混合励磁风力发电机的 三维磁场分析及磁路等效

刘万振 李 岩 安忠良 唐任远

（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110178）

1 引言

目前，永磁发电机以其结构简单、效率高，运行可靠等一系列优点被广泛应用于风力发电领域[1-2]。但永磁电机一经制成，其磁场很难调节。为弥补这一缺陷，一些学者开始研究混合励磁发电机，通过调节其电励磁大小改变磁场强弱，以达到调节电压的目的。

混合励磁电机的拓扑结构多种多样[3-7]。本文结合变速恒压的特点针对图1结构电机进行研究。文献[8-9]对该结构混合励磁电机的原理及部分结构尺寸的确定进行了论述，并对样机磁场进行了三维有限元分析，文中均忽略了永磁体对电励磁磁路的影响。但在研究中发现，永磁体对电励磁的磁通有一定分流作用，而且随着电励磁的增加这种分流作用更加明显，在一定程度上影响了电机的最大稳压调节范围。

因此，本文通过计算电机的三维电磁场对永磁体的分流程度进行了深入地研究，为电机最大稳压调节范围的确定提供依据。最后给出对应的电励磁等效磁路并通过试验进行验证。

图1 混合励磁风力发电机的基本结构

2 工作原理

为了衔接后文，这里对该结构混合励磁发电机的工作原理进行简要介绍。该发电机主要有三种运行状态：①永磁体单独励磁状态；②永磁体与电励磁共同励磁，电励磁起去磁作用；③永磁体与电励磁共同励磁，电励磁起增磁作用。下面对各运行状态进行分析。

（1）永磁体单独励磁状态，如图2（a）所示。此时直流励磁电流为零，气隙磁场仅由永磁体提供，铁磁极对应气隙磁密几乎为零。

图2 混合励磁发电机的工作状态及磁通走向

（2）电励磁去磁状态，如图2（b）所示。此时流过铁磁极的磁通与同一极中永磁体产生的磁通方向相反，每极磁通降低；定转子背轭中磁通由电励磁绕组与永磁体共同产生，且方向相同。

（3）电励磁增磁状态，如图2（c）所示。此时流过铁磁极的磁通与同一极中永磁体产生的磁通方向相同，每极磁通增加。定转子背轭中磁通由电励磁绕组与永磁体共同产生，但方向相反[8-9]。

3 有限元分析

本文以某10kW电动机为例，应用大型商用有限元软件对该结构混合励磁永磁风力发电机的三维电磁场进行分析。图3～5分别为电励磁三种状态（零、增磁和去磁）下混合励磁风力发电机气隙磁场的分布情况。从图3可以看出，当电励磁电流为零时，在气隙中，大部分磁通经过永磁体表面，仅有少量的磁通经过铁磁极表面，此时铁磁极表面平均磁密仅为0.048T，因而在永磁体单独励磁时可忽略电励磁磁路的作用。从图4～5可以看出，当通入电励磁之后，同一极中永磁体对应气隙磁密的高低略有不同。为量化电励磁的影响程度，得到对应轴切面二维气隙磁密分布（如图6）。可以看出，当直流励磁起增/去磁作用时，产生与电励磁同向磁通的永磁体对应的气隙磁密升高，产生与电励磁反向磁通的永磁体对应的气隙磁密降低。为了进一步分析电励磁磁场的分布情况，通过三维电磁场计算得到电励磁单独作用时的气隙磁密分布（图7～8）。可以看出，在电励磁单独作用时，也会有少量磁通经过磁导率较低的永磁体，其对应气隙磁密约为0.15T。因此，本文认为在电励磁磁路设计时，不能将其看成独立的磁路来分析，还要考虑永磁体磁路对其的分流作用。

图3 直流励磁为零时一对极对应的气隙磁密

图4 直流励磁为1600安匝（增磁） 时一对极对应的气隙磁密

图5 直流励磁为-1600安匝（去磁） 时一对极对应的气隙磁密

图6 轴切面气隙磁密分布图

图7 只有直流励磁（1600安匝增磁） 作用下一对极对应的气隙磁密

图8 只有直流励磁（-1600安匝去磁） 作用下一对极对应的气隙磁密

4 磁路等效

根据前面三维电磁场分析结果，本文在文献[8]原有等效磁网络的基础上进行改进，得出混合励磁发电机的一对一半宽度磁极的新等效磁网络模型（如图9所示），以及永磁体磁路等效模型和电励磁磁路等效模型（如图10～11所示）。图中，Rg1、Rg2为气隙磁阻，RgL、RgL11、RgL12、RgL21、RgL22为漏磁阻，Rpm-N1、Rpm-S1、Rpm-N2、Rpm-S2为永磁体的磁阻，Riron为铁磁极的磁阻，Rs-yoke1、Rs-yoke2为定子轭的磁阻，Rs-tooth1、Rs-tooth2为定子齿部的磁阻，Raxial-add、Raxial-yoke为轴向磁路的磁阻，Rs-add为定子背轭的磁阻，Rt为转子磁阻，FDC-field为等效的电励磁磁动势，Fpm-N1、Fpm-S1、Fpm-N2、Fpm-S2为等效的永磁体励磁磁动势。

各部分磁路参数的关系可按照文献[8]进行相应推导，这里就不做详细介绍了。需要说明的是，该等效网络为三维网络，其永磁体磁极段与混合励磁磁极段磁路并不是在同一平面上，在求解磁路时应注意。

图9 混合励磁发电机磁路等效模型

图11 电励磁磁路等效模型

5 试验验证

根据前面的分析结果，结合修改后的等效磁路对该结构混合励磁风力发电机的稳压调节特性进行确定，并通过样机试验进行验证。

图12 发电机纯阻性负载稳压调节特性

图12 为磁路改进前后所得电机稳压调节特性（热态）与试验结果的比较，其电励磁在±2400安匝范围内变化，输出电压稳定在400V。可以看出，当电励磁起增磁作用时，利用改进后磁路模型所得电机稳压调节特性与试验结果吻合得较好。当电励磁起去磁作用时，试验特性偏离较多，这是因为该电机为阻隔电励磁轴向漏磁端盖采用径向厚度约28mm隔磁套，而并非完全采用非导磁材料制作端盖，随着电励磁轴向磁通的增大，端盖的漏磁分流作用增加所致。从图中还可以看出，利用改进前磁路模型所得电机稳压调节特性在±2400安匝范围内仍呈线性变化，对应得到的最大稳压调节范围较大，与实际相差较远。经试验测得当电励磁在±2400安匝范围内变化时，该电机可实现稳压输出的转速范围为74.7～98.7r/min，当转速为87.1r/min时电励磁电流为零。

综上所述，在确定该电机稳压调节特性时应充分考虑永磁体分流作用，本文所提出的磁路改进模型经过试验验证可用于实际工程应用。

6 结论

本文在前人研究的基础上，基于三维磁场的有限元计算对图1所示结构混合励磁风力发电机的磁路进行了详细分析，得出：当无电励磁作用时，永磁体磁路可完全独立考虑，可忽略铁磁极的分流作用。但当加入电励磁进行磁场调节时，永磁体对电励磁磁路的分流作用则不能忽略，其影响电动机的最大稳压调节范围。为了更好的设计该类电动机，结合电磁场分析结果，提出了电励磁磁路改进等效模型，并通过试验验证了它的可行性。

[1] 唐任远等.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社,1997.

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