來實現。當電勵磁磁場方向與永磁磁場方向相同時，氣隙磁場增強;當電勵磁磁場與永磁磁場方向相反，氣隙磁場減弱。通過調節電勵磁繞組電流的大小和方向，一方而實現了電機磁場弱磁控制，使電機具有寬廣的恆功率調速範圍;同時還可以進行增磁控制，滿足馭動負載低速、大轉矩的要求。混合勵磁電機的磁場調節手段簡單、直接，實現了對電機氣隙磁場獨立調節與控制。

混合勵磁電機結構

混合勵磁電機基本類型

由於混合勵磁電機在結構上實現了電機氣隙磁場的直接調節與控制，突破了傳統永磁電機通過電樞電流矢量控制實現弱磁或增磁的局限，結構上可有多種實現方式。按照轉子(動子)的運動方向可分為旋轉式混合勵磁電機和直線式混合勵磁電機;從電機永磁體放置位置可分為轉子永磁型混合勵磁電機和定子永磁型混合勵磁電機。另外，從電機內永磁體磁勢與電勵磁磁勢相互作用關係來看，一般可歸結為三種類型，即:串聯磁路、獨立並聯磁路和串並聯混合磁路。對於串聯磁路，永磁體的磁勢與電勵磁產生的磁勢相串聯，共同形成氣隙磁場;對於獨立並聯磁路，通常存在徑向磁路和軸向磁路，永磁磁場磁路與電勵磁磁場迴路相互獨立，但在氣隙中相互作用，共同形成電機主磁場;對於串並聯混合磁路，永磁體磁路與電勵磁磁路既有串聯部分，又有並聯部分，共同形成電機主磁場。通過控制電勵磁繞組電流的大小和方向，實現電機氣隙磁場的靈活調節與控制。為便於分析和簡單分類，以永磁體放置位置為區分，即從轉子永磁型混合勵磁電機與定子永磁型混合勵磁電機來闡述混合勵磁電機的幾種典型結構形式。

轉子永磁型混合勵磁電機

轉子永磁型電機主要有，永磁同步電機、無刷直流電機、同步磁阻電機、爪極式永磁同步電機等。目前，以永磁同步電機、無刷直流電機為代表的永磁電機已廣泛用於工業馭動、伺服控制等場合。通過拓撲結構的改變，引入直流勵磁繞組，實現混合勵磁，能有效解決在寬調速馭動牽引場合等套用永磁同步電機、無刷直流電機等電機的限制，必將進一步拓寬永磁電機的套用場合。因此，研究轉子永磁型混合勵磁電機具有非常廣泛的工業套用前景。

日木學者T.Mizuno博士等提出了軸向/徑向磁路混合勵磁同步發電機，該電機的定子電樞繞組為通常的三相對稱繞組，定子鐵心被定子環形直流勵磁繞組分成兩段。這兩段鐵心由其外部的背扼(用於軸嚮導磁的機殼)在機械和磁上實現連線;轉子也分成兩部分:N極端和S極端，每極端由同極性永磁極和鐵心形成的中間極交錯排列且兩端的N, S永磁極及中間極也交錯排列，轉子鐵心及轉軸間有一實心導磁套筒，一般為具有良好導磁性能的電工純鐵製成，用於轉子的軸嚮導磁。

美國學者T.A. Lipo也對該種類型的混合勵磁同步電機進行了深入研究，提出一種帶中間極的軸向磁場混合勵磁同步電機。這種軸向磁場混合磁同步電機結構如圖2所示，它由二個開槽的嵌有多相電樞繞組的環形定子鐵心，二個盤式轉子、一個直流勵磁繞組構成。在轉子表而交錯排列著永磁極和鐵心形成的中間極。

電機轉子上的永磁體和定子上的電勵磁繞組產生的磁場在氣隙中是疊加的，共同作用形成電機的主磁場。與永磁極磁阻相比，鐵心極磁阻小得多，故直流勵磁磁通過鐵心極以及氣隙、定轉子鐵心形成迴路。當直流繞組中通入某一方向的勵磁電流時，若使得同一極卜，鐵心極和永磁極極性相反，則氣隙平均磁密減弱，起到弱磁的效果。若改變勵磁電流方向，則同一極卜鐵心極和永磁極極性相同，氣隙平均磁密增強，起到了增磁的效果。

