章建萍，梅 昆，韋覃程

（1.江西泰豪動(dòng)漫職業(yè)學(xué)院，江西南昌 330200；2.江西清華泰豪三波電機(jī)廠，江西南昌 330096）

根據(jù)電機(jī)原理和機(jī)理的不同，目前所出現(xiàn)的混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)可分為兩大類。一類是磁路復(fù)合式混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)，另一類是電路復(fù)合式混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)。磁路復(fù)合式混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)又分為轉(zhuǎn)子磁分路式徑向結(jié)構(gòu)混合永磁同步發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合永磁同步發(fā)電機(jī)。

徑向結(jié)構(gòu)混合永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)是在徑向磁化結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上分別于轉(zhuǎn)子每極永磁體外側(cè)緊貼放置瓦片形附加導(dǎo)磁體。在徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)中，由于附加導(dǎo)磁體、環(huán)形導(dǎo)磁橋以及附加氣隙的磁分路作用，永磁磁勢(shì)同時(shí)提供徑向磁通和軸向磁通。環(huán)形導(dǎo)磁橋內(nèi)的勵(lì)磁繞組沒有勵(lì)磁電流時(shí)，由于附加氣隙相對(duì)于主氣隙較小，永磁體磁場(chǎng)主要提供軸向磁通，電機(jī)處于弱磁狀態(tài)。勵(lì)磁繞組通入正方向勵(lì)磁電流時(shí)，勵(lì)磁磁場(chǎng)可以阻礙永磁體產(chǎn)生的軸向磁通，從而增大主氣隙磁通；勵(lì)磁繞組通入反向電流時(shí)，可以進(jìn)一步使主氣隙弱磁。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小和方向，就可調(diào)節(jié)氣隙中主磁場(chǎng)的大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和自動(dòng)恒定電壓的目的。

切向結(jié)構(gòu)磁分路式混合永磁發(fā)電機(jī)工作原理與徑向結(jié)構(gòu)磁分路式混合永磁發(fā)電機(jī)工作原理相同，只不過是永磁體從切向發(fā)出磁通。它也有徑向磁路和軸向磁路。徑向磁路經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子間的氣隙（主氣隙），再通過定子鐵心形成回路，叫主磁路（主磁通）。軸向磁路不經(jīng)過主氣隙，是漏磁通性質(zhì)的軸向磁分路。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小和方向，就可調(diào)節(jié)氣隙中主磁場(chǎng)的大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和恒定電壓的目的。

電路復(fù)合式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)目前最常見的有兩種。一種為并列式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)，另一種為并列式混合勵(lì)磁雙凸極永磁同步發(fā)電機(jī)。

該兩型電機(jī)均結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，工頻電機(jī)中未見成熟工業(yè)產(chǎn)品，所以一種新型雙勵(lì)雙控式混合永磁無刷同步發(fā)電機(jī)便出現(xiàn)了。

雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)是在雙永磁混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上升級(jí)換代發(fā)展出來的。雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)成功地采用了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無刷化的混合勵(lì)磁方案，應(yīng)用廣泛，既能設(shè)計(jì)成中頻混合永磁發(fā)電機(jī)，也能設(shè)計(jì)成工頻混合永磁發(fā)電機(jī)，同時(shí)，直接對(duì)補(bǔ)償勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁控制，提高了反應(yīng)速度。

但這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR）放置在轉(zhuǎn)子上，直接對(duì)永磁勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞電壓進(jìn)行正、反向勵(lì)磁調(diào)節(jié)。但這樣使AVR 操作、維修不方便。同時(shí)，由于AVR 是旋轉(zhuǎn)的，為確保其可靠性，AVR體積不能做得很大，影響了雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)品容量規(guī)格的擴(kuò)大，也影響了派生功能的擴(kuò)展。

所以，為提升雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的整體性能，提出了一種雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，通過新型的勵(lì)磁系統(tǒng)將AVR 從旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上搬到了不旋轉(zhuǎn)的定子側(cè)，并同樣能實(shí)現(xiàn)正、反向勵(lì)磁功能，同時(shí)解決了雙永磁混合勵(lì)磁永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)AVR 操作、維修不方便的問題，并能擴(kuò)展AVR 的功能。

