林　楠　王　東　魏　錕　程思為　易新強

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室　武漢　430033)

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高速混合勵磁發(fā)電機的結構及調壓性能

林楠王東魏錕程思為易新強

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室武漢430033)

摘要針對高速永磁發(fā)電機在負載或轉速變化時難以維持輸出電壓恒定的問題，提出了一種新型混合勵磁發(fā)電機。詳細介紹了其結構與調壓原理，建立了發(fā)電機的等效磁路模型，推導了空載調壓范圍的解析公式；利用三維有限元方法深入分析了發(fā)電機磁場的分布規(guī)律與調節(jié)能力；研制了一臺10 kW混合勵磁原理樣機，試驗結果表明新型混合勵磁發(fā)電機能夠滿足調壓要求，并驗證了該發(fā)電機結構和分析方法的合理性。

關鍵詞：高速永磁發(fā)電機混合勵磁調壓等效磁路

0引言

隨著艦船電力系統(tǒng)從交流電制到直流電制的轉變，發(fā)電機不再受負載頻率限制，采用高速發(fā)電機的優(yōu)勢明顯[1]。由于高速發(fā)電機的轉速高，功率密度大，其重量和體積遠小于同容量的中低速發(fā)電機，并可與高速原動機直接相連，省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置，因此大幅降低了整個發(fā)電系統(tǒng)的重量、體積和振動噪聲[2]。目前高速發(fā)電機已成為國內外的研究熱點，主要分為電勵磁同步發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機和感應發(fā)電機三種類型[3]。

電勵磁同步發(fā)電機需要電刷滑環(huán)或旋轉整流裝置，存在轉子結構復雜及勵磁損耗大的問題，難以滿足高速運行時的機械強度和散熱要求；永磁同步發(fā)電機無需轉子勵磁裝置，具有結構簡單及效率高的優(yōu)勢[4]，但傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機的氣隙磁場調節(jié)困難，從而導致輸出電壓不可控，成為制約其作為發(fā)電機的重要瓶頸；感應發(fā)電機不僅具有轉子結構簡單的優(yōu)勢，而且通過定子上的交流勵磁繞組能夠實現(xiàn)電壓調節(jié)，但交流勵磁繞組的無功功率相對較大，加大了定子熱負荷[5]。

為了改善上述3種電機的不足，學者們提出了混合勵磁發(fā)電機的技術路線[6-9]?；旌蟿畲虐l(fā)電機是在永磁發(fā)電機的基礎上引入輔助勵磁繞組，由永磁體建立主磁場，輔助勵磁繞組提供調節(jié)氣隙磁場所需的磁動勢[10-15]。雖然混合勵磁發(fā)電機增加了輔助勵磁繞組，在效率和功率密度方面均要遜色于同類型的純永磁發(fā)電機，但現(xiàn)有的純永磁發(fā)電機均需要外接全功率變流裝置進行調壓，隨著輸出功率的增加，這種全功率變流裝置會顯著增加整個發(fā)電機系統(tǒng)的成本，且存在功率密度低、效率偏低和可靠性不高等缺點，從而削弱了永磁發(fā)電機本體的優(yōu)勢，因此，從整個發(fā)電機系統(tǒng)來看，在負載或轉速變化時要求電壓可調的應用場合，混合勵磁發(fā)電機系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢和實用價值。

近年來在國內外研究人員的努力下，混合勵磁發(fā)電機呈現(xiàn)出多種不同的結構，并得到不斷的改進與創(chuàng)新。文獻[10]設計了一臺100 kW轉子并列結構混合勵磁發(fā)電機，由于轉子上需要電刷滑環(huán)提供勵磁電流，轉子表面線速度難以達到100 m/s。本文的研究目標是轉子表面線速度大于150 m/s的兆瓦級高速大功率發(fā)電機，如果轉子上有勵磁繞組，將使轉子結構過于復雜而失去了永磁電機的優(yōu)勢，因此本文重點關注輔助勵磁繞組位于定子上的混合勵磁發(fā)電機。文獻[16]提出了一種鐵心極與永磁極交錯排列的轉子混合磁極結構，輔助的環(huán)形勵磁繞組位于定子鐵心內，通過調節(jié)環(huán)形勵磁繞組電流來調節(jié)鐵心極的氣隙磁場，從而達到調壓的目的，但其鐵心極和永磁極長度相同，導致功率密度較低。文獻[17，18]對上述電機的結構進行優(yōu)化和改進，增加了永磁部分的比例，并對電機的原理、參數(shù)設計以及調壓特性進行了研究，但未考慮輔助勵磁繞組對永磁極氣隙磁場的影響。文獻[19]提出了混合勵磁型磁通切換電機，定子上既有永磁體又有電勵磁繞組，轉子結構簡單，電樞繞組中的感應電動勢是依靠轉子磁阻變化產生，但用作高速發(fā)電時鐵心損耗過大。文獻[20，21]提出的爪極混合勵磁發(fā)電機是利用定子端蓋或特別設計的爪極結構為電勵磁磁通提供磁路，實現(xiàn)發(fā)電機的無刷化，不足之處是存在附加氣隙，導致勵磁容量增大，同時結構復雜，漏磁較嚴重，這些都將導致發(fā)電機的損耗增加，從而降低發(fā)電機的效率。

