混合励磁永磁同步发电机等效磁路分析研究

混合励磁永磁同步发电机等效磁路分析研究

朱诗顺,杨春宝,李建文,朱道伟

天津军事交通学院,天津(300161)

摘　要　混合励磁永磁同步发电机(HES M)是在永磁同步发电机的基础上,在电机的定子或转子上加入电励磁绕组以调节电机主磁通的新型发电机。先对混合励磁永磁同步发电机的工作原理进行了详细分析,并对电机较为复杂的磁路进行了等效简化。

关键词　混合励磁;同步发电机;等效磁路;研究

中图分类号T M313　文献标识码A　文章编号100827281(2009)0420008204

Ana lysis and Study on the Equ i va len tM agneti c C i rcu it of

Hybr i d Exc it a ti on P M Synchronous Genera tor

Zhu S h ishun,Yang Chunbao,L i J ianw en,and Zhu D ao w ei Abstract　On the basis of P M synchr onous generat or,a ne w kind of hybrid excita2 ti on P M synchr onous generat or,which insert excitati on windings o the stat or or r ot or t o adjust main flux of mot or,is p resented.The working p rinci p le of it is analyzed in detailed and the comp lex magnetic circuit is si m p lified equivalently.

Key words　Hybrid excitati on;synchr onous generat or;equivalent magnetic circuit;

study

0　引言

稀土永磁同步发电机取消了励磁绕组具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、功率密度大、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景,但从目前的实际应用情况来看,它的应用仍有一定的局限,不能应用在大转速变化范围的领域,其主要原因是电压调整率问题。永磁同步发电机采用永磁体励磁,采用从外部调节发电机的磁场方法来调节电压变得极为困难。目前,主要采用大功率可控器件对发电机的输出进行整流和逆变来实现稳压。此种方法虽然精度较高,但输出电压波形较差,而且系统复杂,可靠性降低,同时成本增加太多。励磁磁场不可调已经成为限制永磁发电机应用和推广的瓶颈[1]。

混合励磁永磁同步发电机(HES M)与传统的电励磁同步电机以及永磁同步电机结构不同,它既有永磁体又有励磁绕组,两个磁势源同时存在,既集成了电励磁同步电机调磁方便且调磁容量小和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优点,又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷,有较大的推广应用价值。近年来,人们对节能和独立发电系统的研究日益深入,混合励磁永磁同步发电机也得到了越来越多的重视,成为新的研究热点之一。

1　主要结构及工作原理

1.1　主要结构

混合励磁发电机是在原永磁同步发电机的基础上一种结构的改良[2],它既具有永磁体,又具有电励磁系统。它的气隙磁场由两部分激励产生,一部分由永磁体建立,是气隙磁场的主要部分;另一部分是由励磁绕组的电流来激励产生,起调节磁场的作用。图1(a)所示为一种典型的混合励磁永磁同步发电机结构。

发电机的定子由定子绕组和定子铁心、定子背轭组成,定子铁心被直流环形励磁绕组分成两部分:一部分为N极侧铁心,一部分为S极侧铁心,定子背轭把N极侧铁心和S极侧铁心在机械上和磁场上连接起来。

相应地,发电机的转子也分为两个部分:一部分为N极永磁体和铁心极交错排列,一部分为S 极永磁体和铁心极交错排列;且两部分间的永磁体也相互错开,如图1(b)所示,在转子的磁极和转轴之间有转子背轭把两个极在机械上和磁场上相互连接起来[3]。

8

(a )

混合励磁电机的轴向剖面图

(b )混合励磁电机的转子结构图

图1　混合励磁永磁发电机的结构示意图

1.2　工作原理

混合励磁永磁同步发电机由永磁体和励磁绕

组共同产生磁动势,两者并联提供的工作磁通在气隙中合成。通过调整两部分转子的结构,使得两部分转子磁极的轴线重合,可以做到两部分定子绕组产生的感应电动势同相位,即空载时由永磁磁动势和电励磁磁动势分别产生的两部分定子绕组感应电动势没有相差,在数量上是代数相加的关系,定子绕组总的空载感应电动势为永磁发电机部分和电励磁发电机部分定子感应电动势的代数和。有

E 0=E m 0+E e 0

(1)

式中,E 0—总的空载电动势;E m 0—主发电机部分的空载电动势;E e 0—辅发电机部分的空载电动势。

当发电机转速过快时,可通过减小电励磁的电流来达到减小发电机气隙磁场的目的;当发电机转速降低时,通过增大电励磁线圈的电流,使发电机气隙磁场增强,从而使发电机负载电压保持恒定。1.3　电压平衡关系式

