永磁同步發電機比較與分析

夏永洪，劉俊波，李夢茹，劉 沖，熊哲浩

(南昌大學，南昌 330031)

0 引 言

相較于傳統電勵磁同步發電機，永磁同步發電機以永磁體替代電勵磁繞組建立電機主磁場，擁有高效率的特點；同時，引入永磁體可輕松實現電機的無刷化，故永磁電機具有運行可靠的特點；此外，隨著近年來高性能稀土永磁材料的發展，永磁體的磁能積與矯頑力大幅提升，令永磁電機擁有高功率密度的特點。為此，永磁同步發電機在諸多領域中，特別在直驅式風力發電系統中應用廣泛[1]。

雖然永磁體的低磁導率使得永磁同步發電機外特性較好，但永磁體不同于電勵磁繞組，磁場無法直接調節，在一定程度上限制了永磁同步發電機的進一步推廣。為了解決該問題，有學者提出了混合勵磁電機的概念，在永磁電機的基礎上保留部分勵磁繞組用以解決調磁問題。其中氣隙磁場主要由永磁體建立，電勵磁繞組起輔助作用，以調節氣隙磁場[2-3]。

電機內各種諧波磁場含量豐富，通過恰當布置諧波繞組，獲取電機內諧波磁場作為勵磁電源以解決永磁電機的調磁問題，是電機領域的一個新的研究方向[4-5]。相較于三次諧波勵磁需要通過電刷或交流勵磁機、五次諧波勵磁通常需采用集中整距電樞繞組的布置方式，文獻[5]提出的齒諧波勵磁方案，其原理是利用電機內固有的齒諧波磁場，在轉子齒諧波繞組中感應的諧波電動勢整流后直接提供給發電機的勵磁繞組，如圖1所示。該電機在無交流勵磁機的情況下，實現了電機的無刷化，且諧波勵磁功率不受定子電樞繞組形式的影響。

圖1 齒諧波勵磁的混合勵磁發電機原理圖

齒諧波勵磁的混合勵磁發電機是一種新型的永磁發電機，該發電機定子與普通永磁發電機定子相同，轉子有永磁體、勵磁繞組和齒諧波繞組，永磁體形成的永磁磁極和電勵磁繞組形成的鐵磁磁極的數量，可以根據發電機的調磁范圍設定。本文從運行效率、材料用量以及調磁能力3個方面與普通永磁同步發電機進行比較與分析。針對額定參數和主要尺寸相同的2臺永磁同步發電機進行了仿真計算，并結合仿真計算結果進行比較與分析。

1 比較與分析

1.1 運行效率

效率是衡量電機性能的一個重要指標，額定工況下同步發電機效率可表示：

(1)

式中:PN為額定功率；∑p為發電機總損耗，對于齒諧波勵磁的混合勵磁發電機，∑p=pFe+pCua+pCufd+pCuth+pmec+pad，pFe為定子鐵損耗，pCua為電樞繞組銅損耗，pCufd為勵磁繞組銅損耗，pCuth為齒諧波繞組銅損耗，pmec為機械損耗，pad為附加損耗。對于普通永磁同步發電機，∑p=pFe+pCua+pmec+pad。鐵損耗與頻率、氣隙磁密和電機重量有關，對于額定參數和主要尺寸相同的電機，其鐵損耗看作相等。

齒諧波勵磁的混合勵磁發電機的銅損耗包括電樞繞組銅損耗pCua、勵磁繞組銅損耗pCufd和齒諧波繞組銅損耗pCuth3部分，其銅損耗比普通永磁同步發電機大一些。但由于所需要的勵磁功率較小，勵磁繞組銅損耗和齒諧波繞組銅損耗的比例很小，對發電機的運行效率影響不大。

pmec和pad則主要取決于電機材質、結構、生產工藝等因素，可由參考經驗公式、經驗數據得出[6]，且對于同容量、構造相近的電機，其機械損耗與附加損耗基本相同。

1.2 材料用量

電機制造成本主要取決于各類材料的用量。對于齒諧波勵磁的混合勵磁發電機包括定轉子硅鋼片、永磁體、電樞繞組、勵磁繞組和齒諧波繞組等材料；對于普通永磁同步發電機包括定轉子硅鋼片、永磁體、電樞繞組等材料。當發電機的額定參數和主要尺寸相同時，電樞繞組和定轉子硅鋼片的用量基本相同。與普通永磁同步發電機相比，齒諧波勵磁的混合勵磁發電機增加了勵磁繞組和齒諧波繞組等用量，但減少了永磁體的用量，由于永磁體的價格大約為銅價格的10倍，因此其成本更低。

1.3 調磁能力

對于普通永磁同步發電機，氣隙磁場由永磁磁動勢和電樞磁動勢共同產生。由于永磁磁動勢取決于永磁體的性能，而電樞磁動勢隨負載電流變化而變化，因此發電機端電壓難以保持恒定。對于齒諧波勵磁的混合勵磁永磁發電機，氣隙磁場由永磁磁動勢、電勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產生。當發電機負載發生變化時，可以調節電勵磁磁動勢實現端電壓的恒定。在不考慮磁路飽和的情況下，該發電機的調磁能力可表示：

