葛發(fā)華，吳 娜，卓 亮，趙 飛

(1.貴州航天林泉電機有限公司,貴陽 550081; 2.國家精密微特電機工程研究中心,貴陽 550081)

0 引 言

混合勵磁電機由兩種勵磁源相互作用，共同實現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換，是對單一勵磁概念的拓展和延伸[1]。永磁電機在工作時內(nèi)部的氣隙磁場基本保持恒定，在發(fā)電運行時，氣隙磁場調(diào)節(jié)困難，導(dǎo)致其輸出電壓不可控，在負(fù)載和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時不能提供穩(wěn)定電壓。電勵磁電機雖能較好地調(diào)節(jié)氣隙磁場，但具有較大的電樞反應(yīng)電抗，效率低下。為了解決單一勵磁技術(shù)的弊端，本文研究一種新型高速混合勵磁發(fā)電機，設(shè)計時要求發(fā)電機具備高轉(zhuǎn)速，并且在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)載條件下運行時能夠輸出一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定電壓。本文在單一勵磁電機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，除了盡可能保留永磁發(fā)電機的固有特性以外，還在發(fā)電機轉(zhuǎn)子右端加入電勵磁感應(yīng)子，輔助調(diào)節(jié)發(fā)電機的磁場，既改善了發(fā)電機的調(diào)壓能力，又滿足高轉(zhuǎn)速運行的要求。

本文首先介紹了高速混合勵磁發(fā)電機的工作原理，并從發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型和繞組出發(fā)，分析發(fā)電機的穩(wěn)壓能力；然后利用二維有限元方法分析了發(fā)電機變載側(cè)負(fù)載切換時電樞繞組間的耦合與穩(wěn)壓情況；最后通過對混合勵磁樣機進行性能實驗，驗證了發(fā)電機的結(jié)構(gòu)合理性以及功能完整性。

1 發(fā)電機工作原理

本文研究的混合勵磁發(fā)電機的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由主發(fā)定子、永磁段轉(zhuǎn)子和勵磁段轉(zhuǎn)子組成。主發(fā)定子上嵌放了能夠獨立工作的兩套電樞繞組，切割旋轉(zhuǎn)磁場時產(chǎn)生電動勢，輸出電壓；勵磁線圈則用于在不同工況下調(diào)節(jié)磁場，實現(xiàn)穩(wěn)壓。轉(zhuǎn)子上含磁鋼和感應(yīng)子兩部分，用于提供磁勢。

圖1 混合勵磁發(fā)電機三維結(jié)構(gòu)示意圖

主發(fā)定子、轉(zhuǎn)子和勵磁定子按一定方式牢固安裝后，原動機帶動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)主磁場，勵磁定子繞組通電后在不同負(fù)載工況下產(chǎn)生去磁或助磁磁場。當(dāng)發(fā)電機處于高轉(zhuǎn)速小負(fù)載工況下，勵磁繞組主要起去磁作用；反之，勵磁繞組主要起助磁作用。圖2(a)、圖2(b)分別表示了電勵磁在去磁和助磁時的磁通路徑。電勵磁助磁時氣隙磁場與主氣隙磁場方向相同，去磁時則相反。

(a)電勵磁助磁時磁路

(b)電勵磁去磁時磁路

調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，可使發(fā)電機調(diào)節(jié)點電壓不因負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化而變化，調(diào)節(jié)范圍為Imin～Imax，Imax為低轉(zhuǎn)速大負(fù)載時的勵磁電流，Imin為最高轉(zhuǎn)速空載時的勵磁電流。轉(zhuǎn)速越低，負(fù)載電流越小，勵磁電流越小。

2 電機的穩(wěn)壓性能分析

2.1 混合勵磁發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型

由于該混合勵磁電機含有兩套三相電樞繞組，使得繞組的自感、繞組間的互感都更為復(fù)雜，為了分析電機的運行狀態(tài)，建立該電機的數(shù)學(xué)模型。文獻[2]中分析并建立了多繞組電勵磁發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合文獻[2]給出的分析方法，給出本文研究的混合勵磁雙繞組發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，主要包括磁鏈方程和電壓方程：

Ψ=LI(1)

其中：

(3)

式中：Uf，Ψf，Rf分別為勵磁繞組兩端電壓、磁鏈和電阻。Ui，Ψi，Ri分別為電樞繞組兩端電壓、磁鏈和電阻(i為a1，b1，c1，a2，b2，c2)。

對于本文電機而言，定子上含有電樞繞組，另外還含有勵磁繞組，故磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子角、勵磁電流和電樞電流之間的復(fù)合函數(shù)。即：

Ψ(θ，ia，ib，ic，if)=LI(4)

結(jié)合式(2)和式(4)，得到混合勵磁發(fā)電機的電壓方程：

(5)

