夏永洪，劉俊波，李夢(mèng)茹，劉 沖，熊哲浩

(南昌大學(xué)，南昌 330031)

0 引 言

相較于傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)以永磁體替代電勵(lì)磁繞組建立電機(jī)主磁場(chǎng)，擁有高效率的特點(diǎn)；同時(shí)，引入永磁體可輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)刷化，故永磁電機(jī)具有運(yùn)行可靠的特點(diǎn)；此外，隨著近年來(lái)高性能稀土永磁材料的發(fā)展，永磁體的磁能積與矯頑力大幅提升，令永磁電機(jī)擁有高功率密度的特點(diǎn)。為此，永磁同步發(fā)電機(jī)在諸多領(lǐng)域中，特別在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1]。

雖然永磁體的低磁導(dǎo)率使得永磁同步發(fā)電機(jī)外特性較好，但永磁體不同于電勵(lì)磁繞組，磁場(chǎng)無(wú)法直接調(diào)節(jié)，在一定程度上限制了永磁同步發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步推廣。為了解決該問(wèn)題，有學(xué)者提出了混合勵(lì)磁電機(jī)的概念，在永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上保留部分勵(lì)磁繞組用以解決調(diào)磁問(wèn)題。其中氣隙磁場(chǎng)主要由永磁體建立，電勵(lì)磁繞組起輔助作用，以調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)[2-3]。

電機(jī)內(nèi)各種諧波磁場(chǎng)含量豐富，通過(guò)恰當(dāng)布置諧波繞組，獲取電機(jī)內(nèi)諧波磁場(chǎng)作為勵(lì)磁電源以解決永磁電機(jī)的調(diào)磁問(wèn)題，是電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向[4-5]。相較于三次諧波勵(lì)磁需要通過(guò)電刷或交流勵(lì)磁機(jī)、五次諧波勵(lì)磁通常需采用集中整距電樞繞組的布置方式，文獻(xiàn)[5]提出的齒諧波勵(lì)磁方案，其原理是利用電機(jī)內(nèi)固有的齒諧波磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子齒諧波繞組中感應(yīng)的諧波電動(dòng)勢(shì)整流后直接提供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，如圖1所示。該電機(jī)在無(wú)交流勵(lì)磁機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無(wú)刷化，且諧波勵(lì)磁功率不受定子電樞繞組形式的影響。

圖1 齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)原理圖

齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是一種新型的永磁發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)定子與普通永磁發(fā)電機(jī)定子相同，轉(zhuǎn)子有永磁體、勵(lì)磁繞組和齒諧波繞組，永磁體形成的永磁磁極和電勵(lì)磁繞組形成的鐵磁磁極的數(shù)量，可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的調(diào)磁范圍設(shè)定。本文從運(yùn)行效率、材料用量以及調(diào)磁能力3個(gè)方面與普通永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較與分析。針對(duì)額定參數(shù)和主要尺寸相同的2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較與分析。

1 比較與分析

1.1 運(yùn)行效率

效率是衡量電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，額定工況下同步發(fā)電機(jī)效率可表示：

(1)

式中:PN為額定功率；∑p為發(fā)電機(jī)總損耗，對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，∑p=pFe+pCua+pCufd+pCuth+pmec+pad，pFe為定子鐵損耗，pCua為電樞繞組銅損耗，pCufd為勵(lì)磁繞組銅損耗，pCuth為齒諧波繞組銅損耗，pmec為機(jī)械損耗，pad為附加損耗。對(duì)于普通永磁同步發(fā)電機(jī)，∑p=pFe+pCua+pmec+pad。鐵損耗與頻率、氣隙磁密和電機(jī)重量有關(guān)，對(duì)于額定參數(shù)和主要尺寸相同的電機(jī)，其鐵損耗看作相等。

齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的銅損耗包括電樞繞組銅損耗pCua、勵(lì)磁繞組銅損耗pCufd和齒諧波繞組銅損耗pCuth3部分，其銅損耗比普通永磁同步發(fā)電機(jī)大一些。但由于所需要的勵(lì)磁功率較小，勵(lì)磁繞組銅損耗和齒諧波繞組銅損耗的比例很小，對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率影響不大。

pmec和pad則主要取決于電機(jī)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等因素，可由參考經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出[6]，且對(duì)于同容量、構(gòu)造相近的電機(jī)，其機(jī)械損耗與附加損耗基本相同。

