基于开放绕组的新型无刷谐波励磁同步发电机

孙立志 高小龙 姚 飞 安群涛 Thomas A. Lipo



基于开放绕组的新型无刷谐波励磁同步发电机

孙立志1高小龙1姚 飞1安群涛1Thomas A. Lipo2

（1. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001 2.威斯康辛大学麦迪逊分校 麦迪逊 53706）

在开放式绕组发电机中，三相定子电流可以包含完全相同的谐波电流成分，例如3次谐波电流。本文据此提出了一种新型的无刷谐波励磁同步发电机结构。与已有利用转子磁场所包含的3次谐波磁场的励磁技术不同，该原理利用定子开放绕组中的3次谐波电流成分或高频单相电流成分或直流成分所产生的定子脉振磁场在转子谐波绕组中产生感应电动势，经整流后为转子励磁绕组提供励磁电流，从而在不采用独立励磁机的前提下实现无刷化的电励磁同步发电机。本文对该谐波励磁原理进行了理论分析及电磁场有限元计算验证，并在此基础上进行了样机实验验证，证明了该原理的可行性。该谐波励磁原理的意义在于，提供了一种无刷励磁的同步发电机方案，以期减少高性能发电机对日益昂贵的稀土永磁材料的依赖与消耗。

同步发电机 开放绕组 谐波励磁 有限元分析

0 引言

稀土永磁发电机具有高效能及高功率密度等特点，在许多领域获得了广泛的应用，但是其还存在许多问题。一方面，稀土永磁材料的价格不断上涨，并且随着稀土永磁材料的大量应用，使得稀土资源必然面临供应紧张的问题。另一方面，由于永磁发电机励磁磁场不能调节的固有特点，使得永磁发电机作为电动机运行时，恒功率区较窄，转速范围受到限制，高速运行时往往需要弱磁控制，控制复杂，并且会产生额外的损耗；而其作为发电机运行时，输出电压难以调节。尤其在许多应用领域中，如混合动力汽车、风力发电等领域，永磁发电机转速变化范围很宽，有时甚至达到额定转速的十几倍，因其励磁不可调，发电机输出电压变化范围很大，电压峰值将会很高，显然会对整流器的功率等级以及功率器件的电压等级要求很高，显著提高控制系统成本。

为解决永磁发电机气隙磁场难以调节的问题，许多新型励磁方式的发电机在学术领域中出现。除了传统的感应发电机和磁阻发电机[1]，其中大部分发电机仍是采用永磁及电励磁的混合励磁发电机。Y. Amara等研究结果表明混合励磁发电机相较于永磁发电机具有良好的弱磁能力，并且在车辆推进系统中具有良好的节能效果[2]。E. Sulaiman等将永磁体和励磁绕组均放在定子上构成了一个新颖的混合励磁开关磁阻同步发电机，实现了与内置式永磁同步发电机功率密度相同的性能[3]。赵朝会对串联磁路混合励磁爪极发电机进行了结构设计和特性研究，结果表明相对永磁爪极发电机，其输出电压可调并且在宽负载范围内实现了输出电压的恒定[4]。王善铭等提出了一种利用齿谐波磁场的混合励磁发电机[5-7]。这种发电机转子除永磁体外还安装了齿谐波绕组，可以利用发电机中固有的齿谐波磁场产生感应电动势，经过整流应用于励磁系统中，构成了一种新型的混合励磁同步发电机。还有部分学者对混合励磁发电机的结构，磁场调节特性及控制策略[8-10]等方面进行了研究。在这些研究中，混合励磁发电机结构可以显著提高发电机的某些性能指标，具有重要的研究与应用价值，但是发电机中的永磁体仍具有关键作用且不可去除。因此，混合励磁发电机许多特性依然与永磁发电机相近，亦存在永磁体的一些固有缺点，如成本高昂，高温及强磁场下的失磁问题等。

