兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及分析

寧銀行, 劉　闖, 干興業(yè)

(南京航空航天大學(xué) 航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

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兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及分析

寧銀行, 劉闖, 干興業(yè)

(南京航空航天大學(xué) 航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

摘要:為利用永磁電機(jī)的高功率密度、高效率以及電勵(lì)磁電機(jī)電壓易于調(diào)節(jié)的特性, 提出一種混合勵(lì)磁同步電機(jī). 主電機(jī)采用混合勵(lì)磁同步電機(jī), 為主電機(jī)提供勵(lì)磁的勵(lì)磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電樞式交流電機(jī). 介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并采用有限元法對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布特征及調(diào)磁能力等進(jìn)行計(jì)算和分析.根據(jù)理論分析試制樣機(jī), 測(cè)試主電機(jī)的調(diào)壓特性、勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁特性以及兩級(jí)式運(yùn)行時(shí)的空載特性. 有限元計(jì)算結(jié)果以及針對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明: 主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)能夠可靠地匹配運(yùn)行; 可以在永磁磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上, 通過(guò)電勵(lì)磁有效地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng), 滿足調(diào)壓的需求. 采用有限元法, 研究主電機(jī)轉(zhuǎn)子外形以及勵(lì)磁機(jī)的定子齒寬對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響規(guī)律. 結(jié)果表明: 對(duì)于主電機(jī), 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子外緣形狀能夠有效地降低氣隙磁密的總的諧波畸變率(THD),同時(shí)應(yīng)兼顧氣隙磁密基波的變化; 對(duì)于勵(lì)磁機(jī), 選擇合理的定子齒寬系數(shù)有助于勵(lì)磁能力的提高.

關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁; 同步電機(jī); 電磁特性; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 有限元

受永磁體的固有特性影響, 永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)基本保持恒定.在電動(dòng)運(yùn)行時(shí), 不適用于諸如電動(dòng)汽車等需寬范圍調(diào)速的應(yīng)用場(chǎng)合; 在發(fā)電運(yùn)行時(shí), 負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化等也會(huì)導(dǎo)致電壓的波動(dòng). 為實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)與控制, 美國(guó)學(xué)者提出了“混合勵(lì)磁”思想[1-2], 即對(duì)永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整, 引入輔助電勵(lì)磁繞組, 得到了電機(jī)界學(xué)者的認(rèn)可與關(guān)注. 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有永磁發(fā)電機(jī)的功率密度高、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)又具有電勵(lì)磁電機(jī)電壓可調(diào)的特點(diǎn). 在航空航天[3]、艦船、電動(dòng)汽車以及風(fēng)電[4]等領(lǐng)域中, 具有較好的應(yīng)用前景[5].

各國(guó)學(xué)者對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)開(kāi)展了有益的探索與研究. 從電勵(lì)磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)相互關(guān)系的角度看, 混合勵(lì)磁電機(jī)主要有串聯(lián)式、并聯(lián)式和并列式[6]. 混合勵(lì)磁電機(jī)的拓?fù)浞桨副姸? 諸如磁通切換類[7]、雙凸極類[8]、開(kāi)關(guān)磁阻類[9]等結(jié)構(gòu), 該類電機(jī)屬于定子永磁型, 轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)電勵(lì)磁繞組, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[10]. 此外, 轉(zhuǎn)子磁極分割式[11]、爪極式[12-13]、磁分路式[14-15], 永磁-感應(yīng)子式[16-17]等“同步型”混合勵(lì)磁電機(jī), 為轉(zhuǎn)子永磁型, 工作時(shí)定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極同步運(yùn)行, 功率因數(shù)可控性好. 對(duì)于此類混合勵(lì)磁同步電機(jī), 永磁體多位于轉(zhuǎn)子, 但“電勵(lì)磁繞組”所在的位置則是多種多樣, 有的位于靜止部件[14-15], 有的位于轉(zhuǎn)子部件[18-19]. 前者較好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化[20-21], 勵(lì)磁方便、簡(jiǎn)單, 但是大多存在“軸向磁路”, 磁路長(zhǎng)且轉(zhuǎn)子鐵心多為塊狀[22]. 勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子的混合勵(lì)磁同步電機(jī)[23-24], 磁路短, 調(diào)磁效率高, 但需要解決“無(wú)刷化勵(lì)磁”.