1 雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)是在雙永磁混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其主體結(jié)構(gòu)與雙永磁發(fā)電機(jī)相同，只是它的勵(lì)磁系統(tǒng)是重新研發(fā)的。

它由前機(jī)蓋、前軸承、機(jī)座、復(fù)合定子、雙頻勵(lì)磁機(jī)定子、后機(jī)蓋、后軸承、永磁主轉(zhuǎn)子、電勵(lì)磁補(bǔ)償轉(zhuǎn)子、雙頻勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)風(fēng)扇（封閉式電機(jī)）、旋轉(zhuǎn)變壓器（又叫旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳感器）、外風(fēng)扇、風(fēng)扇罩（封閉電機(jī)）、雙向旋轉(zhuǎn)整流器、旋轉(zhuǎn)整流方向控制器、雙控式AVR、出線盒等組成。

復(fù)合定子是由永磁主發(fā)電機(jī)定子和電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)定子組成，二者左右放置，共用機(jī)座殼體，中間有間隙，作為補(bǔ)償轉(zhuǎn)子繞組端部的放置空間。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，定子側(cè)的間隙可由鐵心定子沖片填充，這樣鐵心制作簡(jiǎn)單，但增加重量；也可用齒壓板填充，但工藝稍復(fù)雜，不過可減重及進(jìn)行電機(jī)內(nèi)部合理風(fēng)路設(shè)計(jì)。

復(fù)合定子由復(fù)合定子鐵心和共用的電樞三相主繞組組成。復(fù)合定子中還有勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁源交流繞組——單相3次諧波繞組。

永磁主電機(jī)和電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子各自獨(dú)立，中間有存放勵(lì)磁繞組端部的間隙。它們分別安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。

永磁主轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軛和面貼式瓦形永磁體組成，永磁體用內(nèi)六角螺釘固定在轉(zhuǎn)子軛上，與傳統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同。

電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是凸極結(jié)構(gòu)的沖片式迭壓轉(zhuǎn)子，其上繞有勵(lì)磁繞組，補(bǔ)償轉(zhuǎn)子上可增設(shè)阻尼繞組，以改善電機(jī)性能。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)保證永磁轉(zhuǎn)子磁極與補(bǔ)償轉(zhuǎn)子磁極中心線對(duì)齊，預(yù)定極性要相同，即N 對(duì)N 極，S 對(duì)S 極。兩個(gè)電機(jī)的極弧系數(shù)不一定要相同，但要相近。

雙頻勵(lì)磁機(jī)是一種電勵(lì)磁式的勵(lì)磁機(jī)。它是定子為磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子為電樞的發(fā)電機(jī)。定子上有兩套勵(lì)磁繞組，其極數(shù)關(guān)系為：P1=2P2；轉(zhuǎn)子上有2套或3套電樞繞組，采用H 橋雙向旋轉(zhuǎn)整流電路則為兩套電樞繞組，一套為三相勵(lì)磁源繞組，另一套為單相控制信號(hào)源繞組，它們的頻率關(guān)系為f1=2f2。

采用雙路三相旋轉(zhuǎn)整流電路時(shí)，轉(zhuǎn)子電樞繞組為3套。其中2套三相繞組為同極數(shù)的正補(bǔ)和反補(bǔ)勵(lì)磁源繞組，頻率同為f1；另一套為單相控制信號(hào)源繞組，頻率為f2。二者頻率關(guān)系為f1=2f2。

2 雙勵(lì)雙控混合勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

雙勵(lì)雙控混合勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括：電勵(lì)磁的雙頻勵(lì)磁機(jī)（雙永磁發(fā)電機(jī)中是永磁勵(lì)磁機(jī)）、雙控式AVR、正反向勵(lì)磁控制信號(hào)傳遞的旋轉(zhuǎn)變壓器、雙向旋轉(zhuǎn)整流器和旋轉(zhuǎn)整流方向控制器。

