并列结构混合励磁无刷同步发电机的原理及实现

发布时间：2009-11-06 作者：万军红

        0　引　言
        混合励磁同步电机(HESM)是20世纪80年 代末由俄罗斯学者首先提出的一种新型电机拓 扑[ 1 ] ,在电机内存在两个磁势源———永磁体和励 磁绕组。它综合了电励磁同步电机调磁方便和永 磁同步电机效率高、转矩质量比大等优点,且克服 了永磁同步电机磁场调节难等缺陷,具有广阔的 应用前景。
        并列结构HESM (如图1所示)是HESM的一 种拓扑型式。在并列结构HESM中,电励磁部分 和永磁部分是各自独立的,它们之间用隔磁环隔 开,使得永磁体不会产生去磁现象,并且能够实现 励磁电流的双向可调。故并列结构HESM逐渐 获得了各国学者的青睐。

        英国学者Chalmers等在1998年提出了组合 转子混合励磁电机[ 2 ] ,该电机采用普通交流电机 定子,转子则由磁阻转子(Axially2Laminated Ani2 sotrop ic,ALA)和表贴式永磁转子两部分组成。在这种结构中,永磁通和“弱磁”磁通各自具有不同 的物理磁路: 永磁通只在永磁段的磁路中流通 (径向) ,“弱磁”磁通只在磁阻段中流通(径向) , “弱磁”表现为一种合成的效果,在定子铁心的硅 钢片中,并不存在真正的磁场削弱。在低速运行 时,磁阻部分基本上不产生转矩,从而导致了较低 的电机转矩密度,而高速“弱磁”运行时,永磁段 的磁通基本不变,磁阻段的磁通则随“弱磁”程度 的增大而增大,从而导致铁损增大。永磁体受电 枢反应作用,容易产生不可恢复的去磁。
        为克服上述方案的缺陷, 2001 年,日本学者 把上述方案中的ALA换成了电励磁转子[ 3 ] ,可以 通过调节励磁电流的大小来调节气隙磁场,但在 结构上由于励磁绕组位于转子上,需要滑环和电 刷,且部分励磁绕组位于永磁体下,使得励磁磁势 除与永磁磁势并联外,还与永磁磁势串联,永磁体 存在一定的去磁风险。
        文献[ 4 ]针对永磁同步电机磁场调节困难、 输出电压不可调的问题,研制了一种新型的并列 结构HESM,并对其空载特性、外特性及调节特性 进行了分析。但电机中存在滑环和电刷。
        文献[ 5 ]分析了一种永磁和电励磁磁路相互 独立的组合励磁稀土永磁同步发电机,电机的定 子结构和传统的电励磁发电机定子结构相同,永 磁发电机部分和电励磁发电机部分共有一个电枢 绕组,电枢绕组感应电势有两个部分,分别由永磁 磁场和电励磁磁场感应产生,主要部分是永久磁 钢产生的磁势,调节电压所需的辅助磁场靠电励 磁绕组产生的磁势来建立,两部分磁势基本上单 独地作用于各自的磁路,形成各自的气隙磁场。 永磁发电机的转子结构和普通永磁同步发电 机结构相同,采用径向充磁磁钢。电励磁发电机 部分将整个励磁绕组固定在机壳上,通过两个附 加气隙的磁路安排,实现了电励磁部分的无刷结 构。它能够较好地调整发电机的输出电压,运行 可靠性较高,故障率比有刷结构低。但该结构中 电励磁部分的有效长度较小,影响了电机整体性 能的发挥。
        本文分析了一种新型的HESM———并列结构 无刷混合励磁同步发电机(HESG) ,描述了它的 结构和工作原理,利用等效磁路研究了它的调磁 原理。试验证明,电机设计合理、正确,且具有结 构简单、无刷化等优点。
        1　并列结构无刷HESG的结构及调 磁原理
        1. 1　电机结构
        并列结构无刷HESG的结构如图2所示,由 永磁同步发电机( PMSG)和电励磁同步发电机 ( EESG)组合而成,两电机左右放置,共用壳体和 转轴,两者的电枢和转子各自独立,中间用气隙隔 开。两电机的电枢结构完全相同,即槽数相等,槽 型相同,电枢绕组共用;两部分的长度可以相等, 也可以不等。在转子结构上,永磁部分和电励磁 部分应具有相同的极弧系数(电极弧系数) ,并且 磁极的中心线应该对齐。
        

