張春莉，宮海龍,2，王 亮，張艷竹，宋敏慧

?

新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)用無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁性能分析

張春莉1，宮海龍1,2，王 亮1，張艷竹1，宋敏慧1

（1. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），哈爾濱 150040）

本文提出了新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)，它由混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成，其中混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的兩部分——永磁體和電勵(lì)磁組成，定子鐵心沿軸向分為三段：永磁部分定子鐵心、電勵(lì)磁部分定子鐵心以及中間部分定子鐵心，其中中間部分定子鐵心采用非導(dǎo)磁材料。新型混合勵(lì)磁系統(tǒng)具有永磁電機(jī)高效、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。本文僅針對(duì)新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)中的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行分析，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子與混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)固定在同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的二極管整流將交流變?yōu)橹绷?，供給混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。同時(shí)本文采用電磁場(chǎng)有限元法對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁運(yùn)行機(jī)理和電磁性能進(jìn)行分析，其中包括供電電源類型、定子電流特性和轉(zhuǎn)矩特性等。本研究成果對(duì)掌握無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行特性具有重要作用。

發(fā)電系統(tǒng)；無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)；混合勵(lì)磁；電磁性能；有限元法

前言

永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度大的突出優(yōu)點(diǎn)。但是，永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)節(jié)和滅磁困難，從而限制了高效永磁電機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，由于永磁電機(jī)直軸磁路中存在磁導(dǎo)率很低的永磁體，使得直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小很多，因而其固有電壓調(diào)整率低。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，永磁電機(jī)一旦制成，由于制造工藝及永磁體工作點(diǎn)變化等原因，往往導(dǎo)致電機(jī)在負(fù)載變化范圍內(nèi)輸出電壓無(wú)法滿足需求，即因其電壓難以調(diào)整而無(wú)法使用[6]。

由此，本文提出了新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)，新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)由混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子相同，但定子鐵心沿軸向分為三段：永磁部分定子鐵心、電勵(lì)磁部分定子鐵心以及中間部分定子鐵心，其中中間部分定子鐵心采用非導(dǎo)磁材料。轉(zhuǎn)子由結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的兩部分——永磁體和電勵(lì)磁組成。混合勵(lì)磁電機(jī)中同時(shí)存在兩種磁勢(shì)源：永磁磁動(dòng)勢(shì)和電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)主要由永磁部分產(chǎn)生，電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要是對(duì)永磁電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)解。無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)與混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)同軸。整個(gè)新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)布置如圖1。

為了徹底杜絕因碳刷和滑環(huán)接觸不良、碳刷長(zhǎng)期磨損而發(fā)生的各種電機(jī)故障，提出新型混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁部分采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)提供勵(lì)磁，此無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)由無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流兩部分組成，其系統(tǒng)簡(jiǎn)單示意如圖2所示。無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子與混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸。當(dāng)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組通過(guò)三相交流調(diào)壓器通電后，就會(huì)在無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出交流三相電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)固定在同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的二極管整流后變?yōu)橹绷麟娏?，供給混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁[8,9,11]?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)控制無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的定子磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[2,10,11]。其中定子三相交流電可以由混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電直接提供，大大節(jié)約了能源的消耗。

1-無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心；2-無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)定子鐵心；3-無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)定子機(jī)座；4-混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子繞組；5-永磁部分定子鐵心；6-永磁體；7-電勵(lì)磁部分定子鐵心；8-電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子鐵心；9-整流環(huán)；10-整流橋；11-電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子繞組；12-交流引出線；13-無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組

圖2 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)

本文根據(jù)新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)用無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)特點(diǎn)，采用電磁場(chǎng)有限元法對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁性能及對(duì)其產(chǎn)生主要影響的因素進(jìn)行了計(jì)算與分析，本研究成果對(duì)掌握無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行特性具有重要作用。

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

由于傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法有很多簡(jiǎn)化處理，無(wú)法模擬電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)、瞬變運(yùn)行狀態(tài)及飽和的影響，因此本文采用二維瞬變有限元數(shù)值方法對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行計(jì)算與分析[13]。本文以7.5kW新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)用無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算與分析，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)基本數(shù)據(jù)如表1，其設(shè)計(jì)方法參考文獻(xiàn)[1,3,4,12,16]。

表1 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)基本參數(shù)

采用瞬變有限元法求解時(shí)，其矢量磁位方程和求解場(chǎng)域所滿足的邊值問(wèn)題為

所建立的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)有限元求解區(qū)域如圖3所示，剖分網(wǎng)格如圖4所示。定義定子外表面I為一類齊次邊界條件，AB、GF、CD、ED定義為整周期邊界條件。

圖3 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)求解區(qū)域

3 額定負(fù)載運(yùn)行電磁性能分析

額定運(yùn)行下要求無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)在3000r/min額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)整流器整流后，勵(lì)磁電流達(dá)到4.5A。為模擬此運(yùn)行狀態(tài)，在二維磁場(chǎng)數(shù)值分析中，需在有限元模型（圖3）基礎(chǔ)上搭建外電路，以場(chǎng)路耦合方式模擬電機(jī)真實(shí)狀態(tài)。當(dāng)定子繞組通三相反相序交流電時(shí)，通過(guò)調(diào)解定子電壓幅值，使轉(zhuǎn)子輸出電流達(dá)到所需值，此時(shí)所需能量最少（詳細(xì)分析見(jiàn)第4部分），其外電路如圖5所示。