式(4)表示了磁鏈?zhǔn)莿畲烹娏鱥f,相電流ia,ib,ic及轉(zhuǎn)子位置角θ的多元非線性函數(shù)。推導(dǎo)得到式(5)，即混合勵磁發(fā)電機的非線性數(shù)學(xué)模型。由式(5)可知，該電機的輸出電壓主要與旋轉(zhuǎn)電動勢、自感與互感電動勢以及電機內(nèi)部的電阻電壓降三方面有關(guān)。

2.2 混合勵磁發(fā)電機的電樞繞組結(jié)構(gòu)

由發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型可知，要想實現(xiàn)電機穩(wěn)壓輸出，需從電機的多方面進行考慮。本文研究的電機采用了雙繞組結(jié)構(gòu)，繞組間的互感是影響電壓穩(wěn)定輸出的主要問題。由于勵磁繞組起調(diào)節(jié)作用，本文簡化了電感的分析過程，主要考慮兩套電樞繞組上的自感和互感。

圖3為兩套電樞繞組的連接示意圖。由圖3可知，兩套電樞繞組交錯隔槽嵌放在定子中，而非完全隔離地對稱分布在圓周兩側(cè)，電流通過時，定子繞組中存在互漏感，影響發(fā)電機的輸出電壓。因此，兩套繞組空間夾角的選取應(yīng)盡可能地滿足互漏感在d，q軸能夠解耦的要求。

圖3 采用隔槽嵌放方式的繞組連接示意圖

(6)

繞組的磁化自感Lmi在文獻[6]中給出了如式(7)所示的計算公式：

(7)

同時，假定兩套繞組之間的互漏感為Ml12，則Ml12可等效：

(8)

式(8)中Mlax，Mlay，Mlaz為兩套電樞繞組間對應(yīng)的互漏感。根據(jù)坐標(biāo)變換理論，MLd，MLq，MLm為轉(zhuǎn)換到d,q坐標(biāo)下兩套繞組在d/d軸或q/q軸間，以及d/q軸之間的等效互漏感，可用下式表示[9-10]：

(9)

式(9)中，α為兩套繞組間的電角度。為實現(xiàn)繞組間互漏感的解耦，對于3/3相雙繞組電機而言，根據(jù)式(8)，α為30°時，d，q軸之間的互漏感為0。

經(jīng)以上分析，為實現(xiàn)解耦，本文設(shè)計的兩套電樞繞組分別在圓周上三相對稱分布，且兩套繞組的空間角度設(shè)計為30°。這樣的繞組結(jié)構(gòu)減弱了自感與互感電動勢對輸出電壓的影響，進一步保證電壓穩(wěn)定輸出。

3 負(fù)載切換仿真分析

在分析負(fù)載切換情況下的電機性能時，本文假設(shè)最理想的條件：不考慮勵磁繞組與電樞繞組之間的耦合，且假設(shè)電勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢只受勵磁電流影響。本文著重分析該發(fā)電機兩套電樞繞組運行時的相互影響情況。利用Ansoft仿真軟件，建立高速發(fā)電機二維模型，調(diào)整激勵外電路，可實現(xiàn)單通道負(fù)載工況切換的仿真分析。圖4為電機變載運行工況仿真的控制外電路連接圖，圖4(a)示意了電機在雙通道運行的情況，圖4(b)為負(fù)載工況切換的控制電路。

在進行二維有限元仿真時，變載側(cè)從大負(fù)載切換到小負(fù)載(小負(fù)載切換到大負(fù)載)，觀察恒載側(cè)輸出電壓的變化情況。利用兩個脈沖開關(guān)控制切換過程，高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷，設(shè)置切換時間周期為0.6 ms。當(dāng)t=0.6 ms時，V2由高電平轉(zhuǎn)為低電平，控制S2斷開；V1由低電平轉(zhuǎn)為高電平，控制S1閉合，實現(xiàn)負(fù)載工況的切換。

(a) 負(fù)載切換仿真繞組帶載連接圖

(b) 負(fù)載切換控制電路圖

仿真時設(shè)置恒載側(cè)電流帶載24 A，電壓穩(wěn)壓31 V，變載側(cè)突加0～100 A的電流負(fù)載。得到變載側(cè)電流波形圖以及恒載側(cè)電壓波形圖，如圖5所示。

(a) 變載側(cè)電流負(fù)載波形

(b) 恒載側(cè)電壓波形

圖5中，在變載側(cè)突加負(fù)載時刻，恒載側(cè)電壓會出現(xiàn)尖端毛刺，而后又能迅速恢復(fù)平穩(wěn)。同時，利用二維有限元仿真得到帶載工況切換前后的繞組相電壓趨勢圖、電機輸出電壓波形圖，如圖6、圖7所示。