針對(duì)這一問(wèn)題, 借鑒廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船等領(lǐng)域的三級(jí)式電勵(lì)磁同步電機(jī)方案[25-26], 研究?jī)杉?jí)式混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī),對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹；采用有限元法(finiteelementmethod,FEM)計(jì)算和分析電機(jī)的磁場(chǎng)分布特征及調(diào)磁能力. 對(duì)主電機(jī)的調(diào)壓特性、勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁特性以及兩級(jí)式工作模式時(shí)的空載特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果基本吻合.最后,采用有限元法研究主電機(jī)轉(zhuǎn)子外緣形狀以及勵(lì)磁機(jī)定子齒寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響規(guī)律,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參考．

1電機(jī)結(jié)構(gòu)及其研制

如圖1所示為兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁電機(jī). 為主電機(jī)提供勵(lì)磁的勵(lì)磁機(jī), 采用旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī); 主電機(jī)采用混合勵(lì)磁同步電機(jī). 在電勵(lì)磁為零時(shí), 主電機(jī)內(nèi)存在永磁磁通, 可為勵(lì)磁機(jī)提供所需的勵(lì)磁電源, 從而省去三級(jí)式發(fā)電機(jī)中的永磁副勵(lì)磁機(jī)[27-28], 簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu).

1-勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組; 2-勵(lì)磁機(jī)電樞繞組; 3-永磁體; 4-主電機(jī)勵(lì)磁繞組; 5-主電機(jī)電樞繞組圖1　兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)Fig.1　Schematic of two-stage brushless hybrid excitation synchronous machine

1.1主電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖2所示為主電機(jī)的二維結(jié)構(gòu), 其特征主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子上, 通過(guò)調(diào)整極靴形狀, 在相鄰電勵(lì)磁磁極之間嵌入永磁體, 永磁體磁化方向和電勵(lì)磁電流正方向如圖所示. 定子與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)相似, 采用三相分布電樞繞組. 如表1所示為主電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù).其中，Di為主電機(jī)的定子內(nèi)徑、Do為定子外徑、δ為單邊氣隙長(zhǎng)度、l為鐵心長(zhǎng)度、hM為永磁體磁化方向長(zhǎng)度、bM為永磁體寬度、n為工作轉(zhuǎn)速、UN為相電壓、W為每極勵(lì)磁繞組匝數(shù)、N為每相電樞繞組匝數(shù)、I為額定電流、PN為輸出功率.

1-定子鐵心; 2-電樞繞組; 3-轉(zhuǎn)子鐵心; 4-電勵(lì)磁繞組; 5-永磁體圖2　混合勵(lì)磁同步電機(jī)(主電機(jī))拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Topology of hybrid excitation synchronous machine serving as main machine

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Di/mm112.8hM/mm6Do/mm174bM/mm29δ/mm0.4W180l/mm95N16n/(×103r·min-1)5～12I/A45UN/V45～115PN/kW6～15

圖3定性地描述了主電機(jī)的工作原理. 永磁體產(chǎn)生的磁通一部分進(jìn)入氣隙(如圖3中的①), 另一部分在轉(zhuǎn)子上閉合(如圖3中的②); 施加正向勵(lì)磁電流, 產(chǎn)生電勵(lì)磁磁通(如圖3中的③), 氣隙磁通增大, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié). 從圖中可以看出, 在轉(zhuǎn)子極身處, 永磁磁力線②與電勵(lì)磁磁力線②方向相反, 這部分永磁磁通有利于削弱極身的飽和程度, 從而可適當(dāng)提高電勵(lì)磁的調(diào)磁能力. 此外, 轉(zhuǎn)子磁極中同時(shí)分布有永磁(如圖3中的①)和電勵(lì)磁(如圖3中的③), 極弧系數(shù)大, 磁場(chǎng)強(qiáng), 因此, 在磁密設(shè)計(jì)取值不變的情況下, 則定子齒較寬, 定子槽較窄, 定子軛較高.

