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高速混合励磁发电机的结构及调压性能

发布时间:2019-10-07点击量:6

  1 发电机结构及调压原理

  新型混合励磁发电机结构示意图如图 1 所示,主 要由两部分组成,其中全永磁部分位于发电机中部, 辅助励磁部分位于发电机两侧。定子铁心由三段硅钢片 叠压组成,电枢绕组贯穿整个定子,在定子铁心内布置 两组环形励磁绕组,串联后构成辅助励磁绕组,定子铁 心外圆套有导磁套筒,为辅助励磁绕组提供轴向磁路。 全永磁部分的转子结构与传统的表贴式永磁电机转子相 同,辅助励磁部分的转子铁心极和永磁极交错排列。

  第 31 卷第 7 期 林 楠等 高速混合励磁发电机的结构及调压性能

  1 调压原理是利用永磁极与铁心极的磁阻不同,通 过调节励磁电流的大小和方向,实现对铁心极气隙磁 场的调节。辅助励磁绕组产生的电励磁磁通路径为: 转子铁心极→气隙→定子铁心→导磁套筒→定子铁 心→气隙→转子铁心极→转子轭部→转子铁心极。

  当发电机的负载增加时,电枢反应的去磁作用增 强,导致输出电压降低。此时应在辅助励磁绕组中通入 增磁电流,使其产生的磁场对铁心极起到增磁的作用, 同一极下的铁心极和永磁极磁场方向相同,两者叠加后 总磁通增大,输出电压升高。

  2 调压性能分析

  2. 1   等效磁路法

  新型混合励磁发电机磁场分布较复杂,磁路呈现 典型的三维特性。为了便于分析,本文从磁路法入 手,根据新型混合励磁发电机的磁路特点,建立了等 效磁路模型,当发电机的负载减小时,电枢反应的去磁作用减 弱,导致输出电压升高。此时应在辅助励磁绕组中通 入去磁电流,使同一极下的铁心极和永磁极磁场方向 相反,总磁通减小,输出电压降低。去磁原理如图 3 所示。

  Fsf 和 Fm 分别为环形励磁绕组和永磁体 产生的磁动势; Rst 和 Rrt 分别为定子导磁套筒磁阻和转 子轴向磁阻; Rs 和 Rsf 分别为全永磁部分和辅助励磁 部分的定子铁心磁阻; Rg 和 Rgf 分别为全永磁部分和 辅助励磁部分的气隙磁阻; Rfe 和 Rpm 分别为铁心极和 永磁极的磁阻; Rr 和 Rrf 分别为全永磁部分和辅助励 磁部分的转子铁心磁阻; Rfl 和 Rrl 分别为环形励磁绕组 和转子铁心极的漏磁阻。由于该发电机采用表贴式磁极结构,永磁体表面 需要设置护套,其电磁气隙较大,因此在铁心不饱和 的前提下,气隙磁阻和永磁体磁阻都远大于铁心磁 阻,为了简化计算,可忽略径向定子铁心磁阻 Rs 和 Rsf 和转子铁心磁阻 Rr 和 Rrf ,漏磁阻 Rfl 和 Rrl 则通过漏 磁系数计入,从而将等效磁路模型简化为。

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  综上所述,利用铁心极和永磁极的磁阻差异,通 过调节励磁电流的大小和方向,能够改变气隙总磁 通,从而在负载和转速变化时维持输出电压恒定。

  根据简化磁路模型可知: 合成气隙磁通为Φg = Φg_pm + Φg_fe + Φg_pmf ( 1)分铁心极气隙磁场的同时,对辅助部分永磁极气隙磁场也有一定影响。

  ( 5)

  空载反电动势为

  E0 = 4KNm Kdp fNΦg ( 6)

  空载调压范围为

  ΔU0 = 4KNm Kdp fNΔΦg ( 7)

  式中,KNm 为气隙磁场波形系数; Kdp 为电枢绕组系数; f 为频率; N 为电枢绕组每相串联匝数。由此,可根 据不同的调压需求,设计相应的辅助励磁部分结构 尺寸。

