軸向磁通電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)繞組排布方式電磁特性分析

李林濤，史立偉，李法成，王文強(qiáng)，劉政委

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展,汽車成為日常生活中不可或缺的一部分。然而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣不僅對(duì)環(huán)境造成了不可逆的污染,也大大浪費(fèi)了其可利用的剩余能量[1]?；厥諒U氣能量,不僅可以降低對(duì)環(huán)境的污染,也最大限度地節(jié)省了化石能源的利用與消耗,成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與方向。

實(shí)際上,內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒主要轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械能、廢氣能量、散熱損失能量與機(jī)械損失能量。但機(jī)械能的轉(zhuǎn)化率非常低,僅有30%～40%,而廢氣帶走的能量占總能量的25%以上[2]。為了利用廢氣中的剩余能量,直接渦輪復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)[3]應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,所需附加附件較少,受到廣大學(xué)者的關(guān)注。高溫高速是渦輪增壓器典型的工作環(huán)境,這在很大程度上限制了發(fā)電機(jī)類型的選擇。稀土永磁電機(jī)效率高、功率因數(shù)高,成為最常用、研究最為廣泛的電機(jī)類型[4-5]。然而永磁體高溫退磁、不易調(diào)磁與故障滅磁的特點(diǎn)也是其無法忽視的缺點(diǎn),這也極大地限制了永磁類電機(jī)在高溫場合中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]把軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)安裝在渦輪膨脹機(jī)的一側(cè),這無疑會(huì)較大增加渦輪增壓器的體積,而且對(duì)其安裝位置有較高要求,同時(shí)隔熱材料與冷卻系統(tǒng)也是必不可少的。因此,電勵(lì)磁類電機(jī)以其調(diào)磁方便、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出[7-8]。GE公司與Honeywell公司分別研制了一種6/4極高速開關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī),其發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別可達(dá)50 000 r/min和60 000 r/min[9-10]。二者作為高速發(fā)電機(jī),其共性是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、散熱性好。而把傳統(tǒng)徑向電勵(lì)磁電機(jī)直接應(yīng)用于渦輪復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)時(shí),會(huì)因轉(zhuǎn)子質(zhì)量大而導(dǎo)致渦輪增壓器響應(yīng)延遲的問題。因此該系統(tǒng)所使用的發(fā)電機(jī)需具備轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、質(zhì)量小的特點(diǎn)。

針對(duì)上述問題,本文提出一種軸向磁通雙定子雙凸極電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(axial flux doubly stator doubly salient electro-magnetic generator, AFDS-DSEG),用勵(lì)磁繞組提供磁動(dòng)勢,避免了永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高,適合高溫高速的工作條件,并且整體質(zhì)量輕,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,對(duì)渦輪機(jī)的響應(yīng)影響較小。本文主要對(duì)該發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)的約束公式進(jìn)行推導(dǎo),并通過有限元軟件對(duì)AFDS-DSEG兩種繞組排布的電磁特性進(jìn)行分析研究。

1 AFDS-DSEG工作原理

AFDS-DSEG為單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子為分塊結(jié)構(gòu),位于兩定子中間,且固定在不導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子套上,如圖1所示。定子極與轉(zhuǎn)子極均為扇形極,定子槽為扇形槽,因此定子極與轉(zhuǎn)子極始終以線接觸嚙合與脫離,以確保電樞磁鏈可以均勻增加、均勻減少。電樞繞組為集中繞組,繞制在定子1上;勵(lì)磁繞組為跨兩極繞制,繞制在定子2上。

相比于徑向磁通發(fā)電機(jī),該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分只有分塊轉(zhuǎn)子及不導(dǎo)磁鋁制轉(zhuǎn)子套,有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn);并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定性高,適合高溫高速的工作環(huán)境。

圖1 AFDS-DSEG基本拓?fù)?/p>

圖2所示為三相AFDS-DSEG發(fā)電機(jī)中間半徑處軸向截面磁通路徑示意圖。向纏繞在定子2上的勵(lì)磁繞組中通以恒定的直流電,在勵(lì)磁定子中建立勵(lì)磁磁場。