瀋陽工業大學在日木和美國學者的提出結構的基礎上，對該種類型混合磁路永磁同步發電機進行了結構的最佳化和改進，對電機的原理、參數設計以及調壓特性進行了研究;上海大學黃蘇融教授與美國學者合作，在與美國TIMKEN公司合作研發盤式車輪電機的基礎上，提出盤式內轉子磁極分割型混合勵磁無刷電機;此外，又進一步提出了盤式內轉子雙饋電混合勵磁無刷電機，並申請了中國發明專利。

爪極式混合勵磁同步電機，主要有定子、轉子爪極、轉子磁扼、永磁體和勵磁繞組構成。其中定子含內、外兩部分，外定子與普通永磁電機的定子類似，槽中嵌有多相對稱繞組，內定子上放置環形直流勵磁繞組。轉子採用爪極結構，在相鄰的兩個爪極之間放置永磁體。當環形勵磁繞組中通電後，產生軸向磁通經轉子磁扼到達爪極，然後流經氣隙、定子鐵心、氣隙和爪極，回到轉子磁扼，如此形成一個迴路，在爪極表而上形成N, S交替的極性。勵磁電流所產生的磁通與永磁磁通在磁路上呈並聯關係，氣隙磁場為兩者之和，通過控制勵磁繞組中電流的大小和方向可靈活地調節氣隙磁密。由於直流勵磁繞組置於由爪極的內外單元所形成的區域內，空間利用率高、結構緊湊。合肥工業大學工群京教授對該混合勵磁結構的爪極電機進行深入研究，採用三維有限元和三維等效磁網路方法分別對混合勵磁爪極發電機電磁特性進行了研究。

哈爾濱工業大學的程樹康教授也較早地對一種軸徑向氣隙混合磁路多邊禍合電機進行了研究，建立了混合磁路電機的非線性模型，對其性能參數與電機電磁轉矩提升關係進行了分析與實驗驗證。

此外，浙江大學葉雲岳教授在永磁直線電機的基礎上，提出了結構新穎的混合勵磁直線同步電機，利用有限元方法對電機磁場分布和電磁推力進行了分析和計算。

定子永磁型混合勵磁電機

定子永磁型電機，永磁體位於定子，定、轉子一般呈雙凸極結構，轉子結構簡單，既無永磁體，也無勵磁繞組，具有較低的轉動慣量和快速動態回響特性。定子永磁型電機主要類型有:雙凸極永磁電機、磁通切換電機、磁通反向電機。最新研究結果表明定子永磁型電機具有功率密度高，結構簡單、容錯性能好、控制靈活等優點，正日益受到重視，並在航空航大、風力發電以及電動汽車馭動等領域得到初步套用。然而與轉子永磁型電機一樣，氣隙磁場的有效調節也是定子永磁型電機研究難點之一。在定子永磁型電機結構的基礎上，通過改變電機結構，引入混合勵磁思想，進一步拓寬定子永磁型電機的套用場合，同樣具有十分重要的理論意義和工程套用價值。

混合勵磁電機控制技術

通用控制策略

混合勵磁電機不僅存在電樞繞組，還有調節磁場的輔助電勵磁繞組，與永磁電機相比，增加了一個可控勵磁電流變數，在控制上，可以分別對電樞繞組電流和勵磁繞組電流進行獨立控制，也可以根據系統性能要求實現電樞電流和勵磁電流的協調控制。因此，控制方法上更加靈活多樣。目前對混合勵磁電機控制技術的研究，主要集中在對轉子永磁型混合勵磁同步電機及其馭動控制系統的研究上深入理解轉子永磁型混合勵磁同步電機的數學模型和控制方法，有助於研究和建立混合勵磁電機馭動系統的一般控制規律。

混合勵磁電機控制的關鍵在於通過電樞電流與勵磁電流適當地協調控制，滿足不同變速馭動系統特定的性能指標。

混介勵磁電動機變速驅動系統結構框圖

右圖為混合勵磁電機變速3動系統典型控制原理框圖。由於可控電勵磁電流變數的引入，系統需要增加額外的勵磁電流分配控制器和勵磁電流控制器對勵磁電流進行調節與控制，雖然控制手段更加靈活，但也增加了控制系統的複雜性。

