孫立志 高小龍 姚 飛 安群濤 Thomas A. Lipo

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基于開(kāi)放繞組的新型無(wú)刷諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)

孫立志1高小龍1姚 飛1安群濤1Thomas A. Lipo2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001 2.威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 麥迪遜 53706）

在開(kāi)放式繞組發(fā)電機(jī)中，三相定子電流可以包含完全相同的諧波電流成分，例如3次諧波電流。本文據(jù)此提出了一種新型的無(wú)刷諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。與已有利用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所包含的3次諧波磁場(chǎng)的勵(lì)磁技術(shù)不同，該原理利用定子開(kāi)放繞組中的3次諧波電流成分或高頻單相電流成分或直流成分所產(chǎn)生的定子脈振磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流后為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流，從而在不采用獨(dú)立勵(lì)磁機(jī)的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。本文對(duì)該諧波勵(lì)磁原理進(jìn)行了理論分析及電磁場(chǎng)有限元計(jì)算驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該原理的可行性。該諧波勵(lì)磁原理的意義在于，提供了一種無(wú)刷勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)方案，以期減少高性能發(fā)電機(jī)對(duì)日益昂貴的稀土永磁材料的依賴與消耗。

同步發(fā)電機(jī) 開(kāi)放繞組 諧波勵(lì)磁 有限元分析

0 引言

稀土永磁發(fā)電機(jī)具有高效能及高功率密度等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是其還存在許多問(wèn)題。一方面，稀土永磁材料的價(jià)格不斷上漲，并且隨著稀土永磁材料的大量應(yīng)用，使得稀土資源必然面臨供應(yīng)緊張的問(wèn)題。另一方面，由于永磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)不能調(diào)節(jié)的固有特點(diǎn)，使得永磁發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，恒功率區(qū)較窄，轉(zhuǎn)速范圍受到限制，高速運(yùn)行時(shí)往往需要弱磁控制，控制復(fù)雜，并且會(huì)產(chǎn)生額外的損耗；而其作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸出電壓難以調(diào)節(jié)。尤其在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，如混合動(dòng)力汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍很寬，有時(shí)甚至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的十幾倍，因其勵(lì)磁不可調(diào)，發(fā)電機(jī)輸出電壓變化范圍很大，電壓峰值將會(huì)很高，顯然會(huì)對(duì)整流器的功率等級(jí)以及功率器件的電壓等級(jí)要求很高，顯著提高控制系統(tǒng)成本。

為解決永磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題，許多新型勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)。除了傳統(tǒng)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和磁阻發(fā)電機(jī)[1]，其中大部分發(fā)電機(jī)仍是采用永磁及電勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。Y. Amara等研究結(jié)果表明混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相較于永磁發(fā)電機(jī)具有良好的弱磁能力，并且在車輛推進(jìn)系統(tǒng)中具有良好的節(jié)能效果[2]。E. Sulaiman等將永磁體和勵(lì)磁繞組均放在定子上構(gòu)成了一個(gè)新穎的混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了與內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)功率密度相同的性能[3]。趙朝會(huì)對(duì)串聯(lián)磁路混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性研究，結(jié)果表明相對(duì)永磁爪極發(fā)電機(jī)，其輸出電壓可調(diào)并且在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的恒定[4]。王善銘等提出了一種利用齒諧波磁場(chǎng)的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)[5-7]。這種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子除永磁體外還安裝了齒諧波繞組，可以利用發(fā)電機(jī)中固有的齒諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流應(yīng)用于勵(lì)磁系統(tǒng)中，構(gòu)成了一種新型的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。還有部分學(xué)者對(duì)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)調(diào)節(jié)特性及控制策略[8-10]等方面進(jìn)行了研究。在這些研究中，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可以顯著提高發(fā)電機(jī)的某些性能指標(biāo)，具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值，但是發(fā)電機(jī)中的永磁體仍具有關(guān)鍵作用且不可去除。因此，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)許多特性依然與永磁發(fā)電機(jī)相近，亦存在永磁體的一些固有缺點(diǎn)，如成本高昂，高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)下的失磁問(wèn)題等。

