混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 三維磁場分析及磁路等效

劉萬振 李 巖 安忠良 唐任遠(yuǎn)

（沈陽工業(yè)大學(xué)國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，沈陽 110178）

1 引言

目前，永磁發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、效率高，運行可靠等一系列優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域[1-2]。但永磁電機(jī)一經(jīng)制成，其磁場很難調(diào)節(jié)。為彌補這一缺陷，一些學(xué)者開始研究混合勵磁發(fā)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)其電勵磁大小改變磁場強(qiáng)弱，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

混合勵磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣[3-7]。本文結(jié)合變速恒壓的特點針對圖1結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[8-9]對該結(jié)構(gòu)混合勵磁電機(jī)的原理及部分結(jié)構(gòu)尺寸的確定進(jìn)行了論述，并對樣機(jī)磁場進(jìn)行了三維有限元分析，文中均忽略了永磁體對電勵磁磁路的影響。但在研究中發(fā)現(xiàn)，永磁體對電勵磁的磁通有一定分流作用，而且隨著電勵磁的增加這種分流作用更加明顯，在一定程度上影響了電機(jī)的最大穩(wěn)壓調(diào)節(jié)范圍。

因此，本文通過計算電機(jī)的三維電磁場對永磁體的分流程度進(jìn)行了深入地研究，為電機(jī)最大穩(wěn)壓調(diào)節(jié)范圍的確定提供依據(jù)。最后給出對應(yīng)的電勵磁等效磁路并通過試驗進(jìn)行驗證。

圖1 混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2 工作原理

為了銜接后文，這里對該結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機(jī)的工作原理進(jìn)行簡要介紹。該發(fā)電機(jī)主要有三種運行狀態(tài)：①永磁體單獨勵磁狀態(tài)；②永磁體與電勵磁共同勵磁，電勵磁起去磁作用；③永磁體與電勵磁共同勵磁，電勵磁起增磁作用。下面對各運行狀態(tài)進(jìn)行分析。

（1）永磁體單獨勵磁狀態(tài)，如圖2（a）所示。此時直流勵磁電流為零，氣隙磁場僅由永磁體提供，鐵磁極對應(yīng)氣隙磁密幾乎為零。

圖2 混合勵磁發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)及磁通走向

（2）電勵磁去磁狀態(tài)，如圖2（b）所示。此時流過鐵磁極的磁通與同一極中永磁體產(chǎn)生的磁通方向相反，每極磁通降低；定轉(zhuǎn)子背軛中磁通由電勵磁繞組與永磁體共同產(chǎn)生，且方向相同。

（3）電勵磁增磁狀態(tài)，如圖2（c）所示。此時流過鐵磁極的磁通與同一極中永磁體產(chǎn)生的磁通方向相同，每極磁通增加。定轉(zhuǎn)子背軛中磁通由電勵磁繞組與永磁體共同產(chǎn)生，但方向相反[8-9]。

3 有限元分析

本文以某10kW電動機(jī)為例，應(yīng)用大型商用有限元軟件對該結(jié)構(gòu)混合勵磁永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維電磁場進(jìn)行分析。圖3～5分別為電勵磁三種狀態(tài)（零、增磁和去磁）下混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙磁場的分布情況。從圖3可以看出，當(dāng)電勵磁電流為零時，在氣隙中，大部分磁通經(jīng)過永磁體表面，僅有少量的磁通經(jīng)過鐵磁極表面，此時鐵磁極表面平均磁密僅為0.048T，因而在永磁體單獨勵磁時可忽略電勵磁磁路的作用。從圖4～5可以看出，當(dāng)通入電勵磁之后，同一極中永磁體對應(yīng)氣隙磁密的高低略有不同。為量化電勵磁的影響程度，得到對應(yīng)軸切面二維氣隙磁密分布（如圖6）?？梢钥闯觯?dāng)直流勵磁起增/去磁作用時，產(chǎn)生與電勵磁同向磁通的永磁體對應(yīng)的氣隙磁密升高，產(chǎn)生與電勵磁反向磁通的永磁體對應(yīng)的氣隙磁密降低。為了進(jìn)一步分析電勵磁磁場的分布情況，通過三維電磁場計算得到電勵磁單獨作用時的氣隙磁密分布（圖7～8）?？梢钥闯觯陔妱畲艈为氉饔脮r，也會有少量磁通經(jīng)過磁導(dǎo)率較低的永磁體，其對應(yīng)氣隙磁密約為0.15T。因此，本文認(rèn)為在電勵磁磁路設(shè)計時，不能將其看成獨立的磁路來分析，還要考慮永磁體磁路對其的分流作用。

