混合励磁永磁发电机的设计与性能分析

王惠军 刘剑峰 刘西全 姚 丽 林 岩

（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 1001912.丹佛斯（天津）有限公司，天津 301700）

稀土永磁电机由于是永磁体励磁，没有励磁损耗，因此效率高于电励磁电机，而且具有结构简单、可靠性高等一系列优点，从而在许多工业领域得到了应用。在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行电压调节，对于永磁发电机来说，转速的变化或负载电流的变化会造成输出电压的变动，但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定的，调节气隙磁场困难而导致电压调节困难，从而阻碍了永磁发电机的发展和应用[1-3]。因此开发一种综合这两种电机的优点又能克服其缺陷的发电机——混合励磁永磁同步发电机，无疑是有意义的。

近年来，国内外学着对混合励磁发电机结构进行了深入的研究。文献[4]提出了多种交流与直流混合的电机结构，但其磁路较长，并且有较大的漏磁通。文献[5-7]提出了各种各样的混合励磁结构，但结构均都比较复杂。文献[8]提出了一种铁磁极与永磁磁极交互排列的混合结构，但由于铁磁极与永磁极长度一样，导致功率密度较低。

因此，本文提出了一种气隙磁通可调节的混合励磁发电机结构。这种发电机气隙磁场包括两部分：主要部分由永磁体建立，称为永磁主发电机部分；电压调节所需要的磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现，称为辅助发电机或辅助电励磁部分，两部分共有一套电枢绕组。在深入分析其结构与原理的基础上，建立了其电磁数学模型。同时，利用三维有限元分析软件对其磁场分布与调节特性进行研究。最后，通过一台7.5kW的样机的试验结果验证了其结构的合理性。

1 结构及原理

图1是提出的混合励磁发电机结构。从该图可以看出，定子电枢绕组为三相对称绕组。定子被环形直流励磁绕组分成两部分，定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接；转子分成N极端和S极端两部分。每极端由同极性永磁体和铁磁极交错排列，且两端的 N、S永磁体和铁磁极也相互错开。转子铁心和转轴之间有导磁性能好的转子背轭，用于转子的轴向导磁。当调节直流励磁电流的大小和方向时，合成气隙磁密就会相应地增大或减小。

图1 混合励磁发电机结构

下面将详细分析不同直流励磁电流时，混合励磁永磁同步发电机的磁场分布情况。

1）当直流励磁电流为零时，气隙磁场只由永磁体产生，此时磁场分布如图2所示。

图2 永磁磁通分布

2）当直流励磁电流小于零时，同一极端铁磁极磁场方向与永磁体相同。对于定子绕组而言，同一线圈下磁场极性相反，气隙有效磁场减弱。当直流励磁电流大到一定数值时，电励磁磁场与永磁体磁场相等，气隙有效磁场变为零，此时的磁场分布如图3所示。

图3 退磁模式时磁通分布

3）当直流励磁电流大于零时，同一极端铁磁极磁场方向与永磁体相反。对于定子绕组而言，同一线圈下磁场极性相同，气隙有效磁场增强。当直流励磁电流大到一定数值时，电励磁磁场与永磁体磁场相等，此时的磁场分布如图4所示。

图4 增磁模式时磁通分布

2 电磁设计

混合励磁发电机的性能特性主要取决于永磁磁场和电励磁磁动势。因此，基于上述结构及原理，本节推导了该种发电机的等效磁路模型，对调节特性进行预测与分析。图5是其等效气隙磁通图。从该图可以看出，区域2是磁通可调节区域，区域1和区域3是磁通固定区域。

图5 等效气隙磁通分布

对于区域 1和 3，其磁路等效可参考常规表贴式永磁发电机。发电机的调节特性主要取决于区域2，其磁通分为永磁和电励磁两部分。因此，区域2的等效磁路如图6所示。

图6 区域2的等效磁路

从图6可以看出，区域2的永磁磁通Φg2-PM可以表示为

式中，符号“║”表示并联关系。Rr和 Rs分别表示转子、定子磁阻。Rgl是漏磁阻。Rg是气隙磁阻。RPM-pole和 Riron-pole分别是永磁体和铁磁极的磁阻。Raxial是合成的轴向气隙磁阻。FPM和 Firon分别是永磁体及铁磁极产生的磁动势。

永磁体的磁动势及对应的磁通可表示为

因此，区域2部分永磁体表面的气隙磁密可表示为

基于上述相同原理，区域2部分电励磁磁通可表示为

而电励磁磁动势可表示

相对应的铁磁极表面的气隙磁通可表示为

因此，区域2部分总的合成磁通及磁密可表示为

图7是3D有限元分析和磁路分析模型的结果比较。从该图可以看出，磁路模型的计算值与有限元的计算结果比较吻合。在直流励磁电流发生变化时，永磁体表面的气隙磁通基本保持不变。同时，空载时其调节特性呈线性变化，与前面的分析结论基本一致，从而说明所建立模型的正确可靠。

图7 有限元与等效磁路模型的结果比较

3 有限元分析及试验验证

为了准确分析样机的性能，利用 3D有限元软件对磁场调节特性进行分析。图8是其网格剖分。图9是3种工作模式下的气隙磁场分布。从该图可以看出，提出的结构具有较好的磁场调节能力。

图8 3D有限元网格剖分

图9 不同模式下的气隙磁密分布

基于上述理论分析，开发了一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机样机，表1是样机的设计参数。

在试验中，利用一台11kW三相永磁同步电动机作为原动机。为了测量发电机的输入转矩，在轴连接处安装了一台100N·m的转矩测量仪。图10是测试平台。图11是样机的测试结果，从图中可以看出，样机具有较好的调节特性。

表1 样机的主要设计参数

图10 试验测试平台

图11 样机空载时的调节特性

4 结论

本文提出了一种混合励磁发电机结构。在对其结构与原理研究的基础上，建立了其等效磁路模型。通过 3D有限元软件，对其磁场分布及调节特性进行了深入分析。从仿真与试验结果来看，所提出的结构具有较好的磁场调节能力。

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