夏永洪，劉俊波，李夢茹，劉 沖，熊哲浩

(南昌大學(xué)，南昌 330031)

0 引 言

相較于傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機以永磁體替代電勵磁繞組建立電機主磁場，擁有高效率的特點；同時，引入永磁體可輕松實現(xiàn)電機的無刷化，故永磁電機具有運行可靠的特點；此外，隨著近年來高性能稀土永磁材料的發(fā)展，永磁體的磁能積與矯頑力大幅提升，令永磁電機擁有高功率密度的特點。為此，永磁同步發(fā)電機在諸多領(lǐng)域中，特別在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1]。

雖然永磁體的低磁導(dǎo)率使得永磁同步發(fā)電機外特性較好，但永磁體不同于電勵磁繞組，磁場無法直接調(diào)節(jié)，在一定程度上限制了永磁同步發(fā)電機的進(jìn)一步推廣。為了解決該問題，有學(xué)者提出了混合勵磁電機的概念，在永磁電機的基礎(chǔ)上保留部分勵磁繞組用以解決調(diào)磁問題。其中氣隙磁場主要由永磁體建立，電勵磁繞組起輔助作用，以調(diào)節(jié)氣隙磁場[2-3]。

電機內(nèi)各種諧波磁場含量豐富，通過恰當(dāng)布置諧波繞組，獲取電機內(nèi)諧波磁場作為勵磁電源以解決永磁電機的調(diào)磁問題，是電機領(lǐng)域的一個新的研究方向[4-5]。相較于三次諧波勵磁需要通過電刷或交流勵磁機、五次諧波勵磁通常需采用集中整距電樞繞組的布置方式，文獻(xiàn)[5]提出的齒諧波勵磁方案，其原理是利用電機內(nèi)固有的齒諧波磁場，在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的諧波電動勢整流后直接提供給發(fā)電機的勵磁繞組，如圖1所示。該電機在無交流勵磁機的情況下，實現(xiàn)了電機的無刷化，且諧波勵磁功率不受定子電樞繞組形式的影響。

圖1 齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機原理圖

齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機是一種新型的永磁發(fā)電機，該發(fā)電機定子與普通永磁發(fā)電機定子相同，轉(zhuǎn)子有永磁體、勵磁繞組和齒諧波繞組，永磁體形成的永磁磁極和電勵磁繞組形成的鐵磁磁極的數(shù)量，可以根據(jù)發(fā)電機的調(diào)磁范圍設(shè)定。本文從運行效率、材料用量以及調(diào)磁能力3個方面與普通永磁同步發(fā)電機進(jìn)行比較與分析。針對額定參數(shù)和主要尺寸相同的2臺永磁同步發(fā)電機進(jìn)行了仿真計算，并結(jié)合仿真計算結(jié)果進(jìn)行比較與分析。

1 比較與分析

1.1 運行效率

效率是衡量電機性能的一個重要指標(biāo)，額定工況下同步發(fā)電機效率可表示：

(1)

式中:PN為額定功率；∑p為發(fā)電機總損耗，對于齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機，∑p=pFe+pCua+pCufd+pCuth+pmec+pad，pFe為定子鐵損耗，pCua為電樞繞組銅損耗，pCufd為勵磁繞組銅損耗，pCuth為齒諧波繞組銅損耗，pmec為機械損耗，pad為附加損耗。對于普通永磁同步發(fā)電機，∑p=pFe+pCua+pmec+pad。鐵損耗與頻率、氣隙磁密和電機重量有關(guān)，對于額定參數(shù)和主要尺寸相同的電機，其鐵損耗看作相等。

齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機的銅損耗包括電樞繞組銅損耗pCua、勵磁繞組銅損耗pCufd和齒諧波繞組銅損耗pCuth3部分，其銅損耗比普通永磁同步發(fā)電機大一些。但由于所需要的勵磁功率較小，勵磁繞組銅損耗和齒諧波繞組銅損耗的比例很小，對發(fā)電機的運行效率影響不大。

pmec和pad則主要取決于電機材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等因素，可由參考經(jīng)驗公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出[6]，且對于同容量、構(gòu)造相近的電機，其機械損耗與附加損耗基本相同。

1.2 材料用量

電機制造成本主要取決于各類材料的用量。對于齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機包括定轉(zhuǎn)子硅鋼片、永磁體、電樞繞組、勵磁繞組和齒諧波繞組等材料；對于普通永磁同步發(fā)電機包括定轉(zhuǎn)子硅鋼片、永磁體、電樞繞組等材料。當(dāng)發(fā)電機的額定參數(shù)和主要尺寸相同時，電樞繞組和定轉(zhuǎn)子硅鋼片的用量基本相同。與普通永磁同步發(fā)電機相比，齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機增加了勵磁繞組和齒諧波繞組等用量，但減少了永磁體的用量，由于永磁體的價格大約為銅價格的10倍，因此其成本更低。