  2. 2 三维有限元仿真

  为了准确掌握该发电机的磁场分布及调节能力, 下面利用三维电磁场有限元仿真软件对其进行深入分 析。建立一对极的三维有限元模型,采用四面体单元 剖分,并 在 气 隙 处 加 密 网 格, 发 电 机 总 单 元 数 为 382 542。

  沿发电机轴向分布的气 隙磁通密度以及辅助部分沿周向分布的气隙磁通密 度。可看出调节励磁电流大小和方向,全永磁部分的 磁通密度基本不变,辅助部分永磁极的气隙磁通密度 变化也较小,而辅助部分铁心极的气隙磁通密度发生 明显变化,从而使每极总磁通得到有效调节。需要注 意的是,同一极两侧辅助部分的永磁极与铁心极气隙 磁通密度变化相反,说明环形励磁绕组在调节辅助部

  3 试验验证

  为了验证新型混合励磁发电机的调压性能和分析 方法,本文研制了一台 10 kW 混合励磁原理样机,主 要结构参数见表 2。

  试验平台如图 8 所示,原理样机的十二相电枢绕 组引出后连接四组三相整流桥,四组并联后连接直流 负载,自动励磁调节装置控制励磁电流的大小和方向。

  第 31 卷第 7 期 林 楠等 高速混合励磁发电机的结构及调压性能 23

  参数数值参数数值

  定子铁心外径 Dso / mm234转子铁心外径 Dro / mm126

  定子铁心内径 Dsi / mm160转子铁心内径 Dri / mm56

  定子导磁套筒厚度 ht / mm8永磁体厚度 hpm / mm14

  相数 m12气隙长度 δ / mm3

  每相串联匝数 N42励磁绕组匝数 Nf80

  永磁部分轴向长度 lpm / mm135辅助部分轴向长度 lf / mm30

  首先,分析了原理样机的空载反电动势特性。当 励磁电流为零时,空载线反电动势和谐波分析如图 9 所示。可见有限元仿真结果与试验波形基本相同,证 明了三维有限元模型的正确性。空载线反电动势中含 有少量 5 次谐波,使波峰变为平顶。这是由于本文研 究对象为十二相整流发电机,与交流发电机的设计有 所不同,要求直流侧电压脉动系数尽可能小,因此将 空载反电动势波形设计为梯形波。

  最后,在额定转速下进行了空载调压试验,作为 整流发电机,通常以直流侧电压的调节性能为研究对 象。图 11 为励磁电流 If 不同时,实测直流侧电压 Udc 与磁路法计算结果对比。由图可见空载调压范围达到

  20% 。当励磁电流增磁时,两者吻合较好; 随着去磁电 流增加,铁心磁阻的非线性导致误差逐渐增大,最大相 对误差不超过 5% ,说明磁路法可满足工程设计要求。

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4 结论

  本文提出了一种新型的高速混合励磁发电机,详 细介绍了电机结构与调压原理,建立了发电机的等效 磁路模型,推导了混合励磁发电机的空载调压范围, 利用三维有限元法深入分析了发电机的磁场分布规律 与调节能力。分析结果与试验结果基本吻合。利用等 效磁路模型能够根据不同的调压需求,快速设计出相 应的辅助励磁部分,避免了设计初期对三维有限元模 型的频繁调整,为下一步高速大功率混合励磁发电机 的研制奠定了理论基础。

  新型混合励磁发电机具有以下特点:

  1) 两侧环形励磁绕组产生的磁场对中间全永磁部 分的作用相互抵消,调节励磁电流对全永磁部分基本 没有影响,发电机整体具有较好的对称性。

  2) 励磁绕组位于定子内,实现了无刷化励磁,转 子结构简单,提高了发电机高速运行的可靠性。

  3) 由于电励磁磁通主要经过铁心极,调节励磁电 流不会引起永磁体的不可逆失磁,而且磁路中不存在 附加气隙,所需的励磁绕组容量较小。

  4) 全永磁部分作为发电机的主发电部分,使发电 机具有较高的效率和功率密度,辅助励磁部分只提供 电压调节所需的磁场变化,合理设计全永磁部分和辅 助励 磁 部 分 的 比 例, 可 满 足 不 同 应 用 场 合 的 调 压 要求。

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