1.2 材料用量

電機(jī)制造成本主要取決于各類(lèi)材料的用量。對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)包括定轉(zhuǎn)子硅鋼片、永磁體、電樞繞組、勵(lì)磁繞組和齒諧波繞組等材料；對(duì)于普通永磁同步發(fā)電機(jī)包括定轉(zhuǎn)子硅鋼片、永磁體、電樞繞組等材料。當(dāng)發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)和主要尺寸相同時(shí)，電樞繞組和定轉(zhuǎn)子硅鋼片的用量基本相同。與普通永磁同步發(fā)電機(jī)相比，齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)增加了勵(lì)磁繞組和齒諧波繞組等用量，但減少了永磁體的用量，由于永磁體的價(jià)格大約為銅價(jià)格的10倍，因此其成本更低。

1.3 調(diào)磁能力

對(duì)于普通永磁同步發(fā)電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)由永磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生。由于永磁磁動(dòng)勢(shì)取決于永磁體的性能，而電樞磁動(dòng)勢(shì)隨負(fù)載電流變化而變化，因此發(fā)電機(jī)端電壓難以保持恒定。對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)由永磁磁動(dòng)勢(shì)、電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，可以調(diào)節(jié)電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)端電壓的恒定。在不考慮磁路飽和的情況下，該發(fā)電機(jī)的調(diào)磁能力可表示：

(2)

式中:pFe為鐵磁磁極數(shù);pPM為永磁磁極數(shù)。

2 仿真計(jì)算與分析

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，針對(duì)2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算，其截面圖如圖2所示，永磁體為內(nèi)置式，呈V字型布置，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機(jī)主要參數(shù)

2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)電樞繞組均Y接，并聯(lián)支路數(shù)為1，每相串聯(lián)匝數(shù)為195匝。

為了便于對(duì)比，僅將普通永磁同步發(fā)電機(jī)的相對(duì)的2個(gè)永磁磁極改為鐵磁磁極，在鐵磁磁極極身布置電勵(lì)磁繞組，每極電勵(lì)磁繞組為230匝，在永磁磁極布置齒諧波繞組，每極諧波繞組為36匝，共108匝。

(a) 普通永磁電機(jī)

(b) 齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁電機(jī)

2.2 仿真計(jì)算

采用電磁場(chǎng)有限元法針對(duì)這2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。額定工況下，2臺(tái)電機(jī)定子鐵耗如圖3所示。

圖3 電機(jī)定子鐵耗波形圖

表2為2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定工況下的各項(xiàng)損耗與效率比較，其中機(jī)械損耗和附加損耗采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]。

表2 2臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)損耗和效率比較

由表2可知，對(duì)于額定參數(shù)和主要尺寸相同的2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)其運(yùn)行工況相同時(shí)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子電樞繞組銅損耗和定子鐵損耗基本相等，與前面的理論分析一致。對(duì)于齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，盡管存在勵(lì)磁損耗和齒諧波繞組損耗，但其比例很小，因此其運(yùn)行效率較普通永磁同步發(fā)電機(jī)略有下降。

表3為2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)主要材料用量比較。電樞繞組線徑為1.4 mm，諧波繞組與勵(lì)磁繞組線徑為1.18 mm。

表3 材料用量比較

由表3可知，2臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)的用鐵量基本相同。普通永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁體用量比齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁多0.72 kg，而繞組用銅量少2.48 kg。但永磁體的價(jià)格為銅價(jià)格的10倍左右，因此，齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的成本更低。

圖4為齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)空載特性曲線。

圖4 齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)空載特性曲線

由圖4可知，當(dāng)齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流從0增加到4.5 A時(shí)，空載線電壓從347.87 V升至434.1 V，調(diào)壓幅度為86.23 V，調(diào)壓范圍為24.7%。根據(jù)式(2)，其調(diào)壓范圍理論上應(yīng)為1/3，主要是由于磁路飽和造成的。

普通永磁同步發(fā)電機(jī)外特性和齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)調(diào)整特性，如圖5所示。

(a) 永磁電機(jī)外特性曲線

(b) 齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁

隨著負(fù)載電流的增大，電樞反應(yīng)去磁作用增強(qiáng)，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓下降，電壓調(diào)整率為8.76%，如圖5(a)所示；而齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)鐵磁磁極的氣隙磁場(chǎng)，保持輸出電壓恒定，調(diào)節(jié)特性曲線如圖5(b)所示，有效地解決了永磁同步發(fā)電機(jī)的調(diào)磁問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是一種新型的永磁同步發(fā)電機(jī)，針對(duì)該新型永磁同步發(fā)電機(jī)和普通永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比和分析。當(dāng)2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)和主要尺寸相同時(shí)，新型永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率略有下降，僅降低了1.2%，但其具有較寬氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍，且永磁體用量較少，制造成本更低。

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