關于復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機相關問題的探究

摘 要： 復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機屬于一種新型的雙電壓輸出，其中，定子采用了簡單可靠的雙繞組結(jié)構，轉(zhuǎn)子采用了永磁體和輔助電勵磁相結(jié)合的符合勵磁結(jié)構，該發(fā)電機做到了同時兼顧永磁同步發(fā)電機和電磁同步發(fā)電機，本文從闡述復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的結(jié)構出發(fā)，詳細分析了其性能特點以及永磁體部分的相關設計問題，并探究一系列復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機基礎下的數(shù)學模型，從而為我國以后發(fā)電機的研究提供了重要的借鑒意義。

關鍵詞： 復合勵磁；稀土永磁同步發(fā)電機；性能特點；數(shù)學模型

在現(xiàn)代化建設的飛速發(fā)展和科學技術不斷進步的大背景下，經(jīng)濟社會生產(chǎn)對移動電站的需求日益增加，不管是城市化建設，還是國防政治，在各個方面的移動作業(yè)中，都迫切需要移動電站發(fā)揮其強大的供電性能，從而滿足整個國家的電源供電要求。但是，目前的移動電站系統(tǒng)主要依靠發(fā)電機組、配電與設備之間協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，其中常規(guī)的電勵磁和永磁發(fā)電機面臨著體積大、調(diào)壓困難等系列難題，無法使移動電站系統(tǒng)真正滿足移動作業(yè)要求的多電源輸出、高功率、高效率、結(jié)構緊湊等相關特性，因此，在如此嚴峻的形勢下，研究出了相對先進的新型同步發(fā)電機——復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機。

一、復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的結(jié)構介紹

1.永磁體部分

由永磁發(fā)電機和電勵磁兩部分組成的復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機，它的電樞繞組感應電勢又分別是由永磁體和電勵磁繞組形成，并使得發(fā)電機的主磁場與調(diào)節(jié)電壓的輔助磁場在電磁路中聯(lián)合起來。其中，復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的定子結(jié)構與傳統(tǒng)的電勵磁發(fā)電機的定子結(jié)構兩者是相同的，而轉(zhuǎn)子則利用了切向槽楔結(jié)構，使得永磁體呈現(xiàn)出并聯(lián)的狀態(tài)，這時兩塊稀土永磁體就會向發(fā)電機提供每極磁通，且每塊稀土永磁體的磁勢會提供每隊極磁勢。

其實，永磁體切向結(jié)構只是簡單的一種聚磁結(jié)構，它能夠做到提高發(fā)電機的氣隙磁感應強度。其與電勵磁發(fā)電機的勵磁繞組結(jié)構相同，兩者使用共同的電樞，在電流隨著外電壓的變化而發(fā)生變化的過程中，發(fā)揮著不斷調(diào)節(jié)磁場大小和方向的重要作用。

2輔助電勵磁部分

輔助電勵磁部分進行的無刷化處理是由于復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機主體部分采用無刷處理造成的，并且在此基礎上，電勵磁繞組結(jié)構的轉(zhuǎn)子部分也應該通過爪極結(jié)構來實現(xiàn)無刷化。

二、永磁體部分的相關設計問題

復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機設計是通過永磁體與電勵磁分別設計共同組成的，盡量做到減小電勵磁部分的體積的同時，發(fā)揮出永磁發(fā)電機體積小的性能，防止出現(xiàn)因永磁體過長或過寬造成的氣隙磁通飽和狀態(tài)。因此，在永磁體部分的相關設計中，應該選擇適當?shù)碾妷赫{(diào)整率，避免電壓調(diào)整率過大過小出現(xiàn)需要輔助電勵磁根據(jù)實際情況控制空載感應電勢，以下幾方面是永磁體部分設計主要考慮的關鍵。

1.有效改善電壓波形

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要對復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生的電壓波形的正弦性設置嚴格的要求，當電壓波形隨著每次諧波的次數(shù)增高，幅值就會呈下降趨勢，而影響波形變化主要是5次和7次諧波，其中為了更加有效的削弱這兩種諧波，可以通過適當?shù)睦@組槽節(jié)距來實現(xiàn)。

為了有效的改善波形，大幅度的降低齒諧波的影響，可以使發(fā)電機的定子鐵心采用如斜槽、半斜槽結(jié)構，并利用分數(shù)槽繞組，通過改善磁場波形，從而大大保證減少電壓波形正弦畸形變率。

2.永磁體存在的工作點

在復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機設計的過程中，最大磁能的磁場的建立，可以通過利用永磁材料，并縮小永磁體和整個發(fā)電機的體積來實現(xiàn)。但是，在實際應用中復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機仍然受到各種因素的制約，甚至在運用時偏離了最佳的工作點，造成永磁體產(chǎn)生不可逆退磁現(xiàn)象。