(a)定轉(zhuǎn)子對(duì)齊

當(dāng)轉(zhuǎn)子齒處于圖2(a)所示的位置時(shí),轉(zhuǎn)子對(duì)齊A相,磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子齒在A相內(nèi)匝鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。但此時(shí)磁通會(huì)在相鄰的異極性勵(lì)磁極間相互匝鏈,形成漏磁通。轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子與A1重合面積逐漸減小,與B1的重合面積逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子處在圖2(b)所示的位置時(shí),磁通經(jīng)A相與B相后形成磁通回路,此時(shí)磁路中有兩相磁鏈發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中,一相磁鏈增多,一相磁鏈減少,未匝鏈的一相磁鏈不變。磁鏈減少產(chǎn)生正的感應(yīng)電動(dòng)勢,磁鏈增大產(chǎn)生負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢,經(jīng)全橋整流電路后,輸出電壓為一定值。

圖3給出了三相AFDS-DSEG的理想電感與感應(yīng)電動(dòng)勢變化曲線。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中,根據(jù)電樞繞組匝鏈的磁通具有周期性的特點(diǎn),一個(gè)周期內(nèi)電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感可以分成三個(gè)階段。在120°電角度時(shí),轉(zhuǎn)子齒與C相繞組所在定子齒恰好完全脫離,C相定子齒與轉(zhuǎn)子槽對(duì)齊,當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn),C相定子齒仍然與轉(zhuǎn)子槽對(duì)齊,此時(shí)C相電感LCF處于最小值且保持不變;在240°電角度時(shí),轉(zhuǎn)子齒與C相所在定子齒即將出現(xiàn)重合部分,隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),C相電感LCF逐漸增加,此時(shí)C相繞組內(nèi)感應(yīng)出負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢,直至定轉(zhuǎn)子完全重合時(shí),LCF達(dá)到最大值;當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn),與C相完全重合的轉(zhuǎn)子齒開始與定子齒脫離,C相電感LCF開始減小,在減小的過程中,繞組內(nèi)感應(yīng)出正感應(yīng)電動(dòng)勢,直至完全脫離到最小值,如360°電角度時(shí)刻所示。

圖3 理想電感與感應(yīng)電動(dòng)勢曲線

2 AFDS-DSEG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

上述分析足以證明,轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞定子的位置對(duì)電樞電感有較大影響,在定轉(zhuǎn)子極弧寬度相同的情況下,定轉(zhuǎn)子極數(shù)是其相對(duì)位置的唯一影響條件。兩定子共同構(gòu)成一條磁路,對(duì)勵(lì)磁定子與電樞定子分別進(jìn)行分析。

假設(shè)勵(lì)磁定子數(shù)為

Pse=2ik,

(1)

式中:i為勵(lì)磁跨距;k為正整數(shù)。電樞定子數(shù)為

Psa=qt,

(2)

式中:t為相數(shù);q為正整數(shù)。

由圖3可知,每轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距,電樞繞組內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)周期的感應(yīng)電動(dòng)勢,因此電樞定子上相鄰的兩相相差的機(jī)械角度應(yīng)為

(3)

式中Pr為轉(zhuǎn)子極數(shù)。一個(gè)勵(lì)磁定子極、一個(gè)電樞定子極和一個(gè)轉(zhuǎn)子極極距所占的機(jī)械角度分別為

(4)

以A相和C相為例,其相對(duì)位置關(guān)系如圖4(a)所示,二者相差的機(jī)械角度應(yīng)為

βsa-βr=±βδ,

(5)

聯(lián)立式(2)—式(5),可以得出

Pr=q(t±1)。

(6)

電樞繞組反電勢的產(chǎn)生是電樞繞組中匝鏈了來自勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通,并且雙側(cè)定子對(duì)齊可以增大轉(zhuǎn)子與電樞繞組完全重合時(shí)的最大磁通量Ψmax以提高電壓幅值,同時(shí)保證各相工作電角度為360°/t。因此與A3和C2繞組相對(duì)應(yīng)的兩勵(lì)磁定子齒與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置如圖4(b)所示,二者相差的機(jī)械角度應(yīng)為

βse-βr=±βδ,

(7)