        永磁转子由导磁体和永磁体组成,永磁体可 以采用径向充磁结构,也可以采用切向充磁结构。 电励磁转子由非导磁隔离体、外扩延伸导磁体、内 缩延伸导磁体等组成。外扩延伸导磁体和内缩延 伸导磁体均沿电机轴的方向往同一端延伸,外扩 延伸导磁体向外延伸扩展为圆柱形状,内缩延伸 导磁体向内延伸收缩为圆环形状,圆环形状和圆 柱形状部分称为延伸端,延伸端有一个空间用来 放置环形磁桥,环形磁桥固定在端盖上,与延伸端 之间有一定的气隙,环形磁桥与外扩延伸导磁体 之间的气隙称为外层附加气隙,与内缩延伸导磁 体之间的气隙称为内层附加气隙。内嵌的电励磁 绕组安放在环形磁桥内。
        因此当电机旋转时,外扩延伸导磁体和内缩 延伸导磁体随转轴一起转动,而环形磁桥和励磁绕组不随转子转动,励磁绕组的供电不需要电刷、 滑环,是一种新结构的电励磁无刷同步电机。
        1. 2　电机的调磁原理
        并列结构无刷HESG有两个磁势源,一个是 永磁磁势,如图2中的左边部分,另一个是直流励 磁绕组,如图2中的右边部分。调节励磁绕组电 流的大小和方向,气隙中的磁通合成发生变化。 空载时,若直流励磁电流为零,则气隙磁场只 由永磁体产生。如图3 ( a)所示。

        若直流励磁电流大于零,则直流励磁电流在 气隙中产生磁场的方向与永磁体产生磁场的方向 相同,气隙合成磁场增大。由于两部分磁场互相 独立,所以永磁磁场和电励磁磁场互不影响,并且 随直流励磁电流的增加,气隙合成磁场逐渐增大。 如图3 ( b)所示。
        当直流励磁电流小于零时,直流励磁电流在 气隙中产生磁场的方向与永磁体产生的磁场方向 相反,气隙合成磁场减弱。如图3 ( c)所示。
        因此,通过调节励磁电流的大小和方向,即可 使得气隙合成磁通发生变化,达到调磁的目的。
        2　并列结构无刷HESG的等效磁路
        考虑轴向漏磁时,永磁发电机和电励磁发电 机部分在磁路上就存在关联,图4是整个并列结 构无刷HESG的等效磁路模型简图。
      

        图4中,下标e表示电励磁部分,下标m表 示永磁发电机部分。Geσ为电励磁部分的漏磁导; Ge1为电励磁电枢部分主磁路的等效磁导; Ge2为 电励磁磁极、励磁绕组支架等部分主磁路的等效 磁导; Gm0为磁钢等效内磁导; Gmσ为永磁发电机部
        分等效漏磁导; Gm1为永磁发电机电枢部分主磁路 的等效磁导; Gσδ为等效轴向气隙漏磁导; Gσz为等 效轴漏磁导; Fe 为电励磁等效磁势, Fe = If ×Nf , If 为电励磁电流,Nf 为电励磁绕组匝数; Fm 为磁钢 等效磁势。
        当永磁发电机和电励磁发电机的相邻磁极为 异极性时,轴向漏磁路径为:电励磁发电机N 极 →轴向气隙→永磁发电机S极→(分两路) → 1→永磁发电机N极→轴向气隙→电励磁发电机S极 2→轴向气隙
        →电励磁发电机磁路→电励磁发电机N极 一般情况下,由于轴向漏磁较小,可以忽略不 计,因此电机的等效磁路简化如图5所示。其中: Rm1、Re1分别为永磁体、电励磁部分的等效磁阻; Rδ1、Rδ2分别为永磁部分、电磁励磁部分对应的气 隙磁阻; Fm、Fe 分别为永磁体、励磁电流提供的磁 势; RA 为定子及定子轭的磁阻;Φδm为永磁磁势提 供的每极气隙磁通;Φδe为电励磁磁势提供的每极 气隙磁通,总的气隙磁通Φδ =Φδm +Φδe。
       

        综上所述,并列结构的HESG通常可以认为 是永磁发电机与电励磁发电机的复合。并列的两 段转子上励磁电流和永磁体各自激励磁通,它们 产生的磁通在气隙中间合成,Φδ =ΦδPM +ΦδEM , 调节励磁电流的大小和方向,Φδ 就发生变化,使 得气隙磁场得以调节。这种电机既可作为发电机 使用也可作为电动机使用。
        3　原理样机的试验验证
        为了验证并列结构无刷HESG的运行特性, 揭示并列结构HESG的运行规律,试制了一台6 kVA的样机,如图6所示,样机的永磁部分采用径 向结构,样机的结构参数如表1所示。
        样机中,永磁磁钢采用钕铁硼,其剩磁感应强 度为1. 2 T,矫顽力为900 kA /m。铁心采用Steel_ 1010。