而对于电励磁同步发电机，其励磁磁场可以方便调节，能够实现宽范围输出电压调节或调速特性，并且成本低廉。因此，其不存在上述永磁体所带来的问题。但是，传统同步发电机电励磁的实现需要电刷集电环或者额外励磁机。显然，额外励磁机的励磁方式会使得中小型发电机的体积和成本增加；而电刷集电环会引起火花噪声和寿命缩短等问题。这些问题使得传统电励磁同步发电机不适于宽范围转速运行，严重限制了其在许多领域的应用。因此，问题的关键就是如何在不采用独立励磁机的前提条件下实现性能良好及可靠运行的无刷电励磁同步发电机。而谐波励磁技术是一种可行的解决方案。

现有谐波励磁技术主要是指3次谐波励磁技术，国内各高校曾对该技术进行了详细的理论分析及实践研究[11-13]。早期谐波励磁技术仍为有刷方案，在定子槽中内嵌一套节距约为1/3基波极距的谐波绕组。转子磁极形状经过特殊设计后可以增强3次谐波磁场，因此主磁场的旋转能使谐波绕组感应出3次及3的奇数倍次的谐波电动势，其经整流后可以作为转子励磁绕组的励磁电源，其基本原理如图1所示。此类谐波励磁同步发电机具有结构简单、复励能力及带负载能力较强等特点，增强了小功率发电机在低成本农业机器中的应用。

现有无刷化的实现主要是在有刷谐波励磁发电机的基础上增加旋转电枢式交流励磁机。如图2所示，将主发电机定子3次谐波绕组中感应出的谐波电动势经整流送至励磁机定子绕组，由励磁机转子电枢绕组经旋转整流器供给主发电机转子励磁绕组电流，从而取消了传统的电刷滑环。无刷化谐波励磁技术有效地消除了电刷带来的各种问题，但是旋转电枢交流励磁机的增加使得发电机体积增加，结构更加复杂。

近几年关于3次谐波励磁技术的研究并没有太多进展。大部分的研究主要集中在对谐波励磁调节器的改进、磁饱和对谐波励磁发电机特性的影响分析等[14-16]。

综上，现有3次谐波励磁技术依然需要电刷滑环或者额外的励磁机。而本文提出了一种新型谐波励磁原理发电机，其可以利用定子开放绕组中的谐波电流成分实现电励磁，从而完全消除了电刷和励磁机。当然，定子绕组中的谐波电流成分使得谐波励磁同步发电机的功率密度和效率略有降低，但是这并不妨碍其在宽范围转速应用领域的特殊优势。

1 新型无刷谐波励磁发电机的原理

前述谐波励磁技术主要是利用转子主磁场中的3次谐波成分，而本文所研究的谐波励磁技术与之不同，其利用的是定子开放绕组中的谐波电流成分产生的谐波磁场。由于定子绕组为开放式绕组，可以控制定子三相绕组中含有幅值、相位完全相同的电流成分，例如3次谐波电流。这种电流成分产生的脉振磁场可以在转子特殊设计的绕组中产生感应电动势，经过整流后可以给转子励磁绕组提供直流。

发电机系统的基本构成原理如图3所示。谐波绕组直接安装在转子之上，经旋转整流器与主励磁绕组直接相连接，定子电枢上只存在三相交流开放绕组。采用双功率变换器控制定子电流波形，以利用定子电流中3次谐波电流、高频单相电流以及直流等成分所产生的3次谐波磁场在转子谐波绕组中产生感应电动势。在发电机发电运行时，功率变换器直流侧电容需要有初始电压，以产生初始的励磁电流而进行起励。

设定子三相开放绕组为三相对称集中整距绕组，如果每相通入电流A、B和C，由于单相整距线圈产生的磁动势为周期性矩形波，只考虑基波与3次谐波成分，则每相绕组的磁动势为

式中，s为空间电角度；φ1=2/π，为绕组匝数。

如前所述，定子三相开放绕组电流除基波电流外可以包含完全相同的其他电流成分，如式（2）所示。

式中1——基波电流幅值；

n——所包含的电流成分；

——电气角频率。

将式（2）代入式（1）并且将三相绕组磁动势相加，可得电枢合成磁动势

通过式（3）可以看出电枢合成磁动势包括两部分：基波合成旋转磁动势和空间位置固定的3次谐波磁动势。两者不相耦合，而且3次谐波磁场的极距在空间表现为定子绕组极距的1/3，则在转子上安装同等极距的谐波绕组，如图4所示。