聯(lián)立式(2) —式(4)和式(7),可以得出

(8)

即

(9)

(a)電樞定子與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系

式中:ik=tn;n為正整數(shù)。因此,定轉(zhuǎn)子極數(shù)分別為

(10)

根據(jù)上述分析,表1給出了不同相數(shù)與不同勵(lì)磁跨距的定轉(zhuǎn)子極數(shù)。

表1 不同相數(shù)與不同勵(lì)磁跨距的定轉(zhuǎn)子極數(shù)

3 AFDS-DSEG電磁特性仿真分析

雙定子為鏡像結(jié)構(gòu),定子齒對(duì)齊,勵(lì)磁繞組與電樞繞組分別按照一定的次序纏繞在定子齒上。當(dāng)勵(lì)磁繞組跨兩個(gè)定子齒繞制時(shí),相鄰的勵(lì)磁繞組繞向相反,使其N極和S極交替分布,在磁通路徑上有短磁路的效果。電樞繞組為非疊集中繞組,相隔90°機(jī)械角度的四個(gè)線圈串聯(lián)為一相,共有三相,各相按照ABC的順序排列。AFDS-DSEG的基本參數(shù)見表2。

表2 AFDS-DSEG基本參數(shù)

在對(duì)AFDS-DSEG電感特性與定轉(zhuǎn)子極數(shù)分析的基礎(chǔ)上,本文利用有限元軟件,保證電機(jī)主要結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)相同的前提下,提出了兩種電樞繞組與勵(lì)磁繞組的排布方式,分別為勵(lì)磁跨距1(excitation span 1, ES1)和勵(lì)磁跨距2(excitation span 2, ES2),二者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。兩種繞組均按照上述繞向與連接規(guī)則進(jìn)行排布,建立發(fā)電機(jī)的三維拓?fù)淠Ｐ?并著重分析三相12槽8極兩種繞組排布方式的空載與負(fù)載的電磁特性。

(a)ES1 (b)ES2

該發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分包括分塊轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子套,二者合計(jì)質(zhì)量為371.85 g,同尺寸徑向磁通發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分僅有轉(zhuǎn)子,其質(zhì)量為3 017.57 g,AFDS-DSEG與傳統(tǒng)徑向發(fā)電機(jī)相比質(zhì)量下降了87.68%。

3.1 空載發(fā)電分析

根據(jù)表2 所列AFDS-DSEG的基本參數(shù)建立有限元仿真模型,設(shè)置仿真條件為:勵(lì)磁電流為5 A,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,對(duì)兩種繞組排布進(jìn)行空載發(fā)電仿真,空載感應(yīng)電動(dòng)勢如圖6所示。

圖6 電樞繞組空載感應(yīng)電動(dòng)勢

由圖6可知,兩種繞組排布方式感應(yīng)電動(dòng)勢的變化基本符合圖3分析中的波形,各相磁鏈上升、下降與不變所占的電角度均為120°。

電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu),其內(nèi)部磁場非線性嚴(yán)重,這也導(dǎo)致了其諧波磁場的產(chǎn)生,進(jìn)而產(chǎn)生了諧波電勢,諧波電勢又會(huì)給直流輸出電壓帶來較大的脈動(dòng),降低發(fā)電質(zhì)量。因此諧波問題對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了比較兩種繞組排布方式對(duì)AFDS-DSEG空載感應(yīng)電勢的影響,對(duì)其空載感應(yīng)電動(dòng)勢波形進(jìn)行傅里葉分解,得到其各諧波階次感應(yīng)電動(dòng)勢幅值,如圖7所示。ES1的基波幅值為6.27 V,ES2的基波幅值為5.78 V。盡管ES2的基波幅值相較于ES1有7.81%的降低,但其各次諧波相較于ES1也均有所降低。