控制技術套用與分析

法國學者Y. Amara在提出的轉子永磁型混合勵磁同步電機結構的基礎上，對該混合勵磁同步電機進行了弱磁控制分析與研究。採用電樞電流保持恆定、轉矩最優以及效率最優等三種控制策略分別對該電機的調速性能與弱磁能力進行分析。結果表明，通過快速、動態調節勵磁電流大小和方向，實現了電機的深度弱磁控制，使電機具有更寬廣的恆功率調速範圍，有效克服了永磁電機通過電樞電流矢量控制實現弱磁控制能力有限的不足，同時也避免了永磁體產生不可逆去磁的危險。

香港大學陳清泉教授、上海大學江建中教授等對爪極式混合勵磁同步電機進行了深入研究，並將其套用於電動汽車馭動系統。在利用自尋優算法實現效率最優控制的基礎上又採用模糊控制算法對該混合勵磁電機進行效率最大化控制。該馭動系統將速度偏差和轉矩的偏差作為模糊控制的輸入量，通過模糊控制器，得到不同工作區域下系統效率最大化所期望的電樞電流和直流勵磁電流量;對電樞電流仍採用矢量控制，對勵磁電流採用滯環控制，通過勵磁電流與電樞電流的線上協調控制，實現了電機效率的最大化，提高了電機的馭動性能。

此外，有文獻對混合勵磁電機提出了非線性解禍控制方法，建立了該混合勵磁同步電機在d-q坐標卜，直流勵磁電流保持穩定時的仿射非線性系統的數學模型，採用非線性系統的微分幾何方法實現了混合勵磁電機電樞電流、直流勵磁電流的非線性解禍控制，並進行了驗證分析。廣東工業大學李優新教授對混合勵磁無刷直流電機也進行了研究，提出了該電機的調磁、調速與調壓之間的動態最佳化控制策略。在基速以卜，維持勵磁電流為零，通過調節電樞電壓和電流滿足負載的要求;當系統短時過載時，通過增磁方式實現電機的低速、大轉矩。在基速以上，在保持電樞最大電壓不變的條件下，通過弱磁控制實現系統寬調速運行，同時保證了系統高速運行所需要的功率。

與上述轉子永磁型混合勵磁電機相比，對定子永磁型混合勵磁電機及其控制系統的研究尚處在初級階段，但同樣可借鑑轉子永磁型混合勵磁的控制方法對其進行研究。根據系統的性能指標，實現電樞電流與勵磁電流的協調控制。此外，雙饋電機、電勵磁同步電機以及直流電機的電樞電流與勵磁電流協調控制的方法也對混合勵磁電機的控制具有重要的參考價值。

需要指出的是:由於電勵磁繞組的存在，電機進行弱磁和增磁控制時，存在額外勵磁損耗，在同一工作點，混合勵磁電機的效率將低於同類型的永磁電機。因此，混合勵磁電機的效率這裡可以理解為能量效率(如對於電動汽車，可對應為一次充電所能續行的里程)，與永磁電機相比，混合勵磁電機的高效率不是一個具體的工作點，應理解為一個高能量效率區域。為提高混合勵磁電機的能量效率，一方而，可通過最佳化混合勵磁電機的結構，提高電勵磁的效率，減少勵磁損耗，實現較小的電勵磁獲得較大的磁場調節能力;另一方而，通過馭動系統中勵磁電流分配控制器的設計，通過電樞電流和勵磁電流協調控制，實現馭動系統的線上效率最佳化，在寬調速範圍內保持較高效率。雙凸極混合勵磁電機由於勵磁損耗的存在，系統在低速區效率明顯低於永磁電機;在額定工作區附近，兩電機效率基木相同;對於雙凸極永磁電機，調速範圍較窄，電機的效率在偏離額定工作點後明顯卜降;而混合勵磁電機，通過電樞電流與勵磁電流的協調配合，在較寬的範圍內保持了電機的較高效率。

混合勵磁電機技術發展趨勢

總體而言，由於我國在混合勵磁電機方而的研究起步較晚，同時，受到國內材料、加工製造技術落後等不利因素的影響，我國在混合勵磁電機方而的研究，力度不夠，水平不高，尚無成熟產品。

