混合勵磁永磁發(fā)電機的設計與性能分析

王惠軍 劉劍峰 劉西全 姚 麗 林 巖

（1.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 1001912.丹佛斯（天津）有限公司，天津 301700）

稀土永磁電機由于是永磁體勵磁，沒有勵磁損耗，因此效率高于電勵磁電機，而且具有結構簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點，從而在許多工業(yè)領域得到了應用。在發(fā)電機運行中為了保持電壓不變，需要進行電壓調(diào)節(jié)，對于永磁發(fā)電機來說，轉速的變化或負載電流的變化會造成輸出電壓的變動，但由于永磁電機的氣隙磁場是由永磁體和磁路磁導決定的，調(diào)節(jié)氣隙磁場困難而導致電壓調(diào)節(jié)困難，從而阻礙了永磁發(fā)電機的發(fā)展和應用[1-3]。因此開發(fā)一種綜合這兩種電機的優(yōu)點又能克服其缺陷的發(fā)電機——混合勵磁永磁同步發(fā)電機，無疑是有意義的。

近年來，國內(nèi)外學著對混合勵磁發(fā)電機結構進行了深入的研究。文獻[4]提出了多種交流與直流混合的電機結構，但其磁路較長，并且有較大的漏磁通。文獻[5-7]提出了各種各樣的混合勵磁結構，但結構均都比較復雜。文獻[8]提出了一種鐵磁極與永磁磁極交互排列的混合結構，但由于鐵磁極與永磁極長度一樣，導致功率密度較低。

因此，本文提出了一種氣隙磁通可調(diào)節(jié)的混合勵磁發(fā)電機結構。這種發(fā)電機氣隙磁場包括兩部分：主要部分由永磁體建立，稱為永磁主發(fā)電機部分；電壓調(diào)節(jié)所需要的磁場變化部分由輔助的電勵磁繞組來實現(xiàn)，稱為輔助發(fā)電機或輔助電勵磁部分，兩部分共有一套電樞繞組。在深入分析其結構與原理的基礎上，建立了其電磁數(shù)學模型。同時，利用三維有限元分析軟件對其磁場分布與調(diào)節(jié)特性進行研究。最后，通過一臺7.5kW的樣機的試驗結果驗證了其結構的合理性。

1 結構及原理

圖1是提出的混合勵磁發(fā)電機結構。從該圖可以看出，定子電樞繞組為三相對稱繞組。定子被環(huán)形直流勵磁繞組分成兩部分，定子兩段鐵心由其外的背軛在機械和電磁上相連接；轉子分成N極端和S極端兩部分。每極端由同極性永磁體和鐵磁極交錯排列，且兩端的 N、S永磁體和鐵磁極也相互錯開。轉子鐵心和轉軸之間有導磁性能好的轉子背軛，用于轉子的軸向導磁。當調(diào)節(jié)直流勵磁電流的大小和方向時，合成氣隙磁密就會相應地增大或減小。

圖1 混合勵磁發(fā)電機結構

下面將詳細分析不同直流勵磁電流時，混合勵磁永磁同步發(fā)電機的磁場分布情況。

1）當直流勵磁電流為零時，氣隙磁場只由永磁體產(chǎn)生，此時磁場分布如圖2所示。

圖2 永磁磁通分布

2）當直流勵磁電流小于零時，同一極端鐵磁極磁場方向與永磁體相同。對于定子繞組而言，同一線圈下磁場極性相反，氣隙有效磁場減弱。當直流勵磁電流大到一定數(shù)值時，電勵磁磁場與永磁體磁場相等，氣隙有效磁場變?yōu)榱?，此時的磁場分布如圖3所示。

圖3 退磁模式時磁通分布

3）當直流勵磁電流大于零時，同一極端鐵磁極磁場方向與永磁體相反。對于定子繞組而言，同一線圈下磁場極性相同，氣隙有效磁場增強。當直流勵磁電流大到一定數(shù)值時，電勵磁磁場與永磁體磁場相等，此時的磁場分布如圖4所示。