当转子以同步速旋转时，忽略开槽影响，由于基波合成旋转磁动势与转子上的谐波绕组同速，且幅值不变，其不会在谐波绕组中产生电动势，同理也不会在励磁绕组中产生电动势。对于3次谐波磁动势由于其空间位置固定，因而谐波绕组以相对同步速切割磁场，且除定子电流含有直流成分外3次谐波磁场幅值作正弦变化，故其在谐波绕组中会产生旋转电动势和变压器电动势。而在励磁绕组中，由于转子极弧可以设计成2倍或3倍的谐波绕组极距，同一极下的两励磁绕组产生的感应电动势相互抵消，因此3次谐波磁场也不会在励磁绕组中产生电动势。

转子谐波绕组中的感应电动势可以理论计算。假设谐波绕组初始位置角为0，转子以同步速旋转，则任一时刻谐波绕组空间位置s=+0，忽略定、转子开槽以及转子凸极引起的谐波磁导影响，可以假设发电机气隙均匀，则谐波绕组的一个线圈组中的磁链为

式中h——谐波绕组匝数；

——平均气隙磁导。

考虑到图4所示的绕组拓扑，由于谐波绕组在空间位置上相差π/3电角度，与3次谐波磁场的极距一致。将谐波绕组串联，那么总谐波绕组电动势为谐波绕组的一个线圈组电动势的6倍。由于定子电流中可以包含不同类型的谐波电流成分以进行励磁调节，因此根据电流成分n的类型分为三种情况予以研究。

当n为3次谐波电流成分时，n=3sin3，此时谐波绕组电动势为

当n为直流成分时，n=0，此时谐波绕组电动势为

当n为高频单相电流成分时，n=Isin，其中＞3，此时谐波绕组电动势为

由式（5）～式（7）可以看出，谐波绕组电动势仅与定子电流中所包含的完全相同的励磁电流成分n有关。当其为3次谐波电流时，产生6倍同步角频率的谐波绕组电动势；当其为直流时产生3倍同步角频率的谐波绕组电动势；当其为高频单相电流时，产生+3倍和-3倍的同步角频率的谐波绕组电动势。谐波绕组电动势经过旋转整流器可以供给主励磁绕组直流电流，从而实现无刷化励磁。

2 谐波励磁原理的有限元分析验证

根据上述原理建立发电机计算模型，定子上安装三相对称集中整距绕组，可以使得3次谐波绕组系数最大，转子上安装励磁绕组和谐波绕组，转子为凸极式结构，极弧长度为2倍的谐波绕组节距。如图5a所示，发电机采用4极12槽结构。当通入基波电流时，发电机的磁力线分布如图5b所示。对于图5所示发电机模型，其发电机参数见下表。

表 发电机样机参数

为了分析不同类型电流下的谐波绕组感应电动势，如图6a所示，在定子绕组中分别通入不同类型的电流进行有限元仿真分析以验证理论推导，其中基波电流为A=2sin(100π)A，直流为n=2A，3次谐波电流为n=2sin(300π)A，高频单相电流为n= 2sin(1 000π)A。仿真结果如图6b所示。

由图6b可以看出，通入基波电流时，谐波绕组中仍会存在感应电动势，其中主要含有6次和12次谐波，与每对极下的定子槽数一致，表明这种谐波电动势主要由定子开槽等因素引起。

当定子电流为3次谐波电流时，谐波绕组电动势的频率为6倍的同步角频率，与理论分析一致。

当通入直流时，谐波绕组电动势频率主要为3倍的同步角频率，并且呈平顶波。傅里叶分析显示其还包含9次、15次等谐波。

当通入高频单相电流时，谐波绕组电动势的傅里叶分析如图7所示。可以看出，通入10倍同步角频率的单相电流时产生的谐波电动势频率主要为7倍和13倍的同步角频率，验证了理论分析的正确性。