綜上所述，國內外學者已經對混合勵磁發(fā)電機做了許多工作[22-25]。現(xiàn)有的混合勵磁發(fā)電機大多存在結構復雜、附加氣隙大及利用系數(shù)不高等問題，過于強調氣隙磁場的調節(jié)能力，而忽視了發(fā)電機的效率和功率密度。特別是用作高速大功率發(fā)電機的混合勵磁電機還鮮見報道。

本文在現(xiàn)有結構的基礎上提出了一種新型的高速混合勵磁發(fā)電機，最大程度地保留了永磁發(fā)電機的固有特性，在發(fā)電機兩側加入輔助勵磁部分，改善調壓性能的同時，又能滿足高速運行的要求。首先詳細介紹了其結構與原理，建立了發(fā)電機的等效磁路法模型，推導了空載調壓范圍的解析公式，然后利用三維有限元方法深入分析了發(fā)電機的磁場分布規(guī)律與調節(jié)能力，最后通過一臺10 kW混合勵磁原理樣機的試驗，驗證了該發(fā)電機結構和分析方法的合理性。

1發(fā)電機結構及調壓原理

新型混合勵磁發(fā)電機結構示意圖如圖1所示，主要由兩部分組成，其中全永磁部分位于發(fā)電機中部，輔助勵磁部分位于發(fā)電機兩側。定子鐵心由三段硅鋼片疊壓組成，電樞繞組貫穿整個定子，在定子鐵心內布置兩組環(huán)形勵磁繞組，串聯(lián)后構成輔助勵磁繞組，定子鐵心外圓套有導磁套筒，為輔助勵磁繞組提供軸向磁路。全永磁部分的轉子結構與傳統(tǒng)的表貼式永磁電機轉子相同，輔助勵磁部分的轉子鐵心極和永磁極交錯排列。

圖1　新型混合勵磁發(fā)電機結構示意圖Fig.1　Structure of the proposed HESG

調壓原理是利用永磁極與鐵心極的磁阻不同，通過調節(jié)勵磁電流的大小和方向，實現(xiàn)對鐵心極氣隙磁場的調節(jié)。輔助勵磁繞組產生的電勵磁磁通路徑為：轉子鐵心極→氣隙→定子鐵心→導磁套筒→定子鐵心→氣隙→轉子鐵心極→轉子軛部→轉子鐵心極。

當發(fā)電機的負載增加時，電樞反應的去磁作用增強，導致輸出電壓降低。此時應在輔助勵磁繞組中通入增磁電流，使其產生的磁場對鐵心極起到增磁的作用，同一極下的鐵心極和永磁極磁場方向相同，兩者疊加后總磁通增大，輸出電壓升高。增磁原理如圖2所示。

圖2　勵磁電流增磁的磁通路徑示意圖Fig.2　Magnetic flux path of the current excitation with positive field currents

當發(fā)電機的負載減小時，電樞反應的去磁作用減弱，導致輸出電壓升高。此時應在輔助勵磁繞組中通入去磁電流，使同一極下的鐵心極和永磁極磁場方向相反，總磁通減小，輸出電壓降低。去磁原理如圖3所示。

圖3　勵磁電流去磁的磁通路徑示意圖Fig.3　Magnetic flux path of the current excitation with negative field currents

綜上所述，利用鐵心極和永磁極的磁阻差異，通過調節(jié)勵磁電流的大小和方向，能夠改變氣隙總磁通，從而在負載和轉速變化時維持輸出電壓恒定。

2調壓性能分析

2.1等效磁路法

新型混合勵磁發(fā)電機磁場分布較復雜，磁路呈現(xiàn)典型的三維特性。為了便于分析，本文從磁路法入手，根據(jù)新型混合勵磁發(fā)電機的磁路特點，建立了等效磁路模型，如圖4所示。

