寬調磁范圍的混合勵磁同步發電機

周 琳，夏永洪,2，張 聰， 李夢茹

(1.南昌大學信息工程學院，南昌 330031；2.國網江西省電力公司電力科學研究院，南昌 330096)

0 引 言

永磁體的引入有效提高了發電機的運行效率，混合勵磁同步發電機的提出解決了常規永磁發電機勵磁磁場不可調的問題，使永磁發電機輸出電壓變得可控[1-3]。從現有的混合勵磁電機來看，盡管實現了永磁電機氣隙磁場的調節，但有些方案的氣隙磁場調節能力差，調節范圍不寬。對于串聯型的混合勵磁同步電機[4]，如圖1所示，由于電勵磁繞組建立的磁場需要通過永磁體，從而難以獲得寬范圍的氣隙磁場調節能力。此外，對于一些并聯型的混合勵磁同步電機[5]，如圖2所示，是通過調節每極下氣隙磁場的波形形狀以實現氣隙磁場的調節，并沒有增加每極磁通量，導致其氣隙磁場調節范圍小。

圖1 串聯型混合勵磁同步電機截面

圖2 并聯型混合勵磁同步電機截面

針對該問題，實驗室提出一種具有寬范圍氣隙磁場調節能力的混合勵磁同步發電機，該電機有4個永磁磁極和4個鐵磁磁極。闡述該混合勵磁同步發電機基本結構和氣隙磁場調節原理，采用Maxwell有限元軟件計算其運行特性，其氣隙磁場調節能力和計算結果的準確性，通過實驗室已研制的樣機實驗加以驗證。

1 混合勵磁同步發電機結構和原理

1.1 電機結構

混合勵磁同步發電機截面如圖3所示。該混合勵磁同步發電機的定子部分與傳統交流電機系統，包括定子鐵芯和電樞繞組。轉子部分包括轉子鐵芯、永磁體和勵磁繞組，永磁體以內置方式嵌在轉子鐵芯里，它產生的磁極稱為永磁磁極；勵磁繞組有2套：一套布置在永磁磁極鐵芯上，當發電機定子內部故障時，產生與永磁體相反的磁場，另一套布置在磁極極身，它產生的磁極稱為鐵磁磁極，主要用于調節氣隙的磁場的大小。由圖3可知，該發電機轉子由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成。

圖3 混合勵磁同步發電機截面

1.2 磁場調節原理

由于混合勵磁同步發電機磁場分布比較復雜，為了簡化分析，采用“場化路”的方法[6,7]，即將空間實際不均勻分布磁場轉化為等效磁路進行分析，同時僅考慮主磁路，忽略漏磁路。混合勵磁同步發電機空載運行時，永磁體建立的磁通路徑為勵磁磁路1，鐵磁磁極下的勵磁繞組建立的磁通路徑為勵磁磁路2，如圖4所示。

圖4 混合勵磁同步發電機磁路

對于勵磁磁路1，其等效磁路如圖5(a)所示。

圖5 混合勵磁同步發電機等效磁路

圖5中：Rs1、Rs2分別為定子齒、定子軛磁阻；Rδ為氣隙磁阻；Rr為 轉子鐵芯磁阻；Rpm為永磁體磁阻；Fpm、Ffdm分別為永磁磁動勢、電勵磁磁動勢；φm1、φm2分別為勵磁回路1、2的主磁通。

勵磁回路1的主磁通為：

(1)

當發電機設計好之后，永磁體產生的磁動勢為一恒定值，因此，其在永磁磁極產生的磁通不變。

對于勵磁回路2，其等效磁路如圖5(b)所示。

勵磁回路2的主磁通為：

(2)

當改變輸入到鐵磁磁極下勵磁繞組的電流大小時，可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的大小；改變勵磁電流的方向，則可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的方向，如圖6所示。

