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新型无刷同步发电机
N.L.布朗和海多克
摘要：HB（Haydock Brown）机器结合了永磁体和绕制线圈的励磁，可提供单级无刷交流发电机。它为小型发动机驱动的发电机需求提供了高效紧凑的解决方案。简单的结构掩盖了一个相当不寻常的磁路，该磁路显示了激励源之间的复杂相互作用
存在饱和场和泄漏场。本文介绍了机器的配置和操作。介绍了一种基于集总参数磁等效电路模型的设计程序，并演示了标称额定值为6 kVA的满量程原型。
符号列表
Fa 电枢反应MMF，A
Fe 励磁线圈MMF，A
Fm 磁铁MMF，A
Sl1 转子盘背面磁阻，A / Wb
Sl2 转子盘到盘边缘的泄漏磁阻，A / Wb
Sl3 转子盘边缘到定子边缘的漏磁阻，A / Wb
Sl4 轴漏磁阻，A / Wb
Sl5 转子盘到定子的漏磁阻，A / Wb Sp 铁极下的气隙磁阻，A / Wb Sm 包括气隙的磁阻，A / Wb S泄露 漏磁阻，A / Wb
Ss 非线性轴磁阻，A / Wb
介绍
对于大多数现代交流发电机应用，要求电机无刷，紧凑，高效并且能够在各种负载条件下调节其输出电压。
常见的解决方案是缠绕场无电刷同步电机，它将两个单独的电机组合在一个公共的机架中。主定子和绕线转子提供铭牌VA额定值。励磁机具有旋转电枢，该电枢通过安装在轴上的二极管将励磁电流馈入主转子绕组。还可以包括小型永磁发电机，以向控制电子设备提供功率，该控制电子设备为励磁机的定子励磁绕组供电。这意味着“简单”无刷同步电机实际上可能包括三台同步电机。该系统提供了所需的控制能力，但最终的包装在物理上非常大，效率因励磁绕组损耗和第二（励磁）电机的存在而受到损害。尽管如此，由于没有电刷和有效的励磁控制能力，这使其成为绝大多数应用的首选选择，范围从几千伏安到数百兆瓦。
独立外部评价，2003年
IEE会议录在线编号。 20030847 doi：10.1049 / ip-epa：20030847
该论文于2002年4月16日首次收到，并于2003年7月15日以修订版收到。最初于2003年9月29日在线发表。
作者与英国斯坦福，林奇，PE9 2NB的Newage-AVK-SEG一起使用。
新型永磁材料的引入激发了高效，紧凑，无刷同步电机的发展。但是，由于缺少任何激励控制手段，因此无法将其用于最小流发电机应用。可以设计主输出线中的电力电子系统以提供所需的控制，但是对于大多数应用而言，目前这些系统成本太高。
此处描述的HB电机是一种尝试将永磁体与固定在定子上的励磁绕组结合使用以在单个电机中提供所需功能的尝试。它与活性材料真正整合在一起，占据了大部分可用体积，从而提供了良好的材料利用率和非常致密的结构。结构的简单性掩盖了一个复杂的磁路，由于在三维结构内存在三组MMF源，因此分析变得复杂，该MMF源易于饱和并产生明显的泄漏效应。
HB（Hydock Brown）机器[1]以发明人的名字命名，考虑到材料BH特性对机器操作的重大影响，这也是合适的。
励磁控制使HB机器可作为具有调节输出电压的独立同步发电机运行，或与市电并联。 HB机器的功能可提供有用好处的其他潜在应用包括不间断电源，混合动力汽车，风力涡轮机和变速集成发电机组[2]。在此类应用中，不需要固定输出频率，并且机器设计可自由使用更紧凑的多极结构。调节输出电压后，可将输出馈入不受控制的整流器中，并保持直流电压电平反演。因此，可从功率电子设备中省略控制整流器或直流稳压器。到目前为止，尚未对电动机的运行进行研究，主要考虑到发电机的应用，对电动机进行了设计和开发。目前尚不清楚是否可以将任何启动方式结合到机器中，因此其作为电动机的用途可能仅限于变频器供电的系统。然而，通过现场控制，可以实现简单的转矩控制。