圖4 增磁模式時磁通分布

2 電磁設計

混合勵磁發(fā)電機的性能特性主要取決于永磁磁場和電勵磁磁動勢。因此，基于上述結構及原理，本節(jié)推導了該種發(fā)電機的等效磁路模型，對調(diào)節(jié)特性進行預測與分析。圖5是其等效氣隙磁通圖。從該圖可以看出，區(qū)域2是磁通可調(diào)節(jié)區(qū)域，區(qū)域1和區(qū)域3是磁通固定區(qū)域。

圖5 等效氣隙磁通分布

對于區(qū)域 1和 3，其磁路等效可參考常規(guī)表貼式永磁發(fā)電機。發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性主要取決于區(qū)域2，其磁通分為永磁和電勵磁兩部分。因此，區(qū)域2的等效磁路如圖6所示。

圖6 區(qū)域2的等效磁路

從圖6可以看出，區(qū)域2的永磁磁通Φg2-PM可以表示為

式中，符號“║”表示并聯(lián)關系。Rr和 Rs分別表示轉子、定子磁阻。Rgl是漏磁阻。Rg是氣隙磁阻。RPM-pole和 Riron-pole分別是永磁體和鐵磁極的磁阻。Raxial是合成的軸向氣隙磁阻。FPM和 Firon分別是永磁體及鐵磁極產(chǎn)生的磁動勢。

永磁體的磁動勢及對應的磁通可表示為

因此，區(qū)域2部分永磁體表面的氣隙磁密可表示為

基于上述相同原理，區(qū)域2部分電勵磁磁通可表示為

而電勵磁磁動勢可表示

相對應的鐵磁極表面的氣隙磁通可表示為

因此，區(qū)域2部分總的合成磁通及磁密可表示為

圖7是3D有限元分析和磁路分析模型的結果比較。從該圖可以看出，磁路模型的計算值與有限元的計算結果比較吻合。在直流勵磁電流發(fā)生變化時，永磁體表面的氣隙磁通基本保持不變。同時，空載時其調(diào)節(jié)特性呈線性變化，與前面的分析結論基本一致，從而說明所建立模型的正確可靠。

圖7 有限元與等效磁路模型的結果比較

3 有限元分析及試驗驗證

為了準確分析樣機的性能，利用 3D有限元軟件對磁場調(diào)節(jié)特性進行分析。圖8是其網(wǎng)格剖分。圖9是3種工作模式下的氣隙磁場分布。從該圖可以看出，提出的結構具有較好的磁場調(diào)節(jié)能力。

圖8 3D有限元網(wǎng)格剖分

圖9 不同模式下的氣隙磁密分布

基于上述理論分析，開發(fā)了一臺功率為7.5kW、4極混合勵磁發(fā)電機樣機，表1是樣機的設計參數(shù)。

在試驗中，利用一臺11kW三相永磁同步電動機作為原動機。為了測量發(fā)電機的輸入轉矩，在軸連接處安裝了一臺100N·m的轉矩測量儀。圖10是測試平臺。圖11是樣機的測試結果，從圖中可以看出，樣機具有較好的調(diào)節(jié)特性。

表1 樣機的主要設計參數(shù)

圖10 試驗測試平臺

圖11 樣機空載時的調(diào)節(jié)特性

4 結論

本文提出了一種混合勵磁發(fā)電機結構。在對其結構與原理研究的基礎上，建立了其等效磁路模型。通過 3D有限元軟件，對其磁場分布及調(diào)節(jié)特性進行了深入分析。從仿真與試驗結果來看，所提出的結構具有較好的磁場調(diào)節(jié)能力。

[1]N. Naoe, T. Fukami. Trial Production of a Hybrid Excitation Type Synchronous Machine. Proceedings of IEMDC’2001, France.International Academic Publishers,2001:545-547.

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[6]Z.R. Zhang, Y.G. Yan, S.S. Yang and B. Zhou,“Principle of Operation and Feature Investigation of a New Topology of Hybrid Excitation Synchronous Machine,” IEEE Trans. Magn., vol.44, no.9, pp.2174-2180, Sep. 2008.

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