從雙控AVR 的工作原理框圖可知，它由電壓信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)比較放大電路、控制調(diào)節(jié)電路、勵(lì)磁電流控制電路、方向信號(hào)控制電路、交流方向控制電路、直流穩(wěn)壓電源電路、電源變壓器、控制電機(jī)勵(lì)磁單元等組成。

雙控AVR 的工作原理為：直流穩(wěn)壓電源電路提供雙控AVR 的12 VDC 直流電壓。電源變壓器副邊提供直流穩(wěn)壓電路的工作電源、控制電機(jī)的直流勵(lì)磁電流及旋轉(zhuǎn)變壓器的交流信號(hào)電壓。AVR 電壓信號(hào)檢測(cè)電路將檢測(cè)采樣電壓信號(hào)輸入信號(hào)比較放大電路，進(jìn)行比較放大，是高于設(shè)定電壓（基準(zhǔn)電壓），還是低于設(shè)定電壓。比較放大后的差值信號(hào)電壓輸入到控制調(diào)節(jié)電路中，并根據(jù)差值電壓的正、負(fù)及其大小，通過該電路中的集成電路模塊的運(yùn)算，可以獲得兩個(gè)控制信號(hào)：一個(gè)是勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流大小的控制信號(hào)；另一個(gè)是補(bǔ)償發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方向的控制信號(hào)。勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流大小控制信號(hào)輸入到勵(lì)磁電流控制電路中，對(duì)主勵(lì)磁電流大小進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，以保證發(fā)電機(jī)端電壓的恒定。

方向控制信號(hào)輸入到方向信號(hào)控制電路后，根據(jù)方向信號(hào)電壓的特性，發(fā)電機(jī)端電壓低時(shí)，直流方向信號(hào)電壓高，可使方向信號(hào)控制電路中直流光耦原邊電路導(dǎo)通，使交流方向信號(hào)電路中光偶副邊的交流電路導(dǎo)通，有交流方向信號(hào)電壓輸入到旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊；當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓高時(shí)，控制調(diào)節(jié)電路輸出的直流方向控制信號(hào)電壓低，方向信號(hào)控制電路中直流光耦原邊電路不能導(dǎo)通，使光耦副邊也不能導(dǎo)通。此時(shí)，無交流的方向信號(hào)電壓輸入到旋變（XB）的原邊。該AVR 既能控制勵(lì)磁電流大小，又能控制補(bǔ)償轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的方向，故稱雙控AVR。

3 雙向旋轉(zhuǎn)整流器和旋轉(zhuǎn)整流方向控制器

雙向旋轉(zhuǎn)整流器原理電路見圖1，它由三相整流橋ZB 和開關(guān)管V1，V2，V3，V4及相關(guān)電阻元件組成，開關(guān)管V1，V2，V3，V4接成H 橋電路。H 橋輸入端接三相整流橋的正/負(fù)極，H 橋輸出端接補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組F1、F2。

圖1 雙向旋轉(zhuǎn)整流器原理圖

當(dāng)V1/V2開關(guān)管的控制極a1/b1和a2/b2收到旋轉(zhuǎn)整流方向控制器中驅(qū)動(dòng)器輸出的相應(yīng)a1/b1和a2/b2驅(qū)動(dòng)電信號(hào)后，V1/V2開關(guān)管導(dǎo)通，V3/V4開關(guān)管關(guān)閉，直流勵(lì)磁電流從F1流向F2，補(bǔ)償發(fā)電機(jī)處于正補(bǔ)勵(lì)磁工作狀態(tài)；當(dāng)V3/V4開關(guān)管的控制極c1/d1和c2/d2收到旋轉(zhuǎn)整流方向控制器中驅(qū)動(dòng)器輸出的相應(yīng)c1/d1和c2/d2驅(qū)動(dòng)電信號(hào)后，開關(guān)管V3/V4導(dǎo)通，V1/V2開關(guān)管關(guān)閉，直流勵(lì)磁電流從F2流向F1，補(bǔ)償發(fā)電機(jī)將處于反補(bǔ)勵(lì)磁工作狀態(tài)。