而對(duì)于電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁磁場(chǎng)可以方便調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速特性，并且成本低廉。因此，其不存在上述永磁體所帶來(lái)的問(wèn)題。但是，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)電勵(lì)磁的實(shí)現(xiàn)需要電刷集電環(huán)或者額外勵(lì)磁機(jī)。顯然，額外勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式會(huì)使得中小型發(fā)電機(jī)的體積和成本增加；而電刷集電環(huán)會(huì)引起火花噪聲和壽命縮短等問(wèn)題。這些問(wèn)題使得傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)不適于寬范圍轉(zhuǎn)速運(yùn)行，嚴(yán)重限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵就是如何在不采用獨(dú)立勵(lì)磁機(jī)的前提條件下實(shí)現(xiàn)性能良好及可靠運(yùn)行的無(wú)刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。而諧波勵(lì)磁技術(shù)是一種可行的解決方案。

現(xiàn)有諧波勵(lì)磁技術(shù)主要是指3次諧波勵(lì)磁技術(shù)，國(guó)內(nèi)各高校曾對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析及實(shí)踐研究[11-13]。早期諧波勵(lì)磁技術(shù)仍為有刷方案，在定子槽中內(nèi)嵌一套節(jié)距約為1/3基波極距的諧波繞組。轉(zhuǎn)子磁極形狀經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)后可以增強(qiáng)3次諧波磁場(chǎng)，因此主磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)能使諧波繞組感應(yīng)出3次及3的奇數(shù)倍次的諧波電動(dòng)勢(shì)，其經(jīng)整流后可以作為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電源，其基本原理如圖1所示。此類諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、復(fù)勵(lì)能力及帶負(fù)載能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，增強(qiáng)了小功率發(fā)電機(jī)在低成本農(nóng)業(yè)機(jī)器中的應(yīng)用。

現(xiàn)有無(wú)刷化的實(shí)現(xiàn)主要是在有刷諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)電樞式交流勵(lì)磁機(jī)。如圖2所示，將主發(fā)電機(jī)定子3次諧波繞組中感應(yīng)出的諧波電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整流送至勵(lì)磁機(jī)定子繞組，由勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電流，從而取消了傳統(tǒng)的電刷滑環(huán)。無(wú)刷化諧波勵(lì)磁技術(shù)有效地消除了電刷帶來(lái)的各種問(wèn)題，但是旋轉(zhuǎn)電樞交流勵(lì)磁機(jī)的增加使得發(fā)電機(jī)體積增加，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

近幾年關(guān)于3次諧波勵(lì)磁技術(shù)的研究并沒(méi)有太多進(jìn)展。大部分的研究主要集中在對(duì)諧波勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的改進(jìn)、磁飽和對(duì)諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)特性的影響分析等[14-16]。

綜上，現(xiàn)有3次諧波勵(lì)磁技術(shù)依然需要電刷滑環(huán)或者額外的勵(lì)磁機(jī)。而本文提出了一種新型諧波勵(lì)磁原理發(fā)電機(jī)，其可以利用定子開(kāi)放繞組中的諧波電流成分實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁，從而完全消除了電刷和勵(lì)磁機(jī)。當(dāng)然，定子繞組中的諧波電流成分使得諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的功率密度和效率略有降低，但是這并不妨礙其在寬范圍轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域的特殊優(yōu)勢(shì)。

1 新型無(wú)刷諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的原理

前述諧波勵(lì)磁技術(shù)主要是利用轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)中的3次諧波成分，而本文所研究的諧波勵(lì)磁技術(shù)與之不同，其利用的是定子開(kāi)放繞組中的諧波電流成分產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)。由于定子繞組為開(kāi)放式繞組，可以控制定子三相繞組中含有幅值、相位完全相同的電流成分，例如3次諧波電流。這種電流成分產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)可以在轉(zhuǎn)子特殊設(shè)計(jì)的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流后可以給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供直流。

