混合励磁永磁发电机的设计与性能分析

永磁电机　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２　林　岩２　（１．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京　１００１９１　２．丹佛斯（天津）有限公司，天津　３０１７００）　摘要　为了降低永磁发电机的电压调整率，本文研究了一种混合励磁永磁发电机。在详细　分析其结构与工作原理的基础上，给出设计该种发电机的设计数学模型。同时，利用三维有限　元软件进行分析。最后，设计并加工了一台７。５ｋＷ样机，从试验结果来看，通过调节电励磁电　流，气隙磁通具有较好的调节特性，从而获得较低电压调整率。　关键词：混合；永磁；发电机；设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＷａｎｇＨｕｉｊｕｎｌ　ＬｉｕＪｉａｎｆｅｎｇｉ　ＬｉｕＸｉｑｕａｎＩ　ＹａｏＬｉ２　Ｌｉｎ　Ｙａｎ２　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９１；２．Ｄａｎｆｏｓｓ（Ｔｉａｎｊｉｎ）Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０１７００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ａｉｒ　ｇａｐ　ｆｌｕｘ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　３一Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ａ　７．５ｋＷ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ．Ｉｔ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｃ　ｆｉｅｌｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ；ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｄｅｓｉｇｎ　稀土永磁电机由于是永磁体励磁，没有励磁损　磁磁极交互排列的混合结构，但由于铁磁极与永磁　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　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，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　３１。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　——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　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　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。　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　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　８　ｌ电唏技礅　２ｏ１　１年第１１期　永磁电机　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。　＿　㈣　Ｉ　－：　＋＋ｒｃｕｉｔ＋Ｉ　盆鲨　ｌ　＝＝　翔§　　■■●ｌ●’　Ｉ　畦　ｌ　／　Ｉ　雕：　ｉ　ｒ，　：＋ｐ　ｅ：ｌ　ｅ＋　垂　羞－苎　：　　ｌ　＿＿一　。　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　一童　１　誓＿　ｌ　翌　●　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　２一　Ｍ可　以表示为　中　式中，符号“　表示并联关系。　和　。分别表示　转子、定子磁阻。　ｌ是漏磁阻。　是气隙磁阻。　ＲＰＭ＿ｐｕｌ。和　＿ｒ０ｎ＿ｐ。ｌ。分别是永磁体和铁磁极的磁阻。　ｌ是合成的轴向气隙磁阻。　Ｍ和　分别是永　磁体及铁磁极产生的磁动势。　Ｒ　Ｉ＝Ｒｓ　＋　（２）　Ｒ　＝（　。：＋　恻。）　Ｉ．　（３）　永磁体的磁动势及对应的磁通可表示为　＝ｈｐ　Ｈ　（４）　２　＝　２＿ＰＭ　ＰＭ　（５）　因此，区域２部分永磁体表面的气隙磁密可表　示为　丹　：　‰　￣－，ｔｌ　ｐｍＩ竺１　ｃ　（６）　基于上述相同原理，区域２部分电励磁磁通可　表示为　￣ｉ￣ｇ２ｒｏ　ｎ　ｉｒｏｎ：　㈩　－而电励磁磁动势可表示　１　０　ｌ电　技肃　２０１１年第１　１期　＝２　～Ｎ＝２　…ｓ＝Ｎ刚ｄ』　ｄ　（８　Ｊ　相对应的铁磁极表面的气隙磁通可表示为　Ｂｇ２ＫＤＣ　Ｎｆｉｅｉ　ｄ／ｆｉｅｌｄ　‘９）　ｉｒｏｎ：　＋因此，区域２部分总的合成磁通及磁密可表示为　＝　：　＋　（１０）　Ｂ　：：　：＝　±垒：：　　（１ｌ　　１）　ｇ２＿ＰＭ＋　２啪ｎ　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。　