①、②: 永磁體產(chǎn)生的磁力線; ③：電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁力線圖3　主電機(jī)調(diào)磁原理Fig.3　Flux regulation principle of main machine

1.2勵(lì)磁機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖4所示為旋轉(zhuǎn)電樞式勵(lì)磁機(jī), 勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組位于定子, 集中繞組. 電樞繞組位于轉(zhuǎn)子, 分布繞組. 如表2所示是勵(lì)磁機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),其中p為極數(shù). 勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn), 電樞繞組的電能經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后, 為主電機(jī)提供所需的勵(lì)磁, 從而實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的無(wú)刷化勵(lì)磁．

1-定子鐵心; 2-勵(lì)磁繞組; 3-電樞繞組; 4-轉(zhuǎn)子鐵心圖4　勵(lì)磁機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4　Exciter topology

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Di/mm96W300δ/mm0.5N40l/mm20p4

1.3樣機(jī)的研制

如圖5所示是兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)樣機(jī), 其中, 電刷僅用于單獨(dú)測(cè)試勵(lì)磁機(jī)和主電機(jī)的性能. 實(shí)驗(yàn)時(shí), 由西門子直流調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)樣機(jī)旋轉(zhuǎn), 使用可控的直流電源為樣機(jī)提供勵(lì)磁. 利用電刷分別單獨(dú)測(cè)量樣機(jī)的主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī).

1-定子; 2-主電機(jī)轉(zhuǎn)子; 3-永磁體; 4-勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子: 5-電刷圖5　兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)樣機(jī)Fig.5　Prototype of two-stage hybrid excitation synchronous machine

2主電機(jī)的電磁特性

2.1磁場(chǎng)分布

為研究主電機(jī)的磁場(chǎng)分布特點(diǎn), 采用有限元法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算, 如圖6所示.其中,FmF表示每極電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì). 圖6(a)中給出了有限元計(jì)算模型的剖分情況及電勵(lì)磁為0時(shí)的磁力線分布, 可以看出, 永磁磁通的一部分進(jìn)入氣隙, 成為氣隙磁通, 另一部分在轉(zhuǎn)子中閉合. 當(dāng)施加電勵(lì)磁500AT時(shí), 如圖6(b)所示, 氣隙磁通增大. 需要說(shuō)明的是, 在其他參數(shù)不變時(shí), 轉(zhuǎn)子極身寬度對(duì)初始?xì)庀洞磐ǖ拇笮∫约半妱?lì)磁的調(diào)磁范圍有較大影響. 極身越寬, 初始?xì)庀洞磐ㄔ叫? 相應(yīng)地調(diào)磁范圍越大．

圖6　主電機(jī)的剖分及磁場(chǎng)分布Fig.6　Mesh and magnetic field distribution of main machine

2.2空載特性

使電機(jī)工作轉(zhuǎn)速保持在5 500r/min, 且處于空載狀態(tài), 逐漸增大勵(lì)磁電流, 計(jì)算出相應(yīng)的磁鏈和反電勢(shì). 圖7給出了勵(lì)磁電流變化時(shí)相繞組磁鏈Ψf的變化情況, 圖中β為轉(zhuǎn)子位置(以電角度計(jì)). 圖8中給出了反電勢(shì)的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值, 圖中符號(hào)“FEM”表示有限元計(jì)算值, “Exp.”表示實(shí)驗(yàn)值,U0為空載時(shí)的電壓. 圖7和圖8中的FmF、imF分別為主電機(jī)勵(lì)磁磁勢(shì)、勵(lì)磁電流. 實(shí)測(cè)時(shí), 斷開(kāi)主電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)的連接, 通過(guò)電刷直接為主電機(jī)提供勵(lì)磁. 可以看出, 相對(duì)于零勵(lì)磁時(shí)的初始電壓, 電勵(lì)磁的調(diào)節(jié)范圍約為0～20V, 提高了大約60%. 在磁場(chǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程中, 初始階段具有較大的非線性, 這是由于在該階段內(nèi), 永磁磁通使轉(zhuǎn)子極身處于深度反向磁飽和, 增大電勵(lì)磁, 使轉(zhuǎn)子極身緩慢退出磁飽和, 進(jìn)入線性區(qū), 電勵(lì)磁增大到一定程度, 進(jìn)入正向磁飽和. 此外, 可以看出仿真和實(shí)測(cè)值吻合度較好, 驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性.