(2)

式中:pFe為鐵磁磁極數;pPM為永磁磁極數。

2 仿真計算與分析

2.1 電機結構與參數

為了驗證理論分析的正確性，針對2臺永磁同步發電機進行了仿真計算，其截面圖如圖2所示，永磁體為內置式，呈V字型布置，電機主要參數如表1所示。

表1 永磁電機主要參數

2臺永磁同步發電機電樞繞組均Y接，并聯支路數為1，每相串聯匝數為195匝。

為了便于對比，僅將普通永磁同步發電機的相對的2個永磁磁極改為鐵磁磁極，在鐵磁磁極極身布置電勵磁繞組，每極電勵磁繞組為230匝，在永磁磁極布置齒諧波繞組，每極諧波繞組為36匝，共108匝。

(a) 普通永磁電機

(b) 齒諧波勵磁的混合勵磁電機

2.2 仿真計算

采用電磁場有限元法針對這2臺永磁同步發電機進行仿真計算。額定工況下，2臺電機定子鐵耗如圖3所示。

圖3 電機定子鐵耗波形圖

表2為2臺永磁同步發電機運行于額定工況下的各項損耗與效率比較，其中機械損耗和附加損耗采用經驗公式計算[6]。

表2 2臺永磁發電機損耗和效率比較

由表2可知，對于額定參數和主要尺寸相同的2臺永磁同步發電機，當其運行工況相同時，2臺發電機的定子電樞繞組銅損耗和定子鐵損耗基本相等，與前面的理論分析一致。對于齒諧波勵磁的混合勵磁發電機，盡管存在勵磁損耗和齒諧波繞組損耗，但其比例很小，因此其運行效率較普通永磁同步發電機略有下降。

表3為2臺永磁同步發電機主要材料用量比較。電樞繞組線徑為1.4 mm，諧波繞組與勵磁繞組線徑為1.18 mm。

表3 材料用量比較

由表3可知，2臺永磁發電機的用鐵量基本相同。普通永磁同步發電機的永磁體用量比齒諧波勵磁的混合勵磁多0.72 kg，而繞組用銅量少2.48 kg。但永磁體的價格為銅價格的10倍左右，因此，齒諧波勵磁的混合勵磁發電機的成本更低。

圖4為齒諧波勵磁的混合勵磁發電機空載特性曲線。

圖4 齒諧波勵磁的混合勵磁發電機空載特性曲線

由圖4可知，當齒諧波勵磁的混合勵磁發電機的勵磁電流從0增加到4.5 A時，空載線電壓從347.87 V升至434.1 V，調壓幅度為86.23 V，調壓范圍為24.7%。根據式(2)，其調壓范圍理論上應為1/3，主要是由于磁路飽和造成的。

普通永磁同步發電機外特性和齒諧波勵磁的混合勵磁發電機調整特性，如圖5所示。

(a) 永磁電機外特性曲線

(b) 齒諧波勵磁的混合勵磁

隨著負載電流的增大，電樞反應去磁作用增強，永磁同步發電機輸出電壓下降，電壓調整率為8.76%，如圖5(a)所示；而齒諧波勵磁的混合勵磁發電機可通過調節鐵磁磁極的氣隙磁場，保持輸出電壓恒定，調節特性曲線如圖5(b)所示，有效地解決了永磁同步發電機的調磁問題。

3 結 語

齒諧波勵磁的混合勵磁發電機是一種新型的永磁同步發電機，針對該新型永磁同步發電機和普通永磁同步發電機進行了對比和分析。當2臺永磁同步發電機的額定參數和主要尺寸相同時，新型永磁同步發電機的運行效率略有下降，僅降低了1.2%，但其具有較寬氣隙磁場調節范圍，且永磁體用量較少，制造成本更低。

[1] 樊名迪，林輝，米月星.2MW直驅式風電機組的建模與仿真[J].微特電機，2012，40(7):26-29.

[2] 趙朝會,秦海鴻,嚴仰光.混合勵磁同步電機發展現狀及應用前景[J].電機與控制學報,2006,10(2):113-117.

[3] 張琪,黃蘇融,謝國棟,等.獨立磁路混合勵磁電機的矩陣分析[J].中國電機工程學報,2009,29(18):106-112.

[4] 夏永洪，王善銘，邱阿瑞，等.新型混合勵磁永磁同步電機齒諧波電動勢的協調控制[J].電工技術學報，2012，27(3):56-61.

[5] 夏永洪，王善銘，黃劭剛，等.齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發電機[J].清華大學學報(自然科學版)，2011，51(11):1557-1561.

[6] 戴文進，楊莉.電機設計理論與實踐[M].北京:清華大學出版社，2013:208-267.