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成原理如圖3所示。諧波繞組直接安裝在轉(zhuǎn)子之上，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器與主勵(lì)磁繞組直接相連接，定子電樞上只存在三相交流開(kāi)放繞組。采用雙功率變換器控制定子電流波形，以利用定子電流中3次諧波電流、高頻單相電流以及直流等成分所產(chǎn)生的3次諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，功率變換器直流側(cè)電容需要有初始電壓，以產(chǎn)生初始的勵(lì)磁電流而進(jìn)行起勵(lì)。

設(shè)定子三相開(kāi)放繞組為三相對(duì)稱集中整距繞組，如果每相通入電流A、B和C，由于單相整距線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為周期性矩形波，只考慮基波與3次諧波成分，則每相繞組的磁動(dòng)勢(shì)為

式中，s為空間電角度；φ1=2/π，為繞組匝數(shù)。

如前所述，定子三相開(kāi)放繞組電流除基波電流外可以包含完全相同的其他電流成分，如式（2）所示。

式中1——基波電流幅值；

n——所包含的電流成分；

——電氣角頻率。

將式（2）代入式（1）并且將三相繞組磁動(dòng)勢(shì)相加，可得電樞合成磁動(dòng)勢(shì)

通過(guò)式（3）可以看出電樞合成磁動(dòng)勢(shì)包括兩部分：基波合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和空間位置固定的3次諧波磁動(dòng)勢(shì)。兩者不相耦合，而且3次諧波磁場(chǎng)的極距在空間表現(xiàn)為定子繞組極距的1/3，則在轉(zhuǎn)子上安裝同等極距的諧波繞組，如圖4所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，忽略開(kāi)槽影響，由于基波合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子上的諧波繞組同速，且幅值不變，其不會(huì)在諧波繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，同理也不會(huì)在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于3次諧波磁動(dòng)勢(shì)由于其空間位置固定，因而諧波繞組以相對(duì)同步速切割磁場(chǎng)，且除定子電流含有直流成分外3次諧波磁場(chǎng)幅值作正弦變化，故其在諧波繞組中會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和變壓器電動(dòng)勢(shì)。而在勵(lì)磁繞組中，由于轉(zhuǎn)子極弧可以設(shè)計(jì)成2倍或3倍的諧波繞組極距，同一極下的兩勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，因此3次諧波磁場(chǎng)也不會(huì)在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

轉(zhuǎn)子諧波繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以理論計(jì)算。假設(shè)諧波繞組初始位置角為0，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)，則任一時(shí)刻諧波繞組空間位置s=+0，忽略定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽以及轉(zhuǎn)子凸極引起的諧波磁導(dǎo)影響，可以假設(shè)發(fā)電機(jī)氣隙均勻，則諧波繞組的一個(gè)線圈組中的磁鏈為

式中h——諧波繞組匝數(shù)；

——平均氣隙磁導(dǎo)。

考慮到圖4所示的繞組拓?fù)洌捎谥C波繞組在空間位置上相差π/3電角度，與3次諧波磁場(chǎng)的極距一致。將諧波繞組串聯(lián)，那么總諧波繞組電動(dòng)勢(shì)為諧波繞組的一個(gè)線圈組電動(dòng)勢(shì)的6倍。由于定子電流中可以包含不同類型的諧波電流成分以進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，因此根據(jù)電流成分n的類型分為三種情況予以研究。