圖6 混合勵磁同步發電機空載氣隙磁密

2 混合勵磁同步發電機特性計算與實驗

為了驗證本文提出的混合勵磁同步發電機的寬范圍調磁能力，實驗室研制了一臺混合勵磁同步發電機樣機，其主要參數如表1所示。該樣機轉子由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成，定子與普通同步電機結構相同，定子鐵芯斜槽，斜一個定子齒距，每相電樞繞組串聯匝數為288匝，Y接，勵磁繞組每極匝數均為100匝，永磁磁極和鐵磁磁極下的勵磁繞組分別形成一條支路。

表1 混合勵磁發電機主要參數

基于Maxwell有限元軟件，計算了混合勵磁同步發電機空載特性和調節特性，并得到了發電機空載線電壓波形。此外，基于實驗室已有的測試平臺對混合勵磁同步發電機樣機特性進行了測試，如圖7所示。表2和表3分別為勵磁繞組輸入正、反向電流時的空載特性，圖8為勵磁電流為4 A時發電機空載線電壓波形，圖9為端電壓為400 V時的發電機調節特性。

由表2可知，當勵磁電流從0增加到8 A時，線電壓由251.04 V增加到512.69 V，增加了104.2%，表明了該混合勵磁發電機具有寬范圍的氣隙磁場調節能力。由表3可知，當勵磁電流反向時，混合勵磁發電機電樞電壓下降非常快，因此，當發電機外部電路發生故障時，可在勵磁繞組中通入反向勵磁電流，使鐵磁磁極產生的磁場在電樞繞組中感應的電動勢與永磁磁極的相反，從而實現發電機的快速降壓。此外，從仿真結果和實驗結果的對比來看，誤差較小，同時也說明了采用Maxwell有限元軟件計算的正確性。

圖7 發電機測試平臺

勵磁電流/A電樞電壓計算結果/V電樞電壓實驗結果/V誤差/%0248.2251.041.131293.19296.551.132338.12344.671.903382.88393.332.654426.44437.512.535463.62472.841.946484.77493.181.707497.6504.171.308506.78512.691.15

表3 勵磁繞組輸入反向電流時的空載特性

圖8 勵磁電流為4 A時發電機空載線電壓波形

圖9 端電壓為400 V時的發電機調節特性

3 結 語

圍繞提出的混合勵磁同步發電機進行了研究，該電機由4個永磁磁極和4個鐵磁磁極組成。介紹了該電機的基本結構，應用等效磁路法分析了該混合勵磁同步發電機氣隙磁場調節原理，并采用Maxwell軟件對該混合勵磁同步發電機特性進行了計算。計算結果表明：該混合勵磁同步發電機具有寬范圍的氣隙磁場調節能力，與實驗結果比較，驗證了計算方法的正確性。此外，當發電機外部電路發生故障時，可在鐵磁磁極下的勵磁繞組中通入反向電流，以實現發電機的快速滅磁。

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[1] Zhang Qi, Huang Surong, Xie Guodong. Design and experimental verification of hybrid excitation machine with isolated magnetic paths[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010,25(4):993-1 000.

[2] 趙朝會. 串聯磁路混合勵磁爪極發電機的結構設計和特性[J]. 電工技術學報, 2009,24(5):1-6,12.

[3] Yang Chengfeng, Lin Heyun, Guo Jian, et al. Design and analysis of a novel hybrid excitation synchronous machine with asymmetrically stagger permanent magnet[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008,44(11):4 353-4 356.

[4] G Henneberger, J R Hadji-Minaglou, R C Ciorba. Design andtest of permanent magnet synchronous motor with auxiliary excitation winding for electric vehicle application[C]∥ inProc. Eur. Power Electron. Chapter Symp., Lausanne, Switzerland, Oct. 1994:645-649.

[5] Amara Y, Vido L, Gabsi M, et al. Hybrid excitation synchronous machines: energy-efficient solution for vehicles propulsion[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009,58(5):2 137-2 149.

[6] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[7] 陳世坤. 電機設計[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 1990:23-42,50-63.