永磁部分和电励磁部分共用1套定子绕组,接同一个负载,因此电枢绕组的漏阻抗计算和普通电励磁同步发电机相同。对电枢反应的处理,可以将定子绕组看成由永磁发电机定子绕组和电励磁发电机定子绕组两部分组成,由于两部分发电机转子磁极的轴线重合,极弧系数相同,负载时由电枢磁势在两部分绕组中产生的直轴电枢反应

电势没有相差,交轴电枢反应电势也没有相差,它们在数量上是代数相加的关系,所以绕组总的交直轴电枢反应电抗分别是两部分电枢反应电抗的代数和。不计饱和时,并列结构混合励磁同步发电机的电压平衡方程,有

E 0=U +j I d X ad +j I q X aq +I (R 1+j X 1)(2) X ad =X adm +X ade

(3) X aq =X aq m +X aqe

(4)

式中,U —电枢一相绕组的端电压;I d 和I q —电枢电流的直轴分量和交轴分量;R 1—电枢绕组电阻;X 1—定子漏电抗;X ad —总直轴电枢反应电抗;X aq —总交轴电枢反应电抗;X adm 和X aq m —永磁发电机部分的直轴和交轴电枢反应电抗;X ade 和X aqe —电励磁发电机部分的直轴和交轴电枢反应电抗。1.4　励磁电流I f 与负载电流I L 的关系

励磁电流I f 与负载电流I L 的关系即为HES M 的调节特性,它的定义和电励磁同步发电机调节特性定义相同,为发电机转速不变、负载功率因数不变、保持发电机端电压为常数时,电励磁电流I f

和负载电流I L 之间的关系。即n =常数;cos

φ=常数;U =常数时;I f =f (I L )。并列结构混合励磁同步发电机的空载特性和外特性求出后,可以推导出调节特性,现简单推导调节特性的线性计算公式。在HES M 的设计中,在负载电流变化范围内,调节特性最好为线性。在线性调节范围内,如果空载特性和外特性都为线性,则调节特性也为线性,励磁电流I f 与负载电流I L 的关系可以从HES M 的线性空载特性和外特性推导出来,设HES M 空载感应电动势E 0与励磁电流I f 的线性关系如下

E 0=E 0c +k E I f

(5)

式中,E 0c —电励磁电流为0时的空载电动势;k E —

线性范围励磁电流和感应电动势的比例系数。

HES M 的外特性在线性调节范围内基本上也

是直线,可以用下式表示 U =E 0-k U I L (6)

式中,k U —常数。

解联立方程式(5)和式(6)可以求出保持端电压为U 时,发电机调节特性的线性表达式

9

I f =

U -E 0c +k U I L

k E

(7

)

2　电机的磁路分析

2.1　永磁体等效磁路

混合励磁永磁同步发电机的内部磁场主要是

由永磁体提供的,电励磁起调节作用。为了便于对永磁体磁场进行分析研究,从退磁曲线为直线、回复线与退磁曲线重合的稀土永磁材料着手,导

出磁通源[4]

。在均匀磁性材料中,磁感应强度B 、磁化强度M 和磁场强度H 之间的关系为 B =μ0M +μ0H (8)

内禀磁感应强度为

B i =μ0M =B -μ0H

(9)

永磁材料的磁化强度为

M =M r +χH

(10)式中,M r —剩余磁感应强度,对于特定的永磁材料是个常量,χ—永磁材料的磁化系数,与相对回复磁导率间存在的关系为μr =1+χ。因此,式(8)和式(9)变为

B =μ0(M r +χH )+μ0H =μ0M r +μr μ0H

(11)

B i =μ0(M r +χH )=μ0M r +(μr -1)μ0H (12)磁场强度H 取绝对值时 B =μ0M r -μr μ0H =B ir -μr μ0H (13) B i =B ir -(μr -1)μ0H

(14)

图2是稀土永磁材料典型的内禀曲线及退磁

曲线。由图2可知,在O 2H c 范围内,内禀曲线为略微下垂的直线1,下垂斜率为(μr -1)μ0。为便于分析,引入一个虚拟内禀曲线,它在O 2H c 范围内为B i =B ir =μ0μr H 的一条水平直线,如图2(a )中虚线1′所示。

在计算永磁电机磁路时,更常用的是磁通Φ和磁动势F 这两个物理量,即使用Φ=f (F )曲线,实际上,只要将B =f (H )曲线的纵坐标乘以永磁体提供每极磁通的截面积为S m ,横坐标乘以每对极磁路中永磁体磁化方向长度为h m ,也就将图2(a )中B =f (H )曲线转换为图2(b )中的Φ=f (F )曲线。则