在永磁電機基礎上提出的混合勵磁電機，其實質並不是一類新型電機，是原有永磁電機結構合理的改變，通過輔助電勵磁繞組的引入，達到改善永磁電機馭動或調壓性能的目的。因此，對永磁型混合勵磁電機，需要繼承研究永磁電機的一般方法、原理以及成果。隨著對混合勵磁電機研究的不斷深入，新的研究成果的誕生，同時也將有力促進永磁電機設計、控制技術的發展。但混合勵磁電機的設計、分析與控制技術的研究也有不同於永磁電機的特點，主要表現在：

1)合勵磁電機的合理結構的研究。混合勵磁電機，由於引入電勵磁繞組，需要對永磁電機的結構作適當的最佳化和改變。在永磁同步電機、無刷直流電機、永磁式直線電機、爪極式永磁同步電機、定子永磁型雙凸極電機等結構進行深入分析的基礎上，結合永磁材料技術和鐵心軟磁材料等技術的最新發展，探索合理的混合勵磁電機結構，有效提高原有永磁電機的性能。在分析方法上，可採用大型有限元分析軟體如ANSYS等對電機建模，採用最新的瞬態聯合仿真技術對不同混合勵磁電機結構進行分析，探索電勵磁與永磁比例對混合勵磁性能影響的一般規律，建立混合勵磁電機動、靜態特性分析的一般方法。

2)混合勵磁電動機變速馭動控制技術的研究。混合勵磁電機存在電樞繞組和勵磁繞組，需要對電樞電流以及勵磁電流進行控制。一方而建立雙向快速勵磁電流控制為核心的勵磁控制器;同時對電樞電流和勵磁電流進行協調控制，建立寬調速變速3動系統主控制器。根據不同混合勵磁電機結構型式和馭動系統的性能要求，研究混合勵磁電動機調速系統控制的一般規律，採用現代控制理論方法和採用而向電機控制的最新數位訊號處理器研發模組化、集成化的控制器，最佳化軟、硬體結構，提高系統抗干擾能力和可靠性。

3)合勵磁電機效率最佳化技術的研究。前而給出的混合勵磁電機定義，強調了在保持電機效率的前提下，實現電機性能的改善和最佳化。忽視電機的效率，片而強調電機的磁場調節能力和寬調速運行範圍，沒有研究意義和套用價值，因此需對混合勵磁電機的效率和功率密度開展深入的研究。混合勵磁電機電磁轉矩由電樞電流和勵磁電流共同產生，研究電樞電流和勵磁電流的協調控制策略，探索在給定轉矩下電樞電流與勵磁電流給定的一般規律，獲得電機效率最優分布圖，實現電機的線上效率最佳化，使混合勵磁電機在寬調速範圍內保持電機的較高能量效率。

4)合勵磁電機可靠性技術研究。隨著對混合勵磁電機研究的不斷深入以及套用領域的不斷拓寬，特別是航空航大、電動汽車等需連續高速運轉的場合中，對系統可靠性及其容錯能力要求逐漸提高。因此，在滿足套用場合混合勵磁電機寬調速性能、轉矩以及功率等要求的前提下，提高混合勵磁電機的可靠性，研究具有容錯結構和能力的混合勵磁電機及其相應的智慧型控制策略，同樣也是混合勵磁電機研究方向和熱點之一。

結語

混合勵磁電機不僅能繼承永磁電機的諸多特點，而且勵磁可調，用作發電機可提供恆壓電源;用作電動機具有起動轉矩大、調速範圍廣的優勢。在許多工業領域和航空航大、艦船等軍事領域具有廣闊的套用前景。目前，已出現了多種不同結構類型的混合勵磁電機，其基木特性也得到了初步的分析。此外，對混合勵磁電機設計、分析與控制和套用研究也有了一定的進展。但總體而言，混合勵磁電機以及產品尚處在初級階段，隨著對混合勵磁電機研究的不斷深入，混合勵磁電機的綜合性能將不斷提高，也必將有力推動混合勵磁電機及其馭動控制技術的發展。因此，對混合勵磁電機開展研究，具有重要的理論意義和工程推廣價值。