周 琳，夏永洪,2，張 聰， 李夢茹

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031；2.國網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096)

0 引 言

永磁體的引入有效提高了發(fā)電機的運行效率，混合勵磁同步發(fā)電機的提出解決了常規(guī)永磁發(fā)電機勵磁磁場不可調(diào)的問題，使永磁發(fā)電機輸出電壓變得可控[1-3]。從現(xiàn)有的混合勵磁電機來看，盡管實現(xiàn)了永磁電機氣隙磁場的調(diào)節(jié)，但有些方案的氣隙磁場調(diào)節(jié)能力差，調(diào)節(jié)范圍不寬。對于串聯(lián)型的混合勵磁同步電機[4]，如圖1所示，由于電勵磁繞組建立的磁場需要通過永磁體，從而難以獲得寬范圍的氣隙磁場調(diào)節(jié)能力。此外，對于一些并聯(lián)型的混合勵磁同步電機[5]，如圖2所示，是通過調(diào)節(jié)每極下氣隙磁場的波形形狀以實現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié)，并沒有增加每極磁通量，導(dǎo)致其氣隙磁場調(diào)節(jié)范圍小。

圖1 串聯(lián)型混合勵磁同步電機截面

圖2 并聯(lián)型混合勵磁同步電機截面

針對該問題，實驗室提出一種具有寬范圍氣隙磁場調(diào)節(jié)能力的混合勵磁同步發(fā)電機，該電機有4個永磁磁極和4個鐵磁磁極。闡述該混合勵磁同步發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)和氣隙磁場調(diào)節(jié)原理，采用Maxwell有限元軟件計算其運行特性，其氣隙磁場調(diào)節(jié)能力和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過實驗室已研制的樣機實驗加以驗證。

1 混合勵磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)和原理

1.1 電機結(jié)構(gòu)

混合勵磁同步發(fā)電機截面如圖3所示。該混合勵磁同步發(fā)電機的定子部分與傳統(tǒng)交流電機系統(tǒng)，包括定子鐵芯和電樞繞組。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和勵磁繞組，永磁體以內(nèi)置方式嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯里，它產(chǎn)生的磁極稱為永磁磁極；勵磁繞組有2套：一套布置在永磁磁極鐵芯上，當(dāng)發(fā)電機定子內(nèi)部故障時，產(chǎn)生與永磁體相反的磁場，另一套布置在磁極極身，它產(chǎn)生的磁極稱為鐵磁磁極，主要用于調(diào)節(jié)氣隙的磁場的大小。由圖3可知，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成。

圖3 混合勵磁同步發(fā)電機截面

1.2 磁場調(diào)節(jié)原理

由于混合勵磁同步發(fā)電機磁場分布比較復(fù)雜，為了簡化分析，采用“場化路”的方法[6,7]，即將空間實際不均勻分布磁場轉(zhuǎn)化為等效磁路進行分析，同時僅考慮主磁路，忽略漏磁路。混合勵磁同步發(fā)電機空載運行時，永磁體建立的磁通路徑為勵磁磁路1，鐵磁磁極下的勵磁繞組建立的磁通路徑為勵磁磁路2，如圖4所示。

圖4 混合勵磁同步發(fā)電機磁路

對于勵磁磁路1，其等效磁路如圖5(a)所示。

圖5 混合勵磁同步發(fā)電機等效磁路

圖5中：Rs1、Rs2分別為定子齒、定子軛磁阻；Rδ為氣隙磁阻；Rr為 轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻；Rpm為永磁體磁阻；Fpm、Ffdm分別為永磁磁動勢、電勵磁磁動勢；φm1、φm2分別為勵磁回路1、2的主磁通。

勵磁回路1的主磁通為：

(1)

當(dāng)發(fā)電機設(shè)計好之后，永磁體產(chǎn)生的磁動勢為一恒定值，因此，其在永磁磁極產(chǎn)生的磁通不變。

對于勵磁回路2，其等效磁路如圖5(b)所示。

勵磁回路2的主磁通為：

(2)

當(dāng)改變輸入到鐵磁磁極下勵磁繞組的電流大小時，可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的大?。桓淖儎畲烹娏鞯姆较?，則可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的方向，如圖6所示。