(a) 變載側(cè)繞組相電壓

(b) 恒載側(cè)繞組相電壓

圖7 負(fù)載切換時兩套繞組輸出電壓變化趨勢

根據(jù)仿真結(jié)果，得到如表1所示的相電流、相電壓以及輸出電壓前后變化情況。

表1 變載工況改變前后對比情況

從有限元仿真結(jié)果可見，變載側(cè)繞組在負(fù)載發(fā)生變化時，繞組相電壓、相電流和輸出電壓都隨之急劇改變；而恒載側(cè)繞組相電壓、相電流和輸出電壓所受影響較小，相電壓出現(xiàn)1.10 V的電壓降，輸出電壓從31.32 V降至29.44 V，最低值降至26.8 V。從輸出電壓趨勢圖可以看出，最終雙通道的輸出電壓在受到影響后重新恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)所用時間較短，電機穩(wěn)定性能高。

4 實驗驗證與數(shù)據(jù)分析

4.1 發(fā)電機負(fù)載切換驗證實驗

為保證電機的穩(wěn)定性能，該電機要求變載側(cè)帶載工況發(fā)生變化時，恒載側(cè)的輸出電壓不能低于24 V，且變載側(cè)電壓不能突降為0，否則將嚴(yán)重影響電機使用。為驗證負(fù)載切換后兩個工作通道之間的電壓影響情況，設(shè)定變載側(cè)帶載范圍為5～75 A，恒載側(cè)固定帶載10 A，不改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速，切換變載側(cè)所帶負(fù)載，觀察恒載側(cè)電壓值變化情況。實驗平臺如圖8所示，變載側(cè)通過調(diào)節(jié)電阻箱改變負(fù)載工況。

圖8 負(fù)載切換實驗平臺連接圖

變載側(cè)負(fù)載工況變化時，恒載側(cè)的輸出電壓變化情況如圖9所示。圖9中出現(xiàn)的尖端毛刺表示負(fù)載工況發(fā)生變化瞬間電壓值的突變。

圖9 負(fù)載切換恒載側(cè)電壓波形圖

對比圖5的有限元仿真結(jié)果和圖9的實驗結(jié)果可知，在帶載工況突變時刻，恒載側(cè)輸出電壓都會出現(xiàn)瞬時的跳變，然后快速恢復(fù)穩(wěn)定，仿真與實驗相互驗證。圖9顯示，變載側(cè)工況變化時，恒載側(cè)輸出電壓最低降至29.8 V，整體保持在29.8～32.5 V，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4.2 發(fā)電機穩(wěn)壓驗證實驗

本文設(shè)計的發(fā)電機要求恒載側(cè)輸出電壓穩(wěn)定輸出(28～32.5 V)，變載側(cè)輸出電壓(29～35 V)。試制樣機架臺進行實驗驗證，測試平臺如圖10所示。樣機的兩套電樞繞組引出后連接三相整流橋，兩組并聯(lián)后連接直流負(fù)載，控制開關(guān)控制通道的運行開斷狀態(tài)，電勵磁調(diào)節(jié)裝置控制勵磁電流的大小和方向。

(a) 實驗臺實物圖

(b) 實驗臺連接圖

利用計算機控制臺改變拖動臺轉(zhuǎn)速，并在同一轉(zhuǎn)速下運行不同負(fù)載工況。實驗對比9種工況：轉(zhuǎn)速24 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉(zhuǎn)速28 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉(zhuǎn)速36 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A。通過調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)電機在變速和變載情況下輸出要求范圍內(nèi)的電壓，結(jié)果如表2所示。

通過實驗得到表2的數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機在變速、變載條件下進行實驗，調(diào)節(jié)勵磁電流可使發(fā)電機雙通道輸出電壓在要求范圍內(nèi)，且恒載側(cè)的輸出電壓基本穩(wěn)定為31 V。實驗驗證了該電機的穩(wěn)壓性能較高，符合設(shè)計初衷，達到了設(shè)計指標(biāo)。

表2 發(fā)電機輸出電壓實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

為實現(xiàn)高速發(fā)電機在運行時能夠輸出穩(wěn)定電壓，設(shè)計了一種雙繞組冗余結(jié)構(gòu)的混合勵磁發(fā)電機。本文在分析其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了基于Ansoft軟件的仿真系統(tǒng)，并搭建了高速實驗臺對其進行實驗驗證。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果都表明，該電機設(shè)計合理，變載側(cè)負(fù)載工況發(fā)生變化時，恒載側(cè)電壓降符合技術(shù)要求；電機處于穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電壓不因負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化而變化。該高速發(fā)電機有較好的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能：負(fù)載突變時，輸出電壓經(jīng)過瞬時的跳變后能夠迅速達到新的穩(wěn)定值；在正常工作時，電機能夠提供穩(wěn)定的直流電源。