Φm =B S m

F m =Hh m

(15)

将式(13)两端同乘以S m ,得 Φm =B ir S m -μr μ0HS m =

Φr -μr μ0S m

h m

Hh m

=Φr -F m

R m

(16)

即Φm =Φr -Φ0

式中,Φr =B ir S m 称为虚拟内禀磁通;Φ0=

F m R m

称为

永磁体的虚拟内漏磁通;R m =h m

μr μ0S m 为永磁体的

内磁阻。

(a )　内禀曲线 (b )退磁曲线

图2　永磁材料的内禀曲线及退磁曲线

电机在运行过程中,永磁体向外磁路提供的

磁动势和磁通都是变化的,计算比较麻烦,经过上述处理后,

就可将永磁体等效成一个恒磁通源与一个恒定的内磁导相并联的磁通源[5]

,如图3所

示,这就大大简化了磁路计算。

图3　永磁体的等效磁路

正如电路中电压源和电流源可以互相等效一

样,磁路中的磁通源可等效变换成磁动势源,由式(16)得

Φm =Φr -Φ0=μr μ0S m h m

H c h m -μr μ0S m

h m

Hh m

=Λ0F c -Λ0F m (17)

或 F m =F c -

Φm

Λ0

式中,F c —永磁体磁动势源的计算磁动势,对于给定的永磁体性能和尺寸,它是一个常数。

因此永磁体也可以等效成一个恒磁动势源F c 和一个内磁导Λ0相串联的磁动势源,如图4

1

所示。它与图3所示的磁通源是等效的,二者可以互换,在应用时可根据不同的使用场合,从方便出发进行选择

。

图4　永磁体等效成磁动势源

2.2　外磁路等效磁路

永磁体向外磁路提供的总磁通Φm 可以分为

两部分:一部分与电枢绕组匝链称为主磁通(即每极气隙磁通)Φδ;另一部分不与电枢绕组匝链称为漏磁通Φσ。相应地将永磁体以外的磁路分为主磁路和漏磁路,相应的磁导分别为主磁导Λδ和漏磁导Λσ。

电机实际的外磁路比较复杂,分析时可以根据其磁通分布情况分成许多段,再经串、并联进行组合,主磁导和漏磁导是各段磁导的合成。在空载情况下外磁路的等效磁路如图5所示。在负载运行时,根据电机原理,主磁路中增加了电枢磁动势,设每对极磁路中的电枢磁动势为F a ,其相应的等效磁路如图6(a )所示。根据对励磁磁场作用的不同,F a 起增磁或去磁作用

。

图5　

空载时外磁路的等效磁路

(a ) (b )

图6　负载时外磁路的等效磁路

2.3　电机的等效磁路

将图6与图3或图4合并,得到负载时电机总的等效磁路,如图7所示。令F a =0,即得到空载时的等效磁路,对于不同的永磁电机,等效磁路的具体构成将有所区别

。

(a )磁通源等效磁路 (b )磁动势等效磁路

图7　负载时永磁电机的等效磁路

4　结语

混合励磁永磁同步发电机作为一种新型发电机,它具有永磁发电机不具备的调压功能,将其应

用于变速恒频恒压发电系统,能够充分发挥混合励磁调节磁场的功能。通过磁路的等效,可有效降低内部磁场的复杂性,使得分析研究更加方便。但是,就目前来说,由于制造工艺的原因,混合励磁永磁同步发电机还处在试验阶段,电励磁和永磁体之间的磁路耦合不能达到理论上的水平,还需要进一步进行研究。

参考文献

[1]　金万兵,张东等.混合励磁永磁同步发电机的分析

与设计研究[J ].沈阳工业大学,2004,(01):26229.

[2]　赵朝会,秦海鸿,姬少龙,严仰光.并列结构混合励

磁同步发电机的结构与特性研究[J ].河南农业大学学报.2006,(04):4062409.

[3]　杨儒珊,康惠骏,冯勇.混合励磁永磁同步电机的结

构原理与控制方案分析[J ].微特电机.2006(06):10212.

[4]　肖红霞.双电压复合励磁稀土永磁同步发电机的设

计研究[D ].湖南大学,2005.

[5]　王秀和等.永磁电机[M ].北京:中国电力出版社,2007.

　作者简介:朱诗顺　男　1960年生;博士后,硕士研究生导师,

研究方向为车辆混合动力技术.　收稿日期:2009203202

欢迎订阅　欢迎投稿　欢迎刊登广告

垂询电话:0454—8326352

E -mail:bjb6352@https://www.360docs.net/doc/2619238651.html, QQ:15335960

1

1