文献评论
HB机器是一项新发明，因此以前没有进行过研究。但是，该概念与带有交流侧的双盘交流发电机有些相似
埃文斯和伊斯特汉姆[3]研究了激发。该定子拓扑类似于TORUS [4]，但由固定在定子上的绕线线圈激励，该线圈迫使磁通通过轴。两个桨叶在定子的任一侧形成转子，但并列一个极距。
HB机器也与美国专利[5]中讨论的一些概念相似，其中探讨了在永磁机器中实现磁场的方法。
HB配置
图1显示了4极布置的机器示意图。转子由两个安装在同一轴上的圆盘组成，并且完全是铁磁的。每个圆盘带有一组轴向朝着定子的交替的北极和南极。在一个磁盘上，两个北极是永磁体，两个南极是钢。北极与第二个圆盘的北极相对，但是，第二个圆盘的北极是钢，南极是永磁体。
第一个圆盘的钢南极和第二个圆盘的北极的励磁是通过一个围绕轴并固定在定子上的线圈来实现的。转子没有交流磁通，可以构造
开槽的
在槽中而不是在气隙中缠绕会以多种方式影响设计：
- 气隙磁动势要求较低。
由于主磁场，绕组不会受到涡流损耗的影响。
bull;
尽管与气隙绕组相比，导体的冷却效果不佳，但可以增加电负载，而不会明显损害磁路。
bull;
匝数和电线尺寸可以自由选择，以提供所需的输出电压。
bull;
绕组深度不会直接影响气隙，而增加的电负载不会导致磁动势相应增加。
bull;
- 绕组的机械支撑更加积极。
- 绕组在插槽中受到保护。
- 漏感较高。
- 定子的轴向长度更大。
- 齿纹可能会导致额外的磁极面损失。
- 磁通波形将叠加齿纹。
牙齿可能有很高的磁性负荷，铁损也会增加。
bull;
操作
定子导体
黑色金属 极
环形定子
永久磁铁
铁垫片
考虑图1和图2的展开的二维图。 2-5。物理布局已简化以阐明磁通路径。图2显示了由于低磁阻轴的永磁体引起的磁通分量。 MMF是单向的，并且将磁通从一个转子盘穿过气隙流到定子，定子在周向上通过并穿过第二气隙到达第二个盘上的磁体。路径通过轴完成。显示的来自永磁体的第二组磁通路径
轴
励磁线圈
转子板
铁杆开槽
定子
永磁极
通量设置
励磁线圈
磁通量
轴
图1机器结构
通过永磁体
黑色转子
前提条件是材料规格包括合适的磁性能。永磁体是烧结钕铁硼烧结而成的，具有很高的磁负载，从而实现了紧凑的机器设计。每个磁体下面都有一个铁质垫片，以减少极间泄漏。
定子是一个层叠的环形线圈，位于两个转子盘之间，并且在转子的北极和南极之间相切地承载磁通量。通过轧制单条电磁钢板，在所需方向上层压定子。当进行轧制过程时，通过分度冲压机在两个环形面上形成缝隙。与更传统的径向磁通同步电机相比，磁芯组件的制造简单明了，并且材料浪费显着降低。
图2磁励磁：低磁阻轴
如果轴是高磁阻的，则存在图3中的位置。在这里，磁通从磁铁穿过气隙进入定子，然后在相邻的铁极处穿过气隙回到同一圆盘。
轴
定子绕组是环形的，包括一组线圈，每个线圈在两个面上都占据一个槽。定子类似于TORUS [4]机器的定子，但与
永久性建立的通量
磁铁
没有磁铁
轴通量
TORUS机器在插槽中使用绕组。使用一个 图3磁励磁：高磁阻轴
图1和2中的磁通路径为2和3同时发生。但是，如果轴的磁阻较低，则图3中的路径将携带很少的磁通，但是，如果轴的磁阻较高，例如由于饱和，则大部分磁通将通过此方式。