三、復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的性能特點

1.具有良好的穩(wěn)定性能

因為磁穩(wěn)定性能比較良好，所以應用稀土鈷磁性材料對復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的穩(wěn)定性具有很大程度的推動作用，以下是對復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機進行的試驗，通過觀察轉(zhuǎn)子及空載電壓的變化幅度，來判定突然短路前后空載電壓數(shù)據(jù)的特性。

從上述表中，可以觀察到空載電壓在突然短路前是每分3000轉(zhuǎn)，電壓為176.4伏，而在突然短路后的電壓變成了176伏，由此可以看出在突然短路的實驗中，空載電壓的變化幅度很小，具有良好的穩(wěn)定性能，更有利于發(fā)電機作業(yè)時的整體穩(wěn)定性。

2.具有結(jié)構簡單、運行可靠、容易維護的特點

復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的設計，完全克服了頻發(fā)感應子自勵恒壓環(huán)節(jié)的故障、定子與轉(zhuǎn)子間間隙的變化引起電流的變化，造成了建立正常工作電壓的困難且影響發(fā)電機升壓并網(wǎng)時間等系列不足，它通過永磁體代替了勵磁線卷，從而減少了自勵恒壓環(huán)節(jié)和蓄電池直流電池裝置，與感應子中頻發(fā)電機相比，其具有運行可靠性高、結(jié)構操作簡單、維護簡易方便等優(yōu)點。

3.具有較大的經(jīng)濟性

從表中可以得出，在復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的設計材料分析中，使用稀土鈷作為永磁材料的耗費價值明顯低于鋁鎳鈷作為永磁材料，并且鈷元素作為戰(zhàn)略物資，比較短缺，因此，無論從哪個角度，都是采用稀土鈷永磁材料在經(jīng)濟上具有較大的意義。

四、復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的數(shù)學模型

1基本工作原理

永磁體和電勵磁繞組聯(lián)合產(chǎn)生磁勢，且并聯(lián)提供一定的磁通在氣隙中合成，共同推動復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的運行。接著，為了盡量減少電壓波形正弦性畸變率的影響程度，通過采用非均勻氣隙，選取合適的極弧系數(shù)，從而使的氣隙磁場波形的分布極可能接近于正弦波，保證發(fā)電機在實際的操作中發(fā)揮正常的功能。

2.雙反應理論和電壓之間的平衡關系

通過利用Blondel提出的雙反應理論，將電樞磁動勢在不與直軸和交軸重合的情況下，對直軸分量和交軸分量進行分解分析，并把兩者產(chǎn)生的效果相疊加起來，從而有效的解決不均與氣隙同步發(fā)電機的電樞磁動勢作用在不同的位置上所產(chǎn)生的電樞磁場和每極磁通量不一致的現(xiàn)象。

下面假設永磁體感應的空載電勢為Eom，電勵磁繞組部分感應的空載電勢為Eoe，則復合勵磁同步發(fā)電機空載運行時感應的電勢Eo為Eom和Eoe的矢量和，即Eo=Eom+Eoe。

因為兩者共用一套繞組，具有相同的負載，因此，對應于永磁體的定子繞組的阻抗以及內(nèi)功率因數(shù)角都和對應于勵磁部分的定子繞組部分相同，當發(fā)電機磁路出現(xiàn)不飽和時，可利用雙反應理論和疊加原理分別得到各自的電壓平衡方程式，最終得到復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的總電壓方程式。

3.復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的調(diào)整特性

復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機的外特性U和負載電流I之間具有一定負相關，為了保證發(fā)電機負載電流I變化，而電壓不變，只能通過發(fā)電機電勵磁部分的勵磁電流進行調(diào)節(jié)，因為永磁部分的電磁場是固定不變的。

結(jié)束語：

綜上所述，復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機有效的利用了永磁發(fā)電機和電勵磁同步發(fā)電機各自的優(yōu)點，通過實現(xiàn)無刷化、無旋轉(zhuǎn)整流器、無集電環(huán)，保證了發(fā)電機的穩(wěn)定運行，大大降低了故障的發(fā)生率，并且電勵磁部分電流小，使得復合勵磁的損耗較小，同時實現(xiàn)了高效率運作，從而在一定程度上解決了永磁發(fā)電機調(diào)壓困難的問題。但是，現(xiàn)行的復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機仍存在不完善的地方，需要我國不斷加大科學技術的投入力度，進一步研究出更高效便捷的復合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機。

作者簡介：梁波（1996-），男，貴州貴陽人，現(xiàn)本科在讀貴州理工學院。endprint