对发电机进行进一步有限元仿真，通入合成电流进行分析，如图8a所示。合成电流即在定子基波电流中注入一定含量的谐波电流。在本次计算中，谐波电流幅值固定为15%的基波电流幅值。可以观察到，图8b所示的谐波绕组电动势与图6b相似。这表明定子绕组中的励磁电流成分是单独起作用的，即定子基波电流所产生的磁场与定子中励磁电流成分所产生的磁场是相互解耦的。这也使得通过控制定子中励磁电流成分含量可方便地控制谐波绕组电动势。

按照图3所示电路搭建电路模块，将谐波绕组与励磁绕组通过二极管不控整流器连接起来，以三相定子电流中包含基波电流和15%含量的3次谐波电流成分为例进行瞬态过程仿真，仿真结果如图9所示。

通过图9可以看出谐波绕组中的感应电动势经过整流后可以使得励磁绕组中含有较稳定的励磁电流，这也进一步证明了本文所提出的新型无刷谐波励磁同步发电机原理的可行性。

3 样机实验

如图10所示，发电机样机和双三相桥功率变换器已经制作出来，为后续进一步的研究奠定硬件实验基础。

进行了初步实验以验证无刷谐波励磁原理，将样机发电机拖动到1 500r/min，控制基波电流频率为50Hz，在定子开放绕组中分别产生基波、3次谐波电流以及二者合成电流，测取转子谐波绕组感应电动势，并在合成电流情形下接通励磁回路，测取励磁绕组电流，所得波形如图11所示。可以验证，在三相定子开放绕组中含有3次谐波电流时，谐波绕组中会产生感应电动势。该谐波电动势可以经整流后产生励磁电流，从而证实了该谐波励磁原理的正确性。

另一方面，该发电机原理还存在许多技术问题需要解决，包括初始状态建立、齿谐波磁场影响和定子电流的控制策略等，以后将在这些问题上展开进一步的理论分析和仿真实验分析。

4 结论

在开放式绕组发电机中，三相定子电流可以包含完全相同的谐波电流成分，可以利用该电流成分所产生的定子脉振磁场在转子谐波绕组中产生感应电动势，经整流后为转子励磁绕组提供励磁电流，从而在不采用独立励磁机的前提下实现无刷化的电励磁同步发电机。本文对该谐波励磁原理进行了理论分析及电磁场有限元计算和实验验证，结果证明了所提出的发电机原理的正确性及发电机结构的合理性，为进一步研究该新型无刷谐波励磁同步发电机奠定了基础。

该谐波励磁原理的意义在于，其提供了一种新型的无刷电励磁同步发电机方案。相比永磁发电机，虽然该新型发电机的功率密度和效率略低，但是其可以在宽转速范围内进行励磁调节，使得发电机输出电压维持在一个固定的电压等级内，此时虽然用到双功率变换器，但是整流器功率等级和功率器件电压等级的降低仍会使得系统成本降低许多。因此，在许多类似应用领域中，其可以替代昂贵的永磁发电机，并具有自身独特的优势。

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A New Type of Harmonic-Current-Excited Brushless Synchronous Machine with Open Windings

11112

（1. Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. University of Wisconsin-Madison Madison WI 53706 USA）

In an open-winding machine, the three-phase stator currents can be controlled to contain the same harmonic current components like the third harmonics. This paper introduces a new harmonic current excitation principle in synchronous machines based on open winding controls. Unlike existing harmonic excitation technologies which utilizing the third harmonic components of rotor magnetic fields, this brushless harmonic excitation principle is realized by injecting the third harmonic current component or high frequency single-phase current component or DC component into the three phase stator open windings, to generate a time pulsating magnetic field which can induce back-EMFs in the specially designed rotor harmonic coils. Through rectification, the induced back-EMFs are used to supply DC current to the rotor excitation winding. To verify the above principle, magnetic field calculations and prototyping tests were carried on. The significance of this harmonic excitation principle is to provide a new brushless machine option to reduce the consumption of increasingly expensive rare earth permanent magnetic material by machines in some applications.

Synchronous machine, open-winding, harmonic excitation, finite element analysis

TM341

孙立志 男，1970年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为永磁电机及控制、特种电机及能量变换和新能源发电技术。

高小龙 男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。

2014-01-02 改稿日期 2014-04-08

国家自然科学基金资助项目（51277040）。