圖7　主電機(jī)調(diào)磁特性Fig.7　Flux linkage regulation characteristic of main machine

圖8　主電機(jī)空載特性Fig.8　No-load characteristic of main machine

3勵(lì)磁機(jī)的電磁特性

3.1磁場(chǎng)分布

由于本電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是變頻發(fā)電機(jī), 工作轉(zhuǎn)速范圍在5 000 ～12 000r/min, 應(yīng)重點(diǎn)確保低轉(zhuǎn)速時(shí), 勵(lì)磁機(jī)具有足夠的勵(lì)磁能力. 采用有限元法對(duì)勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行計(jì)算, 圖9和10分別是勵(lì)磁機(jī)工作在5 000r/min時(shí)的磁場(chǎng)分布和三相磁鏈的計(jì)算結(jié)果,圖中if為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流. 由于采用的是分布電樞繞組, 圖中磁鏈呈現(xiàn)正弦變化. 忽略勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部壓降時(shí), 理想狀態(tài)下, 三相旋轉(zhuǎn)整流器不控整流的輸出直流電壓udc與勵(lì)磁機(jī)相電勢(shì)Ea的關(guān)系: udc=2.34Ea∝ψf. 將額定工作時(shí)的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)在非磁飽和區(qū), 對(duì)磁鏈ψf的線性調(diào)節(jié), 有利于對(duì)主電機(jī)線性控制．

圖9　勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)分布(if=0.6 A)Fig.9　Magnetic field distribution of exciter corresponding to field current of 0.6 A

圖10　勵(lì)磁機(jī)三相磁鏈(if =0.6 A)Fig.10　Three-phase flux linkage of exciter with a field current of 0.6 A

3.2電流放大特性

采用有限元法計(jì)算轉(zhuǎn)速分別為5 000和12 000r/min時(shí)的輸入輸出電流放大特性, 如圖11所示. 實(shí)測(cè)時(shí), 首先測(cè)量出主電機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻, 然后在實(shí)際工作時(shí)測(cè)得主電機(jī)勵(lì)磁繞組的端電壓udc(存在電壓紋波, 使用時(shí)取其平均值), 從而計(jì)算得到實(shí)測(cè)的主電機(jī)勵(lì)磁電流imF.

主電機(jī)所需的額定勵(lì)磁電流約為2.8A, 從圖11中可以看出, 勵(lì)磁機(jī)能夠滿足主電機(jī)的勵(lì)磁需求, 且勵(lì)磁機(jī)的電流放大特性呈現(xiàn)良好的線性. 此外, 對(duì)于旋轉(zhuǎn)整流器而言, 主電機(jī)勵(lì)磁繞組為大電感負(fù)載, 因此在設(shè)計(jì)勵(lì)磁機(jī)時(shí), 應(yīng)考慮換相重疊等因素對(duì)端電壓udc的影響.

圖11　勵(lì)磁機(jī)電流放大特性Fig.11　Current amplifier characteristic of exciter

3.3兩級(jí)式電機(jī)實(shí)驗(yàn)

在電勵(lì)磁為零時(shí), 空載相電壓的實(shí)測(cè)波形, 如圖12所示. 為進(jìn)一步分析其波形質(zhì)量, 圖13給出了相應(yīng)的諧波分析結(jié)果. 可以看出, 較大的諧波主要有5、7、11、13次.

圖12　空載相電壓實(shí)測(cè)波形(零勵(lì)磁)Fig.12　No-load phase voltage waveform without field current

圖13　相電壓的諧波分析Fig.13　Harmonic contents of phase voltage

待完成主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的單獨(dú)測(cè)量后, 將勵(lì)磁機(jī)和主電機(jī)作為整體, 從勵(lì)磁機(jī)端調(diào)節(jié)輸入電流, 記錄主電機(jī)的電樞電壓. 使電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為5 000r/min, 圖14給出了空載特性的有限元計(jì)算值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn).

從圖中可以看出, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算值存在一定的誤差, 原因可能是計(jì)算時(shí)基于材料的理想屬性, 忽略了諸如鐵損之類的損耗因素, 且未能充分考慮調(diào)磁對(duì)漏磁程度的影響等. 此外, 機(jī)械加工誤差也可能是其中的因素之一.