圖6 混合勵磁同步發(fā)電機空載氣隙磁密

2 混合勵磁同步發(fā)電機特性計算與實驗

為了驗證本文提出的混合勵磁同步發(fā)電機的寬范圍調(diào)磁能力，實驗室研制了一臺混合勵磁同步發(fā)電機樣機，其主要參數(shù)如表1所示。該樣機轉(zhuǎn)子由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成，定子與普通同步電機結(jié)構(gòu)相同，定子鐵芯斜槽，斜一個定子齒距，每相電樞繞組串聯(lián)匝數(shù)為288匝，Y接，勵磁繞組每極匝數(shù)均為100匝，永磁磁極和鐵磁磁極下的勵磁繞組分別形成一條支路。

表1 混合勵磁發(fā)電機主要參數(shù)

基于Maxwell有限元軟件，計算了混合勵磁同步發(fā)電機空載特性和調(diào)節(jié)特性，并得到了發(fā)電機空載線電壓波形。此外，基于實驗室已有的測試平臺對混合勵磁同步發(fā)電機樣機特性進行了測試，如圖7所示。表2和表3分別為勵磁繞組輸入正、反向電流時的空載特性，圖8為勵磁電流為4 A時發(fā)電機空載線電壓波形，圖9為端電壓為400 V時的發(fā)電機調(diào)節(jié)特性。

由表2可知，當(dāng)勵磁電流從0增加到8 A時，線電壓由251.04 V增加到512.69 V，增加了104.2%，表明了該混合勵磁發(fā)電機具有寬范圍的氣隙磁場調(diào)節(jié)能力。由表3可知，當(dāng)勵磁電流反向時，混合勵磁發(fā)電機電樞電壓下降非常快，因此，當(dāng)發(fā)電機外部電路發(fā)生故障時，可在勵磁繞組中通入反向勵磁電流，使鐵磁磁極產(chǎn)生的磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢與永磁磁極的相反，從而實現(xiàn)發(fā)電機的快速降壓。此外，從仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比來看，誤差較小，同時也說明了采用Maxwell有限元軟件計算的正確性。

圖7 發(fā)電機測試平臺

勵磁電流/A電樞電壓計算結(jié)果/V電樞電壓實驗結(jié)果/V誤差/%0248.2251.041.131293.19296.551.132338.12344.671.903382.88393.332.654426.44437.512.535463.62472.841.946484.77493.181.707497.6504.171.308506.78512.691.15

表3 勵磁繞組輸入反向電流時的空載特性

圖8 勵磁電流為4 A時發(fā)電機空載線電壓波形

圖9 端電壓為400 V時的發(fā)電機調(diào)節(jié)特性

3 結(jié) 語

圍繞提出的混合勵磁同步發(fā)電機進行了研究，該電機由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成。介紹了該電機的基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用等效磁路法分析了該混合勵磁同步發(fā)電機氣隙磁場調(diào)節(jié)原理，并采用Maxwell軟件對該混合勵磁同步發(fā)電機特性進行了計算。計算結(jié)果表明：該混合勵磁同步發(fā)電機具有寬范圍的氣隙磁場調(diào)節(jié)能力，與實驗結(jié)果比較，驗證了計算方法的正確性。此外，當(dāng)發(fā)電機外部電路發(fā)生故障時，可在鐵磁磁極下的勵磁繞組中通入反向電流，以實現(xiàn)發(fā)電機的快速滅磁。

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[1] Zhang Qi, Huang Surong, Xie Guodong. Design and experimental verification of hybrid excitation machine with isolated magnetic paths[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010,25(4):993-1 000.

[2] 趙朝會. 串聯(lián)磁路混合勵磁爪極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009,24(5):1-6,12.

[3] Yang Chengfeng, Lin Heyun, Guo Jian, et al. Design and analysis of a novel hybrid excitation synchronous machine with asymmetrically stagger permanent magnet[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008,44(11):4 353-4 356.

[4] G Henneberger, J R Hadji-Minaglou, R C Ciorba. Design andtest of permanent magnet synchronous motor with auxiliary excitation winding for electric vehicle application[C]∥ inProc. Eur. Power Electron. Chapter Symp., Lausanne, Switzerland, Oct. 1994:645-649.

[5] Amara Y, Vido L, Gabsi M, et al. Hybrid excitation synchronous machines: energy-efficient solution for vehicles propulsion[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009,58(5):2 137-2 149.

[6] 唐任遠. 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1997.

[7] 陳世坤. 電機設(shè)計[M]. 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1990:23-42,50-63.