1.3 調(diào)磁能力

對于普通永磁同步發(fā)電機，氣隙磁場由永磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生。由于永磁磁動勢取決于永磁體的性能，而電樞磁動勢隨負(fù)載電流變化而變化，因此發(fā)電機端電壓難以保持恒定。對于齒諧波勵磁的混合勵磁永磁發(fā)電機，氣隙磁場由永磁磁動勢、電勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生。當(dāng)發(fā)電機負(fù)載發(fā)生變化時，可以調(diào)節(jié)電勵磁磁動勢實現(xiàn)端電壓的恒定。在不考慮磁路飽和的情況下，該發(fā)電機的調(diào)磁能力可表示：

(2)

式中:pFe為鐵磁磁極數(shù);pPM為永磁磁極數(shù)。

2 仿真計算與分析

2.1 電機結(jié)構(gòu)與參數(shù)

為了驗證理論分析的正確性，針對2臺永磁同步發(fā)電機進(jìn)行了仿真計算，其截面圖如圖2所示，永磁體為內(nèi)置式，呈V字型布置，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機主要參數(shù)

2臺永磁同步發(fā)電機電樞繞組均Y接，并聯(lián)支路數(shù)為1，每相串聯(lián)匝數(shù)為195匝。

為了便于對比，僅將普通永磁同步發(fā)電機的相對的2個永磁磁極改為鐵磁磁極，在鐵磁磁極極身布置電勵磁繞組，每極電勵磁繞組為230匝，在永磁磁極布置齒諧波繞組，每極諧波繞組為36匝，共108匝。

(a) 普通永磁電機

(b) 齒諧波勵磁的混合勵磁電機

2.2 仿真計算

采用電磁場有限元法針對這2臺永磁同步發(fā)電機進(jìn)行仿真計算。額定工況下，2臺電機定子鐵耗如圖3所示。

圖3 電機定子鐵耗波形圖

表2為2臺永磁同步發(fā)電機運行于額定工況下的各項損耗與效率比較，其中機械損耗和附加損耗采用經(jīng)驗公式計算[6]。

表2 2臺永磁發(fā)電機損耗和效率比較

由表2可知，對于額定參數(shù)和主要尺寸相同的2臺永磁同步發(fā)電機，當(dāng)其運行工況相同時，2臺發(fā)電機的定子電樞繞組銅損耗和定子鐵損耗基本相等，與前面的理論分析一致。對于齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機，盡管存在勵磁損耗和齒諧波繞組損耗，但其比例很小，因此其運行效率較普通永磁同步發(fā)電機略有下降。

表3為2臺永磁同步發(fā)電機主要材料用量比較。電樞繞組線徑為1.4 mm，諧波繞組與勵磁繞組線徑為1.18 mm。

表3 材料用量比較

由表3可知，2臺永磁發(fā)電機的用鐵量基本相同。普通永磁同步發(fā)電機的永磁體用量比齒諧波勵磁的混合勵磁多0.72 kg，而繞組用銅量少2.48 kg。但永磁體的價格為銅價格的10倍左右，因此，齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機的成本更低。

圖4為齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機空載特性曲線。

圖4 齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機空載特性曲線

由圖4可知，當(dāng)齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機的勵磁電流從0增加到4.5 A時，空載線電壓從347.87 V升至434.1 V，調(diào)壓幅度為86.23 V，調(diào)壓范圍為24.7%。根據(jù)式(2)，其調(diào)壓范圍理論上應(yīng)為1/3，主要是由于磁路飽和造成的。

普通永磁同步發(fā)電機外特性和齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機調(diào)整特性，如圖5所示。

(a) 永磁電機外特性曲線

(b) 齒諧波勵磁的混合勵磁

隨著負(fù)載電流的增大，電樞反應(yīng)去磁作用增強，永磁同步發(fā)電機輸出電壓下降，電壓調(diào)整率為8.76%，如圖5(a)所示；而齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機可通過調(diào)節(jié)鐵磁磁極的氣隙磁場，保持輸出電壓恒定，調(diào)節(jié)特性曲線如圖5(b)所示，有效地解決了永磁同步發(fā)電機的調(diào)磁問題。

3 結(jié) 語

齒諧波勵磁的混合勵磁發(fā)電機是一種新型的永磁同步發(fā)電機，針對該新型永磁同步發(fā)電機和普通永磁同步發(fā)電機進(jìn)行了對比和分析。當(dāng)2臺永磁同步發(fā)電機的額定參數(shù)和主要尺寸相同時，新型永磁同步發(fā)電機的運行效率略有下降，僅降低了1.2%，但其具有較寬氣隙磁場調(diào)節(jié)范圍，且永磁體用量較少，制造成本更低。

[1] 樊名迪，林輝，米月星.2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組的建模與仿真[J].微特電機，2012，40(7):26-29.

[2] 趙朝會,秦海鴻,嚴(yán)仰光.混合勵磁同步電機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].電機與控制學(xué)報,2006,10(2):113-117.

[3] 張琪,黃蘇融,謝國棟,等.獨立磁路混合勵磁電機的矩陣分析[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(18):106-112.

[4] 夏永洪，王善銘，邱阿瑞，等.新型混合勵磁永磁同步電機齒諧波電動勢的協(xié)調(diào)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(3):56-61.

[5] 夏永洪，王善銘，黃劭剛，等.齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，51(11):1557-1561.

[6] 戴文進(jìn)，楊莉.電機設(shè)計理論與實踐[M].北京:清華大學(xué)出版社，2013:208-267.