宽调磁范围的混合励磁同步发电机

周 琳，夏永洪,2，张 聪， 李梦茹

(1.南昌大学信息工程学院，南昌 330031；2.国网江西省电力公司电力科学研究院，南昌 330096)

0 引 言

永磁体的引入有效提高了发电机的运行效率，混合励磁同步发电机的提出解决了常规永磁发电机励磁磁场不可调的问题，使永磁发电机输出电压变得可控[1-3]。从现有的混合励磁电机来看，尽管实现了永磁电机气隙磁场的调节，但有些方案的气隙磁场调节能力差，调节范围不宽。对于串联型的混合励磁同步电机[4]，如图1所示，由于电励磁绕组建立的磁场需要通过永磁体，从而难以获得宽范围的气隙磁场调节能力。此外，对于一些并联型的混合励磁同步电机[5]，如图2所示，是通过调节每极下气隙磁场的波形形状以实现气隙磁场的调节，并没有增加每极磁通量，导致其气隙磁场调节范围小。

图1 串联型混合励磁同步电机截面

图2 并联型混合励磁同步电机截面

针对该问题，实验室提出一种具有宽范围气隙磁场调节能力的混合励磁同步发电机，该电机有4个永磁磁极和4个铁磁磁极。阐述该混合励磁同步发电机基本结构和气隙磁场调节原理，采用Maxwell有限元软件计算其运行特性，其气隙磁场调节能力和计算结果的准确性，通过实验室已研制的样机实验加以验证。

1 混合励磁同步发电机结构和原理

1.1 电机结构

混合励磁同步发电机截面如图3所示。该混合励磁同步发电机的定子部分与传统交流电机系统，包括定子铁芯和电枢绕组。转子部分包括转子铁芯、永磁体和励磁绕组，永磁体以内置方式嵌在转子铁芯里，它产生的磁极称为永磁磁极；励磁绕组有2套：一套布置在永磁磁极铁芯上，当发电机定子内部故障时，产生与永磁体相反的磁场，另一套布置在磁极极身，它产生的磁极称为铁磁磁极，主要用于调节气隙的磁场的大小。由图3可知，该发电机转子由4个永磁磁极和4个铁磁磁极组成。

图3 混合励磁同步发电机截面

1.2 磁场调节原理

由于混合励磁同步发电机磁场分布比较复杂，为了简化分析，采用“场化路”的方法[6,7]，即将空间实际不均匀分布磁场转化为等效磁路进行分析，同时仅考虑主磁路，忽略漏磁路。混合励磁同步发电机空载运行时，永磁体建立的磁通路径为励磁磁路1，铁磁磁极下的励磁绕组建立的磁通路径为励磁磁路2，如图4所示。

图4 混合励磁同步发电机磁路

对于励磁磁路1，其等效磁路如图5(a)所示。

图5 混合励磁同步发电机等效磁路

图5中：Rs1、Rs2分别为定子齿、定子轭磁阻；Rδ为气隙磁阻；Rr为 转子铁芯磁阻；Rpm为永磁体磁阻；Fpm、Ffdm分别为永磁磁动势、电励磁磁动势；φm1、φm2分别为励磁回路1、2的主磁通。

励磁回路1的主磁通为：

(1)

当发电机设计好之后，永磁体产生的磁动势为一恒定值，因此，其在永磁磁极产生的磁通不变。

对于励磁回路2，其等效磁路如图5(b)所示。

励磁回路2的主磁通为：

(2)

当改变输入到铁磁磁极下励磁绕组的电流大小时，可以改变铁磁磁极下气隙磁密的大小；改变励磁电流的方向，则可以改变铁磁磁极下气隙磁密的方向，如图6所示。

图6 混合励磁同步发电机空载气隙磁密

2 混合励磁同步发电机特性计算与实验

为了验证本文提出的混合励磁同步发电机的宽范围调磁能力，实验室研制了一台混合励磁同步发电机样机，其主要参数如表1所示。该样机转子由4个永磁磁极和4个铁磁磁极组成，定子与普通同步电机结构相同，定子铁芯斜槽，斜一个定子齿距，每相电枢绕组串联匝数为288匝，Y接，励磁绕组每极匝数均为100匝，永磁磁极和铁磁磁极下的励磁绕组分别形成一条支路。

表1 混合励磁发电机主要参数

基于Maxwell有限元软件，计算了混合励磁同步发电机空载特性和调节特性，并得到了发电机空载线电压波形。此外，基于实验室已有的测试平台对混合励磁同步发电机样机特性进行了测试，如图7所示。表2和表3分别为励磁绕组输入正、反向电流时的空载特性，图8为励磁电流为4 A时发电机空载线电压波形，图9为端电压为400 V时的发电机调节特性。

由表2可知，当励磁电流从0增加到8 A时，线电压由251.04 V增加到512.69 V，增加了104.2%，表明了该混合励磁发电机具有宽范围的气隙磁场调节能力。由表3可知，当励磁电流反向时，混合励磁发电机电枢电压下降非常快，因此，当发电机外部电路发生故障时，可在励磁绕组中通入反向励磁电流，使铁磁磁极产生的磁场在电枢绕组中感应的电动势与永磁磁极的相反，从而实现发电机的快速降压。此外，从仿真结果和实验结果的对比来看，误差较小，同时也说明了采用Maxwell有限元软件计算的正确性。

图7 发电机测试平台

励磁电流/A电枢电压计算结果/V电枢电压实验结果/V误差/%0248.2251.041.131293.19296.551.132338.12344.671.903382.88393.332.654426.44437.512.535463.62472.841.946484.77493.181.707497.6504.171.308506.78512.691.15

表3 励磁绕组输入反向电流时的空载特性

图8 励磁电流为4 A时发电机空载线电压波形

图9 端电压为400 V时的发电机调节特性

3 结 语

围绕提出的混合励磁同步发电机进行了研究，该电机由4个永磁磁极和4个铁磁磁极组成。介绍了该电机的基本结构，应用等效磁路法分析了该混合励磁同步发电机气隙磁场调节原理，并采用Maxwell软件对该混合励磁同步发电机特性进行了计算。计算结果表明：该混合励磁同步发电机具有宽范围的气隙磁场调节能力，与实验结果比较，验证了计算方法的正确性。此外，当发电机外部电路发生故障时，可在铁磁磁极下的励磁绕组中通入反向电流，以实现发电机的快速灭磁。

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