圖4 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)剖分網(wǎng)格

圖5 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)外電路

圖5(a)定子繞組回路中：FA、FB、FC分別為A、B、C三相定子繞組，u、u、u為定子三相電壓源，通反相序電壓：

定子電壓波形如圖6所示。在圖5(b)轉(zhuǎn)子繞組回路中：FU、FV、FW分別為U、V、W三相轉(zhuǎn)子繞組，R1和L1分別為混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子繞組電阻和電感。

圖6 定子電壓波形

由場(chǎng)路耦合有限元分析，得到定子電流、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子整流后電流波形分別如圖7（a）、（b）和（c）所示。由于無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)負(fù)載是一個(gè)經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供電的阻感負(fù)載（是一個(gè)非線性負(fù)載），加之由于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電抗的存在，換相時(shí)要阻止電流突變，即整流時(shí)轉(zhuǎn)子電流不能瞬間從一相轉(zhuǎn)換到另一相，而需要一定的“時(shí)間”，因此轉(zhuǎn)子輸出電流波形如7(b)，其諧波分析結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。某一時(shí)刻磁場(chǎng)分布如圖8所示。

圖7 電流波形

圖8 某一時(shí)刻磁場(chǎng)分布

4 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁性能分析

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁性能影響因素有很多，下面對(duì)其不同電源類型及不同轉(zhuǎn)差率影響進(jìn)行計(jì)算與分析。

4.1 三相交流電源供電

定子繞組施加三相交流電壓源，可以有正序和負(fù)序兩種通電方式。在正序和負(fù)序電源供電下，使無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行，即3000r/min轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)整流器整流后勵(lì)磁電流達(dá)到4.5A，計(jì)算得到定子電壓、定子電流、功率因數(shù)等參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 額定運(yùn)行時(shí)正序和負(fù)序電源供電情況下定子參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)定子三相交流負(fù)序電源所需能量比正序小很多，而且有功部分占比較大；同時(shí)定子電壓、定子電流、定子電密也小，這樣可以降低定子繞組發(fā)熱并降低電機(jī)成本。

4.2 單相交流電源供電

三相電機(jī)的電源應(yīng)為三相電源，但實(shí)際上常會(huì)遇到只有單相電源的問(wèn)題，特別是在家用電器上。因此必須對(duì)定子繞組做適當(dāng)?shù)母慕?，以使三相電機(jī)適應(yīng)于單相電源而正常工作。

當(dāng)三相繞組串聯(lián)時(shí)，定子通入單相交流電時(shí)磁場(chǎng)是脈動(dòng)磁場(chǎng),每相磁勢(shì)相同，因此在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)的電壓基本相同，使得電勢(shì)差近似為零，在轉(zhuǎn)子繞組中無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，無(wú)法達(dá)到要求。因此定子繞組接線要保證內(nèi)部?jī)蓚€(gè)繞組的位置有空間角度差，使兩相電流在時(shí)間上有一定的相位差。

圖9 整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波形

接線方法：可將無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)定子繞組中的任意兩相繞組首先串聯(lián)，然后再與另一相繞組并聯(lián)接入電源，此時(shí)定子電流在時(shí)間上產(chǎn)生相位差。計(jì)算得到額定負(fù)載運(yùn)行下,定子單相交流電源電壓的有效值為7.8V，定子繞組最大電流有效值為9.98A，其對(duì)應(yīng)電密為4.72A/mm2。額定負(fù)載運(yùn)行單相交流電源供電時(shí)，定子電密分布不均勻，最大電密大約為三相交流負(fù)序電源供電時(shí)的2倍；同時(shí)經(jīng)整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波動(dòng)較大，如圖9所示，波動(dòng)范圍大概在4%左右。

4.3 直流電源供電

直流電源供電與單相交流電源原理相同，因此也采用4.2中采取的接線方法。計(jì)算得到額定負(fù)載運(yùn)行下定子直流電源電壓為1.33V，定子繞組最大電流有效值為11.98A，其對(duì)應(yīng)電密為5.67A/ mm2。定子電密大約為三相交流負(fù)序電源供電時(shí)的2.5倍；經(jīng)整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波動(dòng)很小。

4.4 定子電流特性

下面無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)特性計(jì)算都是在負(fù)序三相交流電源供電下進(jìn)行的。

4.4.1 轉(zhuǎn)子輸出功率不變時(shí)

保持轉(zhuǎn)子輸出功率不變（80W），此時(shí)轉(zhuǎn)子整流輸出電流為4.5，對(duì)不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行下電機(jī)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低，即轉(zhuǎn)差率越低，所需定子能量越大，定子電流越大。定子電流1隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示。

圖10 定子電流隨轉(zhuǎn)速變化曲線I1=f(n)

