寬調(diào)磁范圍的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)

周 琳，夏永洪,2，張 聰， 李夢(mèng)茹

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096)

0 引 言

永磁體的引入有效提高了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的提出解決了常規(guī)永磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)的問題，使永磁發(fā)電機(jī)輸出電壓變得可控[1-3]。從現(xiàn)有的混合勵(lì)磁電機(jī)來(lái)看，盡管實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，但有些方案的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力差，調(diào)節(jié)范圍不寬。對(duì)于串聯(lián)型的混合勵(lì)磁同步電機(jī)[4]，如圖1所示，由于電勵(lì)磁繞組建立的磁場(chǎng)需要通過永磁體，從而難以獲得寬范圍的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力。此外，對(duì)于一些并聯(lián)型的混合勵(lì)磁同步電機(jī)[5]，如圖2所示，是通過調(diào)節(jié)每極下氣隙磁場(chǎng)的波形形狀以實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，并沒有增加每極磁通量，導(dǎo)致其氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍小。

圖1 串聯(lián)型混合勵(lì)磁同步電機(jī)截面

圖2 并聯(lián)型混合勵(lì)磁同步電機(jī)截面

針對(duì)該問題，實(shí)驗(yàn)室提出一種具有寬范圍氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)有4個(gè)永磁磁極和4個(gè)鐵磁磁極。闡述該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，采用Maxwell有限元軟件計(jì)算其運(yùn)行特性，其氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過實(shí)驗(yàn)室已研制的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)截面如圖3所示。該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的定子部分與傳統(tǒng)交流電機(jī)系統(tǒng)，包括定子鐵芯和電樞繞組。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和勵(lì)磁繞組，永磁體以內(nèi)置方式嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯里，它產(chǎn)生的磁極稱為永磁磁極；勵(lì)磁繞組有2套：一套布置在永磁磁極鐵芯上，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部故障時(shí)，產(chǎn)生與永磁體相反的磁場(chǎng)，另一套布置在磁極極身，它產(chǎn)生的磁極稱為鐵磁磁極，主要用于調(diào)節(jié)氣隙的磁場(chǎng)的大小。由圖3可知，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由4個(gè)永磁磁極和4個(gè)鐵磁磁極組成。

圖3 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)截面

1.2 磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理

由于混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化分析，采用“場(chǎng)化路”的方法[6,7]，即將空間實(shí)際不均勻分布磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為等效磁路進(jìn)行分析，同時(shí)僅考慮主磁路，忽略漏磁路。混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，永磁體建立的磁通路徑為勵(lì)磁磁路1，鐵磁磁極下的勵(lì)磁繞組建立的磁通路徑為勵(lì)磁磁路2，如圖4所示。

圖4 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)磁路

對(duì)于勵(lì)磁磁路1，其等效磁路如圖5(a)所示。

圖5 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)等效磁路

圖5中：Rs1、Rs2分別為定子齒、定子軛磁阻；Rδ為氣隙磁阻；Rr為 轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻；Rpm為永磁體磁阻；Fpm、Ffdm分別為永磁磁動(dòng)勢(shì)、電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)；φm1、φm2分別為勵(lì)磁回路1、2的主磁通。

勵(lì)磁回路1的主磁通為：

(1)

當(dāng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)好之后，永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為一恒定值，因此，其在永磁磁極產(chǎn)生的磁通不變。

對(duì)于勵(lì)磁回路2，其等效磁路如圖5(b)所示。

勵(lì)磁回路2的主磁通為：

(2)

當(dāng)改變輸入到鐵磁磁極下勵(lì)磁繞組的電流大小時(shí)，可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的大小；改變勵(lì)磁電流的方向，則可以改變鐵磁磁極下氣隙磁密的方向，如圖6所示。

圖6 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)空載氣隙磁密

2 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)特性計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的寬范圍調(diào)磁能力，實(shí)驗(yàn)室研制了一臺(tái)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。該樣機(jī)轉(zhuǎn)子由4個(gè)永磁磁極和4個(gè)鐵磁磁極組成，定子與普通同步電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，定子鐵芯斜槽，斜一個(gè)定子齒距，每相電樞繞組串聯(lián)匝數(shù)為288匝，Y接，勵(lì)磁繞組每極匝數(shù)均為100匝，永磁磁極和鐵磁磁極下的勵(lì)磁繞組分別形成一條支路。

表1 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

基于Maxwell有限元軟件，計(jì)算了混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)空載特性和調(diào)節(jié)特性，并得到了發(fā)電機(jī)空載線電壓波形。此外，基于實(shí)驗(yàn)室已有的測(cè)試平臺(tái)對(duì)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)特性進(jìn)行了測(cè)試，如圖7所示。表2和表3分別為勵(lì)磁繞組輸入正、反向電流時(shí)的空載特性，圖8為勵(lì)磁電流為4 A時(shí)發(fā)電機(jī)空載線電壓波形，圖9為端電壓為400 V時(shí)的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性。

由表2可知，當(dāng)勵(lì)磁電流從0增加到8 A時(shí)，線電壓由251.04 V增加到512.69 V，增加了104.2%，表明了該混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有寬范圍的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力。由表3可知，當(dāng)勵(lì)磁電流反向時(shí)，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電樞電壓下降非?？?，因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)外部電路發(fā)生故障時(shí)，可在勵(lì)磁繞組中通入反向勵(lì)磁電流，使鐵磁磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與永磁磁極的相反，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的快速降壓。此外，從仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來(lái)看，誤差較小，同時(shí)也說明了采用Maxwell有限元軟件計(jì)算的正確性。

圖7 發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)

勵(lì)磁電流/A電樞電壓計(jì)算結(jié)果/V電樞電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果/V誤差/%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 勵(lì)磁繞組輸入反向電流時(shí)的空載特性

圖8 勵(lì)磁電流為4 A時(shí)發(fā)電機(jī)空載線電壓波形

圖9 端電壓為400 V時(shí)的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性

3 結(jié) 語(yǔ)

圍繞提出的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，該電機(jī)由4個(gè)永磁磁極和4個(gè)鐵磁磁極組成。介紹了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用等效磁路法分析了該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，并采用Maxwell軟件對(duì)該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)特性進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)具有寬范圍的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性。此外，當(dāng)發(fā)電機(jī)外部電路發(fā)生故障時(shí)，可在鐵磁磁極下的勵(lì)磁繞組中通入反向電流，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的快速滅磁。

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