當(dāng)n為3次諧波電流成分時(shí)，n=3sin3，此時(shí)諧波繞組電動(dòng)勢(shì)為

當(dāng)n為直流成分時(shí)，n=0，此時(shí)諧波繞組電動(dòng)勢(shì)為

當(dāng)n為高頻單相電流成分時(shí)，n=Isin，其中＞3，此時(shí)諧波繞組電動(dòng)勢(shì)為

由式（5）～式（7）可以看出，諧波繞組電動(dòng)勢(shì)僅與定子電流中所包含的完全相同的勵(lì)磁電流成分n有關(guān)。當(dāng)其為3次諧波電流時(shí)，產(chǎn)生6倍同步角頻率的諧波繞組電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)其為直流時(shí)產(chǎn)生3倍同步角頻率的諧波繞組電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)其為高頻單相電流時(shí)，產(chǎn)生+3倍和-3倍的同步角頻率的諧波繞組電動(dòng)勢(shì)。諧波繞組電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器可以供給主勵(lì)磁繞組直流電流，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化勵(lì)磁。

2 諧波勵(lì)磁原理的有限元分析驗(yàn)證

根據(jù)上述原理建立發(fā)電機(jī)計(jì)算模型，定子上安裝三相對(duì)稱集中整距繞組，可以使得3次諧波繞組系數(shù)最大，轉(zhuǎn)子上安裝勵(lì)磁繞組和諧波繞組，轉(zhuǎn)子為凸極式結(jié)構(gòu)，極弧長(zhǎng)度為2倍的諧波繞組節(jié)距。如圖5a所示，發(fā)電機(jī)采用4極12槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)通入基波電流時(shí)，發(fā)電機(jī)的磁力線分布如圖5b所示。對(duì)于圖5所示發(fā)電機(jī)模型，其發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)下表。

表 發(fā)電機(jī)樣機(jī)參數(shù)

為了分析不同類型電流下的諧波繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖6a所示，在定子繞組中分別通入不同類型的電流進(jìn)行有限元仿真分析以驗(yàn)證理論推導(dǎo)，其中基波電流為A=2sin(100π)A，直流為n=2A，3次諧波電流為n=2sin(300π)A，高頻單相電流為n= 2sin(1 000π)A。仿真結(jié)果如圖6b所示。

由圖6b可以看出，通入基波電流時(shí)，諧波繞組中仍會(huì)存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其中主要含有6次和12次諧波，與每對(duì)極下的定子槽數(shù)一致，表明這種諧波電動(dòng)勢(shì)主要由定子開(kāi)槽等因素引起。

當(dāng)定子電流為3次諧波電流時(shí)，諧波繞組電動(dòng)勢(shì)的頻率為6倍的同步角頻率，與理論分析一致。

當(dāng)通入直流時(shí)，諧波繞組電動(dòng)勢(shì)頻率主要為3倍的同步角頻率，并且呈平頂波。傅里葉分析顯示其還包含9次、15次等諧波。

當(dāng)通入高頻單相電流時(shí)，諧波繞組電動(dòng)勢(shì)的傅里葉分析如圖7所示?？梢钥闯觯ㄈ?0倍同步角頻率的單相電流時(shí)產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)頻率主要為7倍和13倍的同步角頻率，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步有限元仿真，通入合成電流進(jìn)行分析，如圖8a所示。合成電流即在定子基波電流中注入一定含量的諧波電流。在本次計(jì)算中，諧波電流幅值固定為15%的基波電流幅值。可以觀察到，圖8b所示的諧波繞組電動(dòng)勢(shì)與圖6b相似。這表明定子繞組中的勵(lì)磁電流成分是單獨(dú)起作用的，即定子基波電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子中勵(lì)磁電流成分所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相互解耦的。這也使得通過(guò)控制定子中勵(lì)磁電流成分含量可方便地控制諧波繞組電動(dòng)勢(shì)。

按照?qǐng)D3所示電路搭建電路模塊，將諧波繞組與勵(lì)磁繞組通過(guò)二極管不控整流器連接起來(lái)，以三相定子電流中包含基波電流和15%含量的3次諧波電流成分為例進(jìn)行瞬態(tài)過(guò)程仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