旋轉(zhuǎn)整流方向控制器原理電路見圖2。它主要由單相整流橋U1、三端穩(wěn)壓器N1、交流光偶開關(guān)U2、DC/DC 電源U3、U4、驅(qū)動(dòng)器模塊N2和N3及一些電阻、電容元件組成。

圖2 旋轉(zhuǎn)整流方向控制器原理圖

U1通過L2提供旋轉(zhuǎn)整流方向控制器電路的直流工作電源；交流光偶將交流方向信號(hào)變換為直流方向信號(hào)。U3、U4起直流工作電源隔離作用。

當(dāng)混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)輸出端電壓低于額定電壓時(shí)，旋變XB（即L3）將得電，旋轉(zhuǎn)整流方向控制器中的交流光偶開關(guān)將閉合，直流電路導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器N2和N3獲得高電位信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器N2和N3的a1/b1和a2/b2輸出節(jié)點(diǎn)將輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到雙向旋轉(zhuǎn)整流器中的V1/V2控制極，使V1/V2導(dǎo)通（此時(shí)V3/V4關(guān)閉），補(bǔ)償發(fā)電機(jī)處于正補(bǔ)工作狀態(tài)。

當(dāng)混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)輸出端電壓高于額定電壓時(shí)，旋變L3將沒有電壓，旋轉(zhuǎn)整流方向控制器中的交流光偶開關(guān)將會(huì)是斷開的，控制器中的直流電路將不導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器N2和N3得到的是零電位（或低電位）信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器N2和N3中的c1/d1和c2/d2會(huì)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到雙向旋轉(zhuǎn)整流器中的V3/V4的控制極，使V3/V4導(dǎo)通。此時(shí)，補(bǔ)償發(fā)電機(jī)處于反補(bǔ)工作狀態(tài)。

這種雙勵(lì)雙控混合勵(lì)磁系統(tǒng)，雖然旋轉(zhuǎn)整流方向控制器的電路較復(fù)雜，它有二路驅(qū)動(dòng)電路，用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器模塊，但與之配套的雙頻勵(lì)磁機(jī)就可以設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單些，總共只有4套繞組。定子上兩套，轉(zhuǎn)子電樞上兩套，其中一套為補(bǔ)償轉(zhuǎn)子正/反向勵(lì)磁的三相電源繞組；另一套為勵(lì)磁機(jī)中的控制信號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)子單相電樞繞組，為轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)整流方向控制器提供工作電源。因此轉(zhuǎn)子電樞上的槽形面積容易也滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

雙勵(lì)雙控式混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁主體是稀土永磁體，故仍為永磁發(fā)電機(jī)。為了使發(fā)電機(jī)的電壓能調(diào)節(jié)和恒定，增加了電勵(lì)磁的補(bǔ)償發(fā)電機(jī)，組成了混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。雙勵(lì)雙控混合勵(lì)磁系統(tǒng)，即雙控AVR 也與常規(guī)電勵(lì)磁AVR 不一樣，常規(guī)AVR 只控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，而雙控AVR 卻有兩種控制調(diào)節(jié)功能，一是控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的雙頻勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流大小，二是控制調(diào)節(jié)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的方向。

另一方面，將置于轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)AVR 轉(zhuǎn)移到不旋轉(zhuǎn)的定子側(cè)，解決了雙永磁混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)AVR 操作、維修不方便的問題，還擴(kuò)展了AVR 的功能；采用了電勵(lì)磁的雙頻式勵(lì)磁機(jī)；設(shè)計(jì)了專用的正、反向勵(lì)磁的雙向旋轉(zhuǎn)整流器裝置；設(shè)計(jì)了專門的旋轉(zhuǎn)整流方向控制器，實(shí)現(xiàn)正、反向勵(lì)磁狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)了雙控式電壓調(diào)節(jié)器AVR，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小和方向的雙重控制。