盧恩慶， 杜欽君， 甄世龍， 石 翔， 楊致泰

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091；2. 煙臺寶鋼鋼管有限責(zé)任公司 PQF管加工分廠， 山東 煙臺 265500)

并列結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機將切向永磁和爪極電勵磁在轉(zhuǎn)子并列組合，兼具永磁發(fā)電機效率高，損耗低和電勵磁發(fā)電機磁場可調(diào)的優(yōu)點[1-2]，而且并列組合的切向永磁和爪極電勵磁之間磁路獨立，避免了永磁體因磁場耦合發(fā)生不可逆退磁.目前，各類混合勵磁電機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實際設(shè)計過程中，需要根據(jù)其準(zhǔn)確尺寸建立三維模型分析，工作量大.文獻[3]用等效磁路模型分析了一種新型非對稱交錯混合勵磁同步電機，快速而準(zhǔn)確的對電機進行估算，指導(dǎo)了電機的設(shè)計.本文對并列結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機建立等效磁路模型，并用有限元分析軟件建模仿真，驗證了等效磁路模型的正確性，為發(fā)電機設(shè)計中參數(shù)選取提供了參考.

1 發(fā)電機等效磁路模型分析

當(dāng)混合勵磁發(fā)電機勵磁電流為零時，氣隙磁場只由永磁體產(chǎn)生.當(dāng)輸入正向勵磁電流，勵磁電流在氣隙中產(chǎn)生磁場的方向與永磁體磁場的方向相同，合成氣隙磁場增強.當(dāng)輸入反向勵磁電流，勵磁電流在氣隙中產(chǎn)生磁場的方向與永磁體的磁場方向相反，合成氣隙磁場減弱.因此，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和方向，即可使合成氣隙磁場發(fā)生變化，達到調(diào)磁的目的[4-5].

并列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機的等效磁路如圖1所示.圖1(a)中，Rpm、Rr、Rt、Rj分別為永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子齒、定子軛磁阻;Rδ、Rmδ分別為主氣隙、磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵芯間的附加氣隙磁阻;Rmδ1、Rmδ2、Rmδ3分別為磁鋼軸向兩端面、磁鋼轉(zhuǎn)軸側(cè)、磁鋼定子側(cè)的漏磁導(dǎo);Fpm為永磁體磁動勢;Φδpm為永磁磁勢氣隙磁通.

(a)永磁部分

(b)電勵磁部分圖1 等效磁路

圖1(b)中：Rem、Rer、Rec分別為電勵磁繞組、轉(zhuǎn)子背軛、轉(zhuǎn)子爪極磁阻;Reδ1、Reδ2分別為爪極轉(zhuǎn)子軸部、相鄰爪極之間的漏磁阻;Fem為勵磁電流勵磁磁動勢;Φδem為電勵磁磁勢氣隙磁通.

圖1虛線框中的磁阻分別用Rδ1、Rδ2、RA簡化表示.簡化后的等效磁路如圖2所示.

(a)永磁部分(b) 電勵磁部分圖2 簡化等效磁路

由圖2(a)可得永磁部分氣隙磁通

(1)

式中，F(xiàn)pm=Hchm，Hc為永磁材料磁場強度，hm為充磁方向磁鋼厚度.

假設(shè)永磁體對應(yīng)的氣隙面積與電勵磁對應(yīng)的氣隙面積相等，則永磁部分平均氣隙磁密為

(2)

(3)

同理，在圖2(b)中，電勵磁部分平均氣隙磁密為

(4)

式中，KDC表示勵磁電流的極性，KDC=1時為勵磁電流起增強磁場作用,KDC=0時為沒有勵磁電流作用, KDC=-1時為勵磁電流起弱磁作用；Nf、If分別為勵磁繞組的匝數(shù)和勵磁電流，NfIf=Fem.

總的氣隙磁通Φδ由永磁和電勵磁磁通兩部分疊加組成，即Φδ=Φδem+Φδpm

(5)

從式(3)～式(5)可以看出，合成氣隙磁密的大小與永磁體材料、磁鋼厚度、勵磁電流、勵磁繞組匝數(shù)、極對數(shù)以及等效磁阻有關(guān).在發(fā)電機實際設(shè)計中：

1)為產(chǎn)生較大的氣隙磁場，永磁部分應(yīng)選擇較高磁場強度的材料.

2)磁鋼厚度增大會增大永磁體等效磁阻，但總體上氣隙磁密隨磁鋼厚度增大而增大.

3)極對數(shù)改變對發(fā)電機結(jié)構(gòu)的改變影響較大，從而改變發(fā)電機各部分的等效磁阻，而且磁鋼厚度也受到極對數(shù)的制約，所以選擇發(fā)電機極對數(shù)時應(yīng)綜合考慮.

當(dāng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，改變勵磁電流的大小和方向可以調(diào)節(jié)合成氣隙磁場.不同勵磁電流的發(fā)電機合成氣隙磁密見表1.

2 發(fā)電機磁場仿真分析

發(fā)電機內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜，一般采用有限元法對發(fā)電機的電磁場進行數(shù)值計算.并列結(jié)構(gòu)可以分別對永磁部分和電勵磁部分進行分析，再疊加總磁場分析.發(fā)電機主要參數(shù)見表2.