图4显示了由于励磁线圈MMF而导致的磁通量路径。像磁通一样，它穿过两个
HB机器的一个设计关注点是，磁铁励磁和线圈励磁会在转子板上形成同极性MMF。因此，有效地，一个转子形成了北极，而另一个则形成了南极。该MMF在转子板之间引起大量漏磁通，并且是以下分析的重要部分。
建模
对建模方法的完整说明不在本介绍性文章的范围内，但是下面将对概述进行概述。
漏磁通
图4线圈励磁
励磁线圈磁通
磁等效电路
具有根据机器尺寸计算得出的参数值的电磁等效电路用作主要设计工具。磁等效电路用于：
气隙并通过轴完成其回路。它大部分穿过铁极处的气隙，因为它们的磁阻比穿过磁体的路径低得多。如图所示，少量的磁通量确实穿过磁体并穿过各种泄漏路径。励磁磁通沿着与磁通相反的方向穿过轴，因此它减小了总轴磁通。但是，在定子铁芯中，两个磁通分量相加。因此，在一台机器中无需电刷就可实现现场控制，而电刷的主要励磁来自永磁体。
图5显示了由于电枢反应MMF引起的磁通量，零功率因数负载而忽略了定子泄漏
- 计算由于PM和线圈励磁相结合的电枢磁链，
- 计算轴通量并确定所需的轴直径，以及
- 随后获得满负荷现场要求。
图7中给出了具有D轴电枢反应的电机的集总参数磁等效电路。请注意，此等效电路覆盖了已开发的
图5电枢励磁：D轴
电枢设置的磁通
图7
Fm
Fm
Ss
S泄漏
Sp
Sm
Sp
Sm
Fa Sm
Fa
Sp Fa
斯姆 Fa 服务提供商
Fe
Fm
Fm
HB电枢的电磁等效电路
电抗和电阻。图5也可以视为显示了直接（D）轴通量。当功率因数为零（带有感性负载）时，电枢MMF直接与励磁MMF相对，并且由于铁极的磁阻较低，轴中的电枢反应磁通量与磁通量的方向相同。
图6显示了由于电枢反应MMF导致的磁通量，单位功率因数负载忽略了定子泄漏
轴
D轴电流
为了清楚起见，图2-6的二维图。磁体由MMF源Fm 串联，磁阻与气隙和磁体Sm 组成。铁质极点由极弧Sp上方的空气阻隔性表示。该机器有4个磁极，因此，有两个转子，等效电路包括4个磁极和4个铁极。假定定子是无限可渗透的，并由电枢反应MMF Fa表示。轴磁阻Ss 和泄漏磁阻S泄露 都与磁极和定子平行。 S泄露 是等效的磁阻，它说明了由于整个电机上的单极MMF而导致的转子板之间的漏磁通。 Fe 是由绕轴的线圈产生的励磁MMF。
除轴中的所有磁路均已
电枢设置的磁通
图6电枢励磁：Q轴
轴无通量
假定为线性，以简化建模过程。这些电路不包括定子泄漏路径，但确实包含携带由励磁线圈驱动的磁通的泄漏路径。后者对于计算
电抗和电阻。该图显示了正交（Q）轴通量。在此，磁通被强迫进入每个圆盘上的极间区域，理论上零磁通进入轴。这是一个重要的观察结果，因为只有D轴上的磁通与轴激励相互作用。
总轴通量，并且由于饱和度是主要问题，因此必须将主通量和泄漏通量一起计算。定子泄漏通量可以单独计算，因为它没有通过任何易于饱和的区域。轴是磁路中的主要瓶颈。
独立电气工程师电力应用，卷。 150，第6号，2003年11月 631
从空载运行到满载运行的转换使轴磁通反向，并且在两种情况下都可能发生饱和，除非提供足够的横截面。
考虑单独使用磁铁励磁的情况，
Sl3 是指每个转子盘的边缘与定子铁心的边缘之间的泄漏，
Sl4 是指在轴与定子内表面之间通过的漏磁通，
图2和3。主要磁通路径通过轴，
图2.如果在整个过程中形成了重要的MMF
5号
指从转子盘轴向流到定子的磁通量
然后，将
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