圖4　等效磁路模型Fig.4　Equivalent magnetic circuit model

圖4中，F(xiàn)sf和Fm分別為環(huán)形勵磁繞組和永磁體產生的磁動勢；Rst和Rrt分別為定子導磁套筒磁阻和轉子軸向磁阻；Rs和Rsf分別為全永磁部分和輔助勵磁部分的定子鐵心磁阻；Rg和Rgf分別為全永磁部分和輔助勵磁部分的氣隙磁阻；Rfe和Rpm分別為鐵心極和永磁極的磁阻；Rr和Rrf分別為全永磁部分和輔助勵磁部分的轉子鐵心磁阻；Rfl和Rrl分別為環(huán)形勵磁繞組和轉子鐵心極的漏磁阻。

由于該發(fā)電機采用表貼式磁極結構，永磁體表面需要設置護套，其電磁氣隙較大，因此在鐵心不飽和的前提下，氣隙磁阻和永磁體磁阻都遠大于鐵心磁阻，為了簡化計算，可忽略徑向定子鐵心磁阻Rs和Rsf和轉子鐵心磁阻Rr和Rrf，漏磁阻Rfl和Rrl則通過漏磁系數(shù)計入，從而將等效磁路模型簡化為圖5所示。

圖5　簡化磁路模型Fig.5　Simplified magnetic circuit model

根據(jù)簡化磁路模型可知：

合成氣隙磁通為

Φg=Φg_pm+Φg_fe+Φg_pmf

(1)

式中，全永磁部分磁通Φg_pm為

(2)

輔助勵磁部分鐵心極磁通Φg_fe為

(3)

輔助勵磁部分永磁極磁通Φg_pmf為

(4)

勵磁電流雙向調節(jié)，總磁通的最大變化范圍為

(5)

空載反電動勢為

E0=4KNmKdpfNΦg

(6)

空載調壓范圍為

ΔU0=4KNmKdpfNΔΦg

(7)

式中，KNm為氣隙磁場波形系數(shù)；Kdp為電樞繞組系數(shù)；f為頻率；N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)。由此，可根據(jù)不同的調壓需求，設計相應的輔助勵磁部分結構尺寸。

2.2三維有限元仿真

為了準確掌握該發(fā)電機的磁場分布及調節(jié)能力，下面利用三維電磁場有限元仿真軟件對其進行深入分析。建立一對極的三維有限元模型，采用四面體單元剖分，并在氣隙處加密網(wǎng)格，發(fā)電機總單元數(shù)為382 542，網(wǎng)格剖分如圖6所示。

圖6　三維有限元模型網(wǎng)格剖分圖Fig.6　3D FEA model of the proposed HESG

圖7為勵磁電流不同時，沿發(fā)電機軸向分布的氣隙磁通密度以及輔助部分沿周向分布的氣隙磁通密度?？煽闯稣{節(jié)勵磁電流大小和方向，全永磁部分的磁通密度基本不變，輔助部分永磁極的氣隙磁通密度變化也較小，而輔助部分鐵心極的氣隙磁通密度發(fā)生明顯變化，從而使每極總磁通得到有效調節(jié)。需要注意的是，同一極兩側輔助部分的永磁極與鐵心極氣隙磁通密度變化相反，說明環(huán)形勵磁繞組在調節(jié)輔助部

分鐵心極氣隙磁場的同時，對輔助部分永磁極氣隙磁場也有一定影響。

圖7　氣隙磁通密度隨勵磁電流的變化規(guī)律Fig.7　Air-gap flux density distribution of the HESG

表1對比了三維有限元法和磁路法得到的發(fā)電機各部分氣隙磁通密度，可見兩種方法的計算結果相近。誤差在去磁時較大，這是由于勵磁電流產生的軸向磁通與永磁磁通疊加，導致轉子鐵心軸向磁路飽和，而磁路法計算時沒有考慮鐵心飽和的影響。

表1　有限元與等效磁路法的氣隙磁通密度對比

3試驗驗證

為了驗證新型混合勵磁發(fā)電機的調壓性能和分析方法，本文研制了一臺10 kW混合勵磁原理樣機，主要結構參數(shù)見表2。

試驗平臺如圖8所示，原理樣機的十二相電樞繞組引出后連接四組三相整流橋，四組并聯(lián)后連接直流負載，自動勵磁調節(jié)裝置控制勵磁電流的大小和方向。

表2　原理樣機主要結構參數(shù)

圖8　混合勵磁原理樣機及其試驗平臺Fig.8　The HESG prototype and test platform

首先，分析了原理樣機的空載反電動勢特性。當勵磁電流為零時，空載線反電動勢和諧波分析如圖9所示?？梢娪邢拊抡娼Y果與試驗波形基本相同，證明了三維有限元模型的正確性。空載線反電動勢中含有少量5次諧波，使波峰變?yōu)槠巾敗＿@是由于本文研究對象為十二相整流發(fā)電機，與交流發(fā)電機的設計有所不同，要求直流側電壓脈動系數(shù)盡可能小，因此將空載反電動勢波形設計為梯形波。