4.4.2 轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)

轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變（3000r/min），定子電流1與轉(zhuǎn)子輸出功率2之間的關(guān)系如圖11。隨著負(fù)荷增大，定子電流逐漸增大。

圖11 定子電流隨輸出功率變化曲線I1=f(P2)

4.5 轉(zhuǎn)矩特性

4.5.1 轉(zhuǎn)子輸出功率不變時(shí)

轉(zhuǎn)子輸出功率不變(80W)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖12所示。隨著轉(zhuǎn)速增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小。

圖12 電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線Te=f(n)

4.5.2 轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)

圖13 電磁轉(zhuǎn)矩隨輸出功率變化曲線Te=f(P2)

轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變（3000r/min），電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子輸出功率2之間的關(guān)系如圖13所示。隨著負(fù)荷增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大。

5 結(jié)論

本文針對(duì)新型混合勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)要求，對(duì)供給混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其性能進(jìn)行了計(jì)算與分析。

本文無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，其轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的交流三相電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流為混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。通過(guò)電磁場(chǎng)有限元法獲得無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)性能如下：

（1）采用三相交流負(fù)序電源定子電密比正序電源、單相交流電和直流電要小很多，可以降低定子繞組發(fā)熱并降低電機(jī)成本。

（2）轉(zhuǎn)子輸出功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)速越低，所需定子能量越大，定子電流越大；轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)，隨著負(fù)荷增大，定子電流逐漸增大。

（3）轉(zhuǎn)子輸出功率不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小；轉(zhuǎn)子輸出功率變化時(shí)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，隨著負(fù)荷增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大。

本研究成果對(duì)掌握無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行特性及同類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要作用。

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

[2] M. Machmoum. Steady-state analysis of a doubly-fed asynchronous machine supplied by a current-controlled cycloconverter in the rotor[J]. PIEE-B. 1992, 139(2): 114-122.

[3] 湯蘊(yùn)璆, 史乃, 等. 電機(jī)學(xué)[M]. 西安交通大學(xué)出版社, 1993.

[4] 許善椿, 等. 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的原理、能量關(guān)系和應(yīng)用[J]. 哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào), 1995(1): 24-33.

[5] ALAN WALLACE etc. Rotor Modeling and development for Brushless Doubly-Fed Machines[J]. Electric Machinces&Power systems, 1995, 23(6):703-715.

[6] 黃文新，等.混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)及其設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),1996(5):9-12.

[7] 張瑋，等. 無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 34(5):507-510.

[8] 楊順昌. 無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(7): 107-110.

[9] 鄧先明, 等. 無(wú)刷雙饋電機(jī)工作原理及電磁設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(11): 126-132.

[10] 陳興衛(wèi), 等. 同步電動(dòng)機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)[J]. 防爆電機(jī), 2003(4): 21-24.

[11] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[12] 何東霞, 等. 無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)[J]. 電機(jī)技術(shù), 2006(4):14-16.

[13] 何東霞，等. 無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)及有限元分析[J]. 微特電機(jī), 2006, 34(2):8-10.

[14] X Wang etc. Design of the Brushless Doubly-Fed (Induction) Machine[C]. IEEE International Electric Machines and Drives Conferences, 2007, 2:1508-1513.

[15] 張經(jīng)緯，等. 無(wú)刷雙饋電機(jī)等效電路及運(yùn)行狀態(tài)分析[J]. 微電機(jī), 2009, 42(12):9-12.

[16] 張春莉, 孫玉田. 同步電動(dòng)機(jī)用無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電磁設(shè)計(jì)研究[J].大電機(jī)技術(shù), 2013(6):1-4.

Performance Analysis of Brushless Exciter in a Novel Hybrid Excitation Power System

Zhang Chunli1, GONG Hailong1,2,WANG Liang1, ZHANG Yanzhu1, SONG Minhui1

（1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040,China;2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China）

A novel hybrid excitation power system is presented in this paper. It is consist of hybrid excitation generator, brushless exciter and rotating rectifier. The rotor of hybrid generator is made of permanent magnet (PM) and electro-exciting similar with the rotor of non-salient synchronous machine. The stator core of hybrid generator is divided into three parts, corresponding to the PM, electro-exciting and parts between them separately. Only brushless exciter in the system is analyzed. The structure of the exciter is similar with the wounded rotor induction machine, and the rotor windings are connected to the electro-exciting of the hybrid generator by the rectifier. The theory and performance of exciter are calculated using the finite element method (FEM), which include the type of power supply, stator current characteristics, and electromagnetic torque characteristics.

power generating system; brushless exciter；hybrid excitation generator；electromagnetic performance；finite element method(FEM)

TM301.4.+4

A

1000-3983(2017)04-0029-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51407040)

2017-01-24

張春莉（1975-），1997年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)微特電機(jī)及控制電器專業(yè)，主要從事電機(jī)電磁場(chǎng)的理論研究與分析工作，高級(jí)工程師。

宮海龍（1981-），2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，博士，目前主要從事永磁電機(jī)研發(fā)與設(shè)計(jì)，高級(jí)工程師。（通訊作者）