圖7 ES1與ES2空載感應(yīng)電動(dòng)勢諧波對(duì)比

ES2有6套勵(lì)磁繞組,而ES1有12套勵(lì)磁繞組,相鄰兩套勵(lì)磁繞組極性相反。當(dāng)轉(zhuǎn)子對(duì)齊異極性定子槽時(shí),會(huì)引起漏磁通的閉合,如圖2(a)所示。8個(gè)分塊轉(zhuǎn)子中,4個(gè)對(duì)齊定子齒時(shí),會(huì)有4個(gè)對(duì)齊定子槽。ES1中這4個(gè)定子槽全都是異極性定子槽,ES2中只有兩個(gè)異極性定子槽,持續(xù)性的磁通閉合又會(huì)引起鐵芯損耗的增加,如圖8所示。

圖8 鐵芯損耗對(duì)比

為了比較兩種繞組排布方式空載感應(yīng)電動(dòng)勢波形的正弦度,本文選取了空載感應(yīng)電動(dòng)勢的前10次諧波進(jìn)行諧波失真分析,通過式(11)可以分別計(jì)算出總諧波失真(UTHD)、奇次諧波含量(UTHDO)和偶次諧波含量(UTHDE)。

(11)

式中:i為諧波次數(shù);ui為感應(yīng)電動(dòng)勢的第i次諧波幅值。由式(11)得出的兩種繞組排布方式的空載電動(dòng)勢各階次諧波含量見表3。由表3可以得出,ES2相較于ES1總諧波失真下降了5.17%,奇次諧波含量下降了7.14%,偶次諧波含量下降了3.53%。因此ES2排布方式的諧波失真更少,波形正弦性更好,諧波含量少,可以有效地降低諧波所造成的損耗,提高了發(fā)電機(jī)的發(fā)電質(zhì)量與功率。

表3 ES1與ES2空載感應(yīng)電動(dòng)勢諧波含量

3.2 負(fù)載發(fā)電分析

圖9為定轉(zhuǎn)子相同的情況下,在勵(lì)磁電流為6 A,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,接入15 Ω純阻性負(fù)載時(shí),兩種繞組排布的感應(yīng)電動(dòng)勢對(duì)比圖。由圖9可知,整體上二者波形均為正弦型,但均出現(xiàn)了由于電樞反應(yīng)所導(dǎo)致的正負(fù)幅值不對(duì)稱的問題,這致使負(fù)向幅值稍大于正向幅值。

(a) ES1

為了進(jìn)一步評(píng)估負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢波形的畸變情況,對(duì)負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢波形進(jìn)行傅里葉分解后,取其前10次諧波進(jìn)行分析,如圖10所示。ES2相較于ES1基波幅值下降了0.61 V,除此之外,其他各階次諧波也均有不同程度的降低。依據(jù)式(11)可計(jì)算得出具體降低量,見表4。

圖10 ES1與ES2負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢諧波對(duì)比

由表4可知,ES2總諧波失真比ES1下降了5.07%,并且其奇次諧波與偶次諧波均有所下降,因此ES2感應(yīng)電動(dòng)勢波形中的總諧波失真少,諧波含量減少,發(fā)電機(jī)的發(fā)電質(zhì)量較好,效率較高。

表4 ES1與ES2負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢諧波含量

負(fù)載的輸出電壓如圖11所示,其中ES1與ES2的輸出電壓均值分別為8.33 V和7.15 V,脈動(dòng)率分別為58.60%和42.17%。這說明ES2還有輸出脈動(dòng)率低的優(yōu)點(diǎn)。

圖11 ES1與ES2輸出電壓對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī),介紹了發(fā)電機(jī)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與發(fā)電原理,并對(duì)該發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)進(jìn)行推導(dǎo),對(duì)兩種繞組排布方式進(jìn)行仿真分析,得到如下結(jié)論:

1)AFDS-DSEG在設(shè)計(jì)時(shí),其電感應(yīng)對(duì)稱,總磁導(dǎo)應(yīng)保持不變,其相數(shù)與勵(lì)磁跨距應(yīng)滿足表1中的約束條件。

2)與ES1相比,ES2的漏磁路徑少,損耗較少;空載時(shí),ES2的感應(yīng)電動(dòng)勢總諧波失真相較于ES1下降了5.17%,負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢總諧波失真下降了5.07%。因而,ES2繞組排布方式正弦度較高,諧波含量較少,輸出電壓脈動(dòng)小,發(fā)電質(zhì)量較好。