通過(guò)圖9可以看出諧波繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)整流后可以使得勵(lì)磁繞組中含有較穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，這也進(jìn)一步證明了本文所提出的新型無(wú)刷諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)原理的可行性。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

如圖10所示，發(fā)電機(jī)樣機(jī)和雙三相橋功率變換器已經(jīng)制作出來(lái)，為后續(xù)進(jìn)一步的研究奠定硬件實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證無(wú)刷諧波勵(lì)磁原理，將樣機(jī)發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到1 500r/min，控制基波電流頻率為50Hz，在定子開(kāi)放繞組中分別產(chǎn)生基波、3次諧波電流以及二者合成電流，測(cè)取轉(zhuǎn)子諧波繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在合成電流情形下接通勵(lì)磁回路，測(cè)取勵(lì)磁繞組電流，所得波形如圖11所示?？梢则?yàn)證，在三相定子開(kāi)放繞組中含有3次諧波電流時(shí)，諧波繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該諧波電動(dòng)勢(shì)可以經(jīng)整流后產(chǎn)生勵(lì)磁電流，從而證實(shí)了該諧波勵(lì)磁原理的正確性。

另一方面，該發(fā)電機(jī)原理還存在許多技術(shù)問(wèn)題需要解決，包括初始狀態(tài)建立、齒諧波磁場(chǎng)影響和定子電流的控制策略等，以后將在這些問(wèn)題上展開(kāi)進(jìn)一步的理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)分析。

4 結(jié)論

在開(kāi)放式繞組發(fā)電機(jī)中，三相定子電流可以包含完全相同的諧波電流成分，可以利用該電流成分所產(chǎn)生的定子脈振磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流后為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流，從而在不采用獨(dú)立勵(lì)磁機(jī)的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。本文對(duì)該諧波勵(lì)磁原理進(jìn)行了理論分析及電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明了所提出的發(fā)電機(jī)原理的正確性及發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性，為進(jìn)一步研究該新型無(wú)刷諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

該諧波勵(lì)磁原理的意義在于，其提供了一種新型的無(wú)刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)方案。相比永磁發(fā)電機(jī)，雖然該新型發(fā)電機(jī)的功率密度和效率略低，但是其可以在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓維持在一個(gè)固定的電壓等級(jí)內(nèi)，此時(shí)雖然用到雙功率變換器，但是整流器功率等級(jí)和功率器件電壓等級(jí)的降低仍會(huì)使得系統(tǒng)成本降低許多。因此，在許多類似應(yīng)用領(lǐng)域中，其可以替代昂貴的永磁發(fā)電機(jī)，并具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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A New Type of Harmonic-Current-Excited Brushless Synchronous Machine with Open Windings

11112

（1. Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. University of Wisconsin-Madison Madison WI 53706 USA）

In an open-winding machine, the three-phase stator currents can be controlled to contain the same harmonic current components like the third harmonics. This paper introduces a new harmonic current excitation principle in synchronous machines based on open winding controls. Unlike existing harmonic excitation technologies which utilizing the third harmonic components of rotor magnetic fields, this brushless harmonic excitation principle is realized by injecting the third harmonic current component or high frequency single-phase current component or DC component into the three phase stator open windings, to generate a time pulsating magnetic field which can induce back-EMFs in the specially designed rotor harmonic coils. Through rectification, the induced back-EMFs are used to supply DC current to the rotor excitation winding. To verify the above principle, magnetic field calculations and prototyping tests were carried on. The significance of this harmonic excitation principle is to provide a new brushless machine option to reduce the consumption of increasingly expensive rare earth permanent magnetic material by machines in some applications.

Synchronous machine, open-winding, harmonic excitation, finite element analysis

TM341

孫立志 男，1970年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)及控制、特種電機(jī)及能量變換和新能源發(fā)電技術(shù)。

高小龍 男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。

2014-01-02 改稿日期 2014-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277040）。