圖14　兩級(jí)式無(wú)刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)的空載特性Fig.14　No-load characteristic of two-stage brushless hybrid excitation synchronous machine

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響

4.1氣隙長(zhǎng)度對(duì)主電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響

為了提高輸出電壓的波形質(zhì)量, 對(duì)主電機(jī)的形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化. 同時(shí), 對(duì)于采用分布繞組的主電機(jī), 氣隙磁密基波是感應(yīng)電勢(shì)的主要分量, 因此, 在優(yōu)化過(guò)程中, 重點(diǎn)討論氣隙磁密THD和基波幅值的變化情況. 本部分討論的主電機(jī)轉(zhuǎn)子形狀優(yōu)化方案, 如圖15所示.將轉(zhuǎn)子分成兩部分, 圖15(a)中①是轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)部分, 半徑為a, 在優(yōu)化過(guò)程中保持不變. 對(duì)圖15(a)中②的外圓輪廓進(jìn)行正弦化處理, 在0°≤θ≤45°內(nèi), ②的半徑R2函數(shù)表達(dá)式為R2=a+δ1sin 2θ, 如圖15(b)所示. 在d軸位置處的轉(zhuǎn)子外半徑為a+δ1, 定子內(nèi)半徑取a+δ1+δ0, 因此, d軸和q軸位置處的單邊氣隙長(zhǎng)度分別是δ0、δ1+δ0.

圖15　轉(zhuǎn)子形狀優(yōu)化Fig.15　Structure diagram of optimized rotor shape

圖16　氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密波形的影響Fig.16　Influence of air-gap length on air-gap flux density waveforms

基準(zhǔn)氣隙長(zhǎng)度δ0=0.4mm時(shí),δ1分別為0.2、0.8mm時(shí)的氣隙磁密波形如圖16所示，其中γ表示轉(zhuǎn)子位置(以機(jī)械角度計(jì)). 為進(jìn)一步研究氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密的影響規(guī)律, 圖17和圖18分別給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)氣隙磁密(B)基波幅值及諧波畸變率rTHD的變化情況. 氣隙磁密的諧波畸變率的定義如下:

(1)

式中: B1為基波, Bn為諧波.

圖17　氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密基波幅值的影響Fig.17　Influence of air-gap length on fundamental content of air-gap flux density

從圖17可以看出, 當(dāng)保持基準(zhǔn)氣隙長(zhǎng)度δ0不變時(shí), 增大輔助氣隙長(zhǎng)度δ1可以提高磁密基波幅值, 當(dāng)δ1增大到一定限度時(shí), 氣隙磁密基波幅值減小. 圖18中表明, 基準(zhǔn)氣隙長(zhǎng)度δ0越小, rTHD達(dá)到最小值時(shí)的輔助氣隙長(zhǎng)度δ1越小. 另外, 在研究了幾組不同的氣隙長(zhǎng)度組合, 發(fā)現(xiàn)在輔助氣隙長(zhǎng)度與基準(zhǔn)氣隙長(zhǎng)度的比值δ1/δ0=2.5時(shí), rTHD最小.

圖18　氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密的總的諧波畸變率(THD)的影響Fig.18　Influence of air-gap length on total harmonic distortion (THO) of air-gap flux density

4.2定子齒寬對(duì)勵(lì)磁機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響

圖19　勵(lì)磁機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.19　Structure optimization of exciter

為研究勵(lì)磁機(jī)定子齒寬對(duì)氣隙磁密的影響, 如圖19所示, 定義齒寬系數(shù)Tc:

Tc=θt/θτ.

(2)

式中:θt為定子齒頂寬(以機(jī)械角度計(jì));θτ為定子磁極的極距(以機(jī)械角度計(jì)).

單邊氣隙長(zhǎng)度固定在0.5mm, 勵(lì)磁電流if為0.6A,僅改變定子齒頂寬, 采用有限元法計(jì)算氣隙磁密. 圖20和圖21分別給出了齒寬系數(shù)Tc對(duì)氣隙磁密波形以及基波幅值的影響. 圖21中“B1”表示不考慮轉(zhuǎn)子上電樞繞組的槽. “B2”表示考慮轉(zhuǎn)子上電樞繞組的槽.在這2種情況下, 齒寬系數(shù)對(duì)氣隙磁密幅值的影響規(guī)律大致相同, 齒寬系數(shù)約為0.85時(shí), 磁密基波幅值最大. 圖中, “udc”表示轉(zhuǎn)速為5 000r/min時(shí)勵(lì)磁機(jī)整流后的空載電壓. 可以看出,整流電壓與氣隙磁密基波的變化規(guī)律基本一致, 這是因?yàn)閯?lì)磁機(jī)電樞采用分布繞組, 抑制了主要次諧波.