圖9　空載反電動勢分析Fig.9　Analysis of no-load back EMF

然后，固定勵磁電流分別為-15 A、0 A、15 A不變，分析了空載反電動勢有效值隨轉速變化的規(guī)律。由于需要分析的工況較多，這里采用磁路法與試驗結果進行對比，如圖10所示。由圖可見磁路法與試驗結果基本吻合，大幅提高了計算速度。通過調節(jié)勵磁電流，能夠使空載反電動勢在一定轉速范圍內維持恒定。

圖10　空載反電動勢有效值隨轉速變化的規(guī)律Fig.10　The change regulation of no-load back EMF with speed

最后，在額定轉速下進行了空載調壓試驗，作為整流發(fā)電機，通常以直流側電壓的調節(jié)性能為研究對象。圖11為勵磁電流If不同時，實測直流側電壓Udc與磁路法計算結果對比。由圖可見空載調壓范圍達到20%。當勵磁電流增磁時，兩者吻合較好；隨著去磁電流增加，鐵心磁阻的非線性導致誤差逐漸增大，最大相對誤差不超過5%，說明磁路法可滿足工程設計要求。

圖11　空載調壓試驗Fig.11　Test of no-load voltage regulation

4結論

本文提出了一種新型的高速混合勵磁發(fā)電機，詳細介紹了電機結構與調壓原理，建立了發(fā)電機的等效磁路模型，推導了混合勵磁發(fā)電機的空載調壓范圍，利用三維有限元法深入分析了發(fā)電機的磁場分布規(guī)律與調節(jié)能力。分析結果與試驗結果基本吻合。利用等效磁路模型能夠根據(jù)不同的調壓需求，快速設計出相應的輔助勵磁部分，避免了設計初期對三維有限元模型的頻繁調整，為下一步高速大功率混合勵磁發(fā)電機的研制奠定了理論基礎。

新型混合勵磁發(fā)電機具有以下特點：

1)兩側環(huán)形勵磁繞組產生的磁場對中間全永磁部分的作用相互抵消，調節(jié)勵磁電流對全永磁部分基本沒有影響，發(fā)電機整體具有較好的對稱性。

2)勵磁繞組位于定子內，實現(xiàn)了無刷化勵磁，轉子結構簡單，提高了發(fā)電機高速運行的可靠性。

3)由于電勵磁磁通主要經過鐵心極，調節(jié)勵磁電流不會引起永磁體的不可逆失磁，而且磁路中不存在附加氣隙，所需的勵磁繞組容量較小。

4)全永磁部分作為發(fā)電機的主發(fā)電部分，使發(fā)電機具有較高的效率和功率密度，輔助勵磁部分只提供電壓調節(jié)所需的磁場變化，合理設計全永磁部分和輔助勵磁部分的比例，可滿足不同應用場合的調壓要求。

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林楠男，1988年生，博士研究生，研究方向為集成化發(fā)電技術。

E-mail：ln3553@126.com(通信作者)

王東男，1978年生，教授，博士生導師，研究方向為集成化發(fā)電技術、電力推進、獨立電源系統(tǒng)等。

E-mail：wangdongl@vip.sina.com

Structure and Voltage Regulation Performance of High Speed Hybrid Excitation Synchronous Generators

LinNanWangDongWeiKunChengSiweiYiXinqiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of EngineeringWuhan430033China)

AbstractFor conventional high speed permanent magnet generators, it is difficult to maintain constant terminal voltages when a load change or speed change occurs. Therefore, this paper proposes a novel hybrid excitation synchronous generator (HESG) and describes its structure characteristics and operation principles in detail. To facilitate the machine design and optimization process, the paper establishes an equivalent magnetic circuit model for the HESG and analytically derives its no-load voltage regulation range. The 3D finite element analyses (FEA) are performed to analyze the magnetic field distributions and the control capability with various field currents. A 10 kW prototype machine is fabricated and tested. Experimental results demonstrate that the proposed HESG can satisfy the voltage regulation requirement and verify the rationality of the structure and analysis method.

Keywords：High speed permanent magnet generator, hybrid excitation, voltage regulation, equivalent magnetic circuit

作者簡介

中圖分類號：TM351

收稿日期2015-07-28改稿日期2015-10-14

國家重點基礎研究發(fā)展(973)計劃(2013CB035601)、國家自然科學基金(51137005，51222705)和全國優(yōu)秀博士學位論文作者專項資金(201152)資助。