表2 發(fā)電機主要參數(shù)

2.1 永磁磁場仿真

把發(fā)電機永磁部分的計算簡化成二維問題.利用電磁分析軟件建立二維有限元穩(wěn)態(tài)模型，對模型進行定義及分配材料屬性，加載激勵源與邊界條件，設(shè)定求解選項，參數(shù)后處理等.求解計算得到切向永磁轉(zhuǎn)子磁力線分布,如圖3所示.

圖3 切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁力線分布圖

2.2 電勵磁磁場仿真

由于電勵磁部分爪極模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而其參數(shù)與發(fā)電機的性能密切相關(guān)，計算不準(zhǔn)確對結(jié)果的影響較大，因此對爪極進行三維建模，準(zhǔn)確的描繪其結(jié)構(gòu).

勵磁繞組通入正向勵磁電流If時，爪極轉(zhuǎn)子與定子組合模型的磁通密度模值如圖4所示.

圖4 If=1A時爪極勵磁模型磁通密度模值

圖4中，不同的色塊表示組合結(jié)構(gòu)上各處磁通密度的大小，通過對各處磁場的分析，可以判斷磁場飽和情況及漏磁的大小.

2.3 合成磁場仿真

對切向永磁與爪極電勵磁組合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型. 圖5是勵磁繞組中分別通入正負向電流時組合模型磁通密度矢量.

(a)正向勵磁電流If=2A

(b)負向勵磁電流 If=-2A圖5 組合勵磁模型磁通密度矢量

從圖5看出，通入正負向勵磁電流時爪極電勵磁部分的磁場方向相反，通過對仿真圖形各區(qū)域的磁通密度大小比對，通正向電流轉(zhuǎn)子磁通密度明顯比通負向勵磁電流的轉(zhuǎn)子磁通密度大許多，正是由于通入正向電流轉(zhuǎn)子磁通密度增強，而通入負向勵磁電流轉(zhuǎn)子磁通密度減弱，雙向疊加的效果形成.

2.4 氣隙磁密分析

使用仿真軟件，選定模型氣隙的90°弧長范圍，

得到單獨由永磁體部分勵磁和單獨由爪極電勵磁部分勵磁的氣隙磁密分布曲線，如圖6所示.

從圖6看出，氣隙磁密在模型的90°弧長范圍分布均勻，曲線的兩個周期內(nèi)的波形一致.由于發(fā)電機模型是對稱的，所以可以得到整個范圍的氣隙磁密分布.單獨由永磁體部分勵磁時的平均氣隙磁密為0.9T，永磁體部分是發(fā)電機的主磁場.單獨電勵磁 If=±1A時，平均氣隙磁密為0.2T，電勵磁為輔助調(diào)磁磁場.

(a)單獨永磁勵磁

(b)單獨電勵磁If=±1A圖6 氣隙磁密分布曲線

(1)磁鋼厚度對合成氣隙磁密的影響

圖7是不同勵磁電流下磁鋼厚度與合成氣隙磁密的變化曲線關(guān)系.要增大合成氣隙磁密應(yīng)選擇厚度較大的磁鋼，但是磁鋼厚度在設(shè)計中又受到極對數(shù)、轉(zhuǎn)子半徑和轉(zhuǎn)軸半徑的制約，在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮.

圖7 磁鋼厚度與合成氣隙磁密變化曲線

(2)極對數(shù)對合成氣隙磁密的影響

圖8是不同極對數(shù)下勵磁電流和合成氣隙磁密的變化關(guān)系曲線.可以看出，合成氣隙磁密隨極對數(shù)的增大而增大，但是極對數(shù)增大，勵磁電流對合成氣隙磁密的調(diào)節(jié)范圍將減小，所以在實際設(shè)計中應(yīng)綜合考慮.

圖8 不同極對數(shù)下勵磁電流與合成氣隙磁密曲線

(3)勵磁電流對各部分氣隙磁密的影響

圖9是對永磁、電勵磁和合成模型通入不同勵磁電流時的氣隙磁密變化曲線.勵磁電流變化時，永磁部分氣隙磁密基本保持不變，電勵磁與永磁之間互不干擾；電勵磁部分隨勵磁電流的增大而增大，在接近±3A時磁場調(diào)節(jié)作用減弱；合成氣隙磁密為永磁部分和電勵磁部分疊加而成，通過改變勵磁電流的大小和方向可以起到調(diào)節(jié)合成氣隙磁密的作用.

圖9 勵磁電流與各部分氣隙磁密變化曲線

圖10 等效磁路計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比

根據(jù)表1可以得到等效磁路模型計算結(jié)果的勵磁電流與合成氣隙磁密的關(guān)系曲線，與仿真曲線對比如圖10所示，兩條曲線基本吻合，驗證了等效磁路的正確性.

3 結(jié)束語

根據(jù)并列結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，建立了等效磁路模型，得到發(fā)電機設(shè)計中的參數(shù)計算方法.采用有限元仿真軟件對并列結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機的建立三維模型，仿真分析了磁場分布情況.仿真結(jié)果中，磁鋼厚度、極對數(shù)對合成氣隙磁密的影響與等效磁路模型相符，勵磁電流在-2A～2A范圍內(nèi)與氣隙磁密變化關(guān)系和計算結(jié)果一致，驗證了等效磁路模型的正確性和參數(shù)計算方法的有效性.為并列結(jié)構(gòu)混合勵磁發(fā)電機的設(shè)計和參數(shù)計算提供了一種便捷的方案.

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