圖20　齒寬系數(shù)對(duì)氣隙磁密波形的影響Fig.20　Influence of stator teeth width on air-gap flux density waveforms

圖21　齒寬系數(shù)對(duì)氣隙磁密基波幅值和整流電壓的影響Fig. 21　Influence of stator teeth width on fundamental content of air-gap flux density and rectified voltage

5結(jié)論

(1)主電機(jī)采用混合勵(lì)磁電機(jī), 永磁體提供一定大小的磁場(chǎng), 在此基礎(chǔ)上, 只需通過(guò)電勵(lì)磁提供小范圍的輔助調(diào)節(jié)即可滿足需求. 相對(duì)于氣隙磁場(chǎng)全部由電勵(lì)磁激勵(lì)的電勵(lì)磁電機(jī), 有利于降低勵(lì)磁損耗. 此外, 該電機(jī)不存在軸向磁路, 磁路短, 調(diào)磁效率高.

(2)勵(lì)磁機(jī)可以為主電機(jī)提供可靠的勵(lì)磁, 主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)能夠匹配工作.

(3)對(duì)于主電機(jī), 轉(zhuǎn)子外圓形狀采用正弦化處理時(shí), 選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)能夠提高氣隙磁密幅值, 降低氣隙磁密的總的諧波畸變率; 對(duì)于勵(lì)磁機(jī), 選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ育X寬系數(shù), 能夠有效地提高氣隙磁密的基波幅值, 增強(qiáng)勵(lì)磁能力.

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DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.03.016

收稿日期：2015-07-31.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977044); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377076); 江蘇省產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目(BY2014003-09); 江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(YPC13013).

作者簡(jiǎn)介：寧銀行(1982-), 男, 博士生, 從事航空航天電源系統(tǒng)研究. ORCID: 0000-0002-5215-893X. E-mail: nyh4711343@126.com 通信聯(lián)系人：劉闖, 男, 教授, 博士. ORCID: 0000-0002-0312-9999. E-mail: liuchuang@nuaa.edu.cn

中圖分類號(hào)：TM 341; TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)03-08-0519

Electromagneticdesignandanalysisoftwo-stagehybridexcitationsynchronousgenerator

NINGYin-hang,LIUChuang,GANXing-ye

(Aero-Power Science-Technology Center Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:A hybrid excitation synchronous machine (HESM)was introduced to make use of the high power density and efficiency of permanent machine, and the voltage adjusting ability of electrically excited machine. The HESM adopts two-stage brushless excitation structure design, consisting of a hybrid-excitation main machine and a revolving-armature type exciter. Above all, the machine’s structure and operating principle were presented. In order to investigate the machine further, the magnetic field distribution, flux regulation ability, and induced electromotive force (EMF) were calculated by finite element method (FEM). According to the theoretic analysis, a prototype was developed and some experiments were conducted, such as the current amplification capability of the exciter, the voltage adjustment performance of the main machine, and the no-load characteristic of the generator operating two-stage mode. Both FEM calculation results and experimental data show that the air-gap magnetic field, based on the existing permanent magnetic field, can be effectively adjusted by electric excitation for stabilizing voltage. In the end, the influence of some key structure parameters,such as the main machine’s rotor shape and the exciter’s stator teeth width,on the air-gap magnetic field was studied with the FEM. The solution results show that, for the main machine, the proper outer edge shape design of rotor can effectively reduce the total harmonic distortion (THD) of air-gap flux density, but the accompanying influence on the fundamental component of the air-gap flux density should be considered at the same time. For the exciter, the reasonable choice of the stator teeth width coefficient contributes to the enhancement of excitation ability．

Key words:hybrid excitation; synchronous machine; electromagnetic characteristic; structure optimization; finite element method