王惠軍 劉劍峰 劉西全 姚 麗 林 巖

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

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

近年來，國內(nèi)外學(xué)著對混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[4]提出了多種交流與直流混合的電機(jī)結(jié)構(gòu)，但其磁路較長，并且有較大的漏磁通。文獻(xiàn)[5-7]提出了各種各樣的混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)均都比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]提出了一種鐵磁極與永磁磁極交互排列的混合結(jié)構(gòu)，但由于鐵磁極與永磁極長度一樣，導(dǎo)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(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。這種發(fā)電機(jī)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(jī)部分；電壓調(diào)節(jié)所需要的磁場變化部分由輔助的電勵(lì)磁繞組來實(shí)現(xiàn)，稱為輔助發(fā)電機(jī)或輔助電勵(lì)磁部分，兩部分共有一套電樞繞組。在深入分析其結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上，建立了其電磁數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，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(jìn)行研究。最后，通過一臺7.5kW的樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的合理性。

1 結(jié)構(gòu)及原理

圖1是提出的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。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(lì)磁繞組分成兩部分，定子兩段鐵心由其外的背軛在機(jī)械和電磁上相連接；轉(zhuǎn)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(cuò)排列，且兩端的 N、S永磁體和鐵磁極也相互錯(cuò)開。轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間有導(dǎo)磁性能好的轉(zhuǎn)子背軛，用于轉(zhuǎn)子的軸向?qū)Т?。?dāng)調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁電流的大小和方向時(shí)，合成氣隙磁密就會(huì)相應(yīng)地增大或減小。

圖1 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

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

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

圖2 永磁磁通分布

2）當(dāng)直流勵(lì)磁電流小于零時(shí)，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(dāng)直流勵(lì)磁電流大到一定數(shù)值時(shí)，電勵(lì)磁磁場與永磁體磁場相等，氣隙有效磁場變?yōu)榱悖藭r(shí)的磁場分布如圖3所示。

圖3 退磁模式時(shí)磁通分布

3）當(dāng)直流勵(lì)磁電流大于零時(shí)，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(qiáng)。當(dāng)直流勵(lì)磁電流大到一定數(shù)值時(shí)，電勵(lì)磁磁場與永磁體磁場相等，此時(shí)的磁場分布如圖4所示。

圖4 增磁模式時(shí)磁通分布

2 電磁設(shè)計(jì)

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的性能特性主要取決于永磁磁場和電勵(lì)磁磁動(dòng)勢。因此，基于上述結(jié)構(gòu)及原理，本節(jié)推導(dǎo)了該種發(fā)電機(jī)的等效磁路模型，對調(diào)節(jié)特性進(jìn)行預(yù)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(jī)。發(fā)電機(jī)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(lì)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(guān)系。Rr和 Rs分別表示轉(zhuǎn)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(dòng)勢。

永磁體的磁動(dòng)勢及對應(yīng)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(lì)磁磁通可表示為

而電勵(lì)磁磁動(dòng)勢可表示

相對應(yīng)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(jié)果比較。從該圖可以看出，磁路模型的計(jì)算值與有限元的計(jì)算結(jié)果比較吻合。在直流勵(lì)磁電流發(fā)生變化時(shí)，永磁體表面的氣隙磁通基本保持不變。同時(shí)，空載時(shí)其調(diào)節(jié)特性呈線性變化，與前面的分析結(jié)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(jié)果比較

3 有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確分析樣機(jī)的性能，利用 3D有限元軟件對磁場調(diào)節(jié)特性進(jìn)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(jié)構(gòu)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(lì)磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)，表1是樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

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

表1 樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖10 試驗(yàn)測試平臺

圖11 樣機(jī)空載時(shí)的調(diào)節(jié)特性

4 結(jié)論

本文提出了一種混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。在對其結(jié)構(gòu)與原理研究的基礎(chǔ)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(jìn)行了深入分析。從仿真與試驗(yàn)結(jié)果來看，所提出的結(jié)構(gòu)具有較好的磁場調(diào)節(jié)能力。

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