矗ｍ＃　ｅ　Ｉｎ　（ａ）６＝０．５ｍｍ，ｈｐｍ＝８ｍｍ　ａｎｄ　ｎ。ｍ＝０　８　（Ｃ）６＝０．８ｍｍ，ｈｐｍ＝１ｌｍｍ　ａｎｄ　ａ。ｍ：０．７　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　皇。　茸　童　苣…５　一、　、　’　一　一　．　一一　１∞　ｌｅｉｔｈ／ｒｍ＇ａ￣：“　、：　ｌ　ｈ　ａｅｇｒ　（ｂ）电励磁为０模式　茸　喜　。　苣　Ａ　ｋ　曲，　：、　≥　０　《　一　一　馨一　　．二一　一一矗　ｌｒａｌｔ　．　”　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１ｌｋＷ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ｌ００Ｎ・ｍ的转矩测量仪。图１０是　永磁电机　测试平台。图１１是样机的测试结果，从图中可以看　一＿，茸宴“　０　出，样机具有较好的调节特性。蓦ｌ　　＼　表１，样机的主要设计参数　删　设计参数　参数值　＼　定子外径／ｍｍ　１７５　定子背轭厚度／。增　ｍｍ　ｌ２　气隙长度／■磁　ｍｍ　０．８　一　定子槽数　模　式　３６　直流励磁绕组宽度／ｍｍ　ｌ３　永磁体轴向长度／ａｒｍ　１１２　铁磁极轴向长度／ｍｍ　３５　永磁体极弧系数　０．８ｌ　永磁体厚度／ａｒｍ　１１　图１０试验测试平台　图１ｌ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。　参考文献　［１］Ｎ．Ｎａｏｅ，Ｔ．Ｆｕｋａｍｉ．Ｔｒｉａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｔｙｐｅ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍａｃｈｉｎｅ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＭＤＣ’２００　１，Ｆｒａｎｃｅ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，　２００　１：５４５．５４７．　（　转第４Ｏ页）　２ｏ１　１年第１１期电置｜ｉ技柬ｌ　１　１　研究与开发　参考文献　［６］　Ｃａｒｏ１．Ｓ．Ｃｈｅｎｇ，Ｄａｒｉｕｓｈ．Ｓｈｉｒｍｏｈａｍｍａｄｉ．Ａ　Ｔｈｒｅｅ—　Ｐｈａｓｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｌｏｗ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｒｅａ１．ｔｉｍｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　［１］　周伞　，张海．现代电网自动控制系统及其应用［Ｍ］．　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　中国水利水电出版社，２００４．　Ｓｙｓｔｅｍｓ．１　９９５，１　０（２）：６７　１—６７９．　［２】刘健，倪建立．配电网自动化新技术［Ｍ】．北京：中国水　［７】　王明俊，于尔铿，刘广一．配电系统自动化及其发展［Ｍ】．　利水电出版社，２００４．　北京：中国电力出版社，１９９８．　［３］　Ｔ．ｊ．Ｅ．米勒．电力系统无功功率控制［Ｍ］．北京：水利　［８】　王留成．中性点不接地系统配网三相解耦潮流ｆＪ］．自　电力　版社，１９９０．　动化与仪器仪表，２０１１，２１（１）：１３５．１３７．　［４］　王守相，王成Ｉ上ｆ，王剑．酉己电电容器三相分相优化投切『Ｊ］．　电网技术，２００２　２６（８）：１６—２０．　作者简介　［５】　李光琦．电力系统暂态分析［Ｍ】．北京：中国电力出版　王留戍（１９８０．）男，　井师，硕｛：研究生，主要从事电力系统自动化　社．１９９５．　的教学和科研。　（上接第２５页）　参考文献　４　结论　［１］唐任远等．现代永磁电机理论与设计．北京：机械工业　（１）齿槽转矩是永磁通用电机转矩波动的主要　出版社，１９９７．　原因，为了减小转矩波动，可使永磁磁极远离气隙。　［２】王秀和等．永磁电机．北京：中国电力出版社，２００７．　（２）永磁磁极的引入会产生负转矩，负转矩会　［３］　陈阳生，林友仰，陶志鹏．无刷直流电机力矩的解析　减小电机的有效输出转矩，降低效率，可以通过引　计算．中国电机工程学报。１９９５，１５（４）：２５３．２６０．　入永磁磁通支路有效消除。　［４】魏先林，付求涯．基于ＭＡＴＬＡＢ解析计算无刷直流　（３）本文提出的新结构永磁通用电机可以有效　电动机的齿槽转矩．微特电机，２００５，１（７）：１５．２０．　减小转矩波动和负转矩，提高电机效率，达到　７２．９７％。　作者简介　（４）为了得到高能效的产品，不只要提高电机　刘　伟（１９８１．），辽宁葫芦岛人，丁：程师，主要从事特种电机设计、　本体的效率，还要注重电机与风扇的匹配。　仿真Ｉ：作。　４０　Ｉ电　技　２０１１年第１１期