圖3 直流勵磁為零時一對極對應(yīng)的氣隙磁密

圖4 直流勵磁為1600安匝（增磁） 時一對極對應(yīng)的氣隙磁密

圖5 直流勵磁為-1600安匝（去磁） 時一對極對應(yīng)的氣隙磁密

圖6 軸切面氣隙磁密分布圖

圖7 只有直流勵磁（1600安匝增磁） 作用下一對極對應(yīng)的氣隙磁密

圖8 只有直流勵磁（-1600安匝去磁） 作用下一對極對應(yīng)的氣隙磁密

4 磁路等效

根據(jù)前面三維電磁場分析結(jié)果，本文在文獻(xiàn)[8]原有等效磁網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得出混合勵磁發(fā)電機(jī)的一對一半寬度磁極的新等效磁網(wǎng)絡(luò)模型（如圖9所示），以及永磁體磁路等效模型和電勵磁磁路等效模型（如圖10～11所示）。圖中，Rg1、Rg2為氣隙磁阻，RgL、RgL11、RgL12、RgL21、RgL22為漏磁阻，Rpm-N1、Rpm-S1、Rpm-N2、Rpm-S2為永磁體的磁阻，Riron為鐵磁極的磁阻，Rs-yoke1、Rs-yoke2為定子軛的磁阻，Rs-tooth1、Rs-tooth2為定子齒部的磁阻，Raxial-add、Raxial-yoke為軸向磁路的磁阻，Rs-add為定子背軛的磁阻，Rt為轉(zhuǎn)子磁阻，F(xiàn)DC-field為等效的電勵磁磁動勢，F(xiàn)pm-N1、Fpm-S1、Fpm-N2、Fpm-S2為等效的永磁體勵磁磁動勢。

各部分磁路參數(shù)的關(guān)系可按照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行相應(yīng)推導(dǎo)，這里就不做詳細(xì)介紹了。需要說明的是，該等效網(wǎng)絡(luò)為三維網(wǎng)絡(luò)，其永磁體磁極段與混合勵磁磁極段磁路并不是在同一平面上，在求解磁路時應(yīng)注意。

圖9 混合勵磁發(fā)電機(jī)磁路等效模型

圖11 電勵磁磁路等效模型

5 試驗驗證

根據(jù)前面的分析結(jié)果，結(jié)合修改后的等效磁路對該結(jié)構(gòu)混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性進(jìn)行確定，并通過樣機(jī)試驗進(jìn)行驗證。

圖12 發(fā)電機(jī)純阻性負(fù)載穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性

圖12 為磁路改進(jìn)前后所得電機(jī)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性（熱態(tài)）與試驗結(jié)果的比較，其電勵磁在±2400安匝范圍內(nèi)變化，輸出電壓穩(wěn)定在400V?？梢钥闯?，當(dāng)電勵磁起增磁作用時，利用改進(jìn)后磁路模型所得電機(jī)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性與試驗結(jié)果吻合得較好。當(dāng)電勵磁起去磁作用時，試驗特性偏離較多，這是因為該電機(jī)為阻隔電勵磁軸向漏磁端蓋采用徑向厚度約28mm隔磁套，而并非完全采用非導(dǎo)磁材料制作端蓋，隨著電勵磁軸向磁通的增大，端蓋的漏磁分流作用增加所致。從圖中還可以看出，利用改進(jìn)前磁路模型所得電機(jī)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性在±2400安匝范圍內(nèi)仍呈線性變化，對應(yīng)得到的最大穩(wěn)壓調(diào)節(jié)范圍較大，與實際相差較遠(yuǎn)。經(jīng)試驗測得當(dāng)電勵磁在±2400安匝范圍內(nèi)變化時，該電機(jī)可實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的轉(zhuǎn)速范圍為74.7～98.7r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速為87.1r/min時電勵磁電流為零。

綜上所述，在確定該電機(jī)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)特性時應(yīng)充分考慮永磁體分流作用，本文所提出的磁路改進(jìn)模型經(jīng)過試驗驗證可用于實際工程應(yīng)用。

6 結(jié)論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于三維磁場的有限元計算對圖1所示結(jié)構(gòu)混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁路進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出：當(dāng)無電勵磁作用時，永磁體磁路可完全獨立考慮，可忽略鐵磁極的分流作用。但當(dāng)加入電勵磁進(jìn)行磁場調(diào)節(jié)時，永磁體對電勵磁磁路的分流作用則不能忽略，其影響電動機(jī)的最大穩(wěn)壓調(diào)節(jié)范圍。為了更好的設(shè)計該類電動機(jī)，結(jié)合電磁場分析結(jié)果，提出了電勵磁磁路改進(jìn)等效模型，并通過試驗驗證了它的可行性。

[1] 唐任遠(yuǎn)等.現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2] Spooner E.,Williamson A.C.Direct coupled,permanent magnet generators for wind turbine applications.Electric Power Applications,1996,143(1)：1-8.

[3] 朱孝勇,程明,趙文祥等.混合勵磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008,23(1)：30-39.

[4] 張琪,應(yīng)紅亮,黃蘇融等.旁路式混合勵磁電機(jī)初探[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2006,33(12)：17-21.

[5] Finken T.,Hameyer K.Study of Hybrid Excited Synchronous Alternators for Automotive Applications Using Coupled FE and Circuit Simulations.IEEE Transactions on Magnetics,2008,44(6)：1598-1601.

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

[7] 趙朝會,秦海鴻,張卓然等.磁分路式徑向結(jié)構(gòu)混合勵磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2008,28(11)：145-150.

[8] 王惠軍.混合勵磁永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計研究(碩士學(xué)位論文).沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2006.

[9] Tapia J.A.,Leonardi F.,Lipo T.A.Consequent Pole Permanent Magnet Machine with Extended Field Weakening Capability.IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(6)：1704-1709.