混合励磁双凸极发电机的电枢反应

1、第29卷第24期中国电机工程学报 V ol.29 No.24 Aug. 25, 20092009年8月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 61 文章编号:0258-8013 (2009 24-0061-06 中图分类号:TM 352 文献标志码:A 学科分类号:47040混合励磁双凸极发电机的电枢反应戴卫力1,严仰光2(1.河海大学计算机及信息工程学院,江苏省常州市 213022;2.南京航空航天大学自动化学院,江苏省南京市 210016Armature Reaction in Hybrid Excitat

2、ion Doubly Salient GeneratorDAI Wei-li1, YAN Yang-guang2(1. College of Computer & Information Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu Province, China;2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China

3、ABSTRACT: The structure of the hybrid excitation doubly salient generator (HEDSG with a parallel magnetic circuit is introduced, and the relative mathematical model is built. Meantime, inductance, EMF, and the output DC voltage of HEDSG at different exciting currents are simulated with the Finite El

4、ement Analysis (FEA software-Ansoft. The solution procedure is that the parameters of the permanent magnetic part (PM and the electro-magnetic part (EM are calculated respectively first,then a calculation is performed based on the results of PM and EM as well as HEDSG, and the open circuit character

5、istic curve. Armature reaction under load is analyzed in detail based on the no-load analysis. Flux linkage and EMF of PM and EM parts are caculated by Ansoft, An important conclusion is drew based on the armature action analysis that the HEDSG with a parallel magnetic circuit have three working sta

6、ges dual generating stages, single generating stage, and generating/motoring stages. Moreover, the boundary conditions among three working stages are solved. In the end, the open circuit characteristic of HEDSG and the characters of armature reaction in HEDSG are summarized briefly.KEY WORDS: hybrid

7、 excitation; doubly salient machine; armature reaction; parallel structure; finite element analysis摘要:阐述混合励磁双凸极发电机(hybrid excitation doubly salient generator,HEDSG的结构,建立了并列结构HEDSG 的数学模型。利用有限元分析软件Ansoft对电机永磁(electro-magnetic,PM和电励磁(electro-magnetic,EM部分的电磁参数采用先分别计算、后叠加合成的分析方法, 对并列结构HEDSG空载时不同励磁电流下的电感

8、、电势与发电机整流输出电压进行了仿真计算与分析,并结合实验基金项目:国家自然科学基金项目(50337030。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50337030.得出了发电机的空载特性。在此基础上,通过对PM和EM 部分磁链和电势的仿真计算,对发电机负载下的电枢反应进行了深入分析,从中得出了并列结构HEDSG具有PM与EM双发电、单PM发电以及PM发电/EM电动这3种工作模态,同时结合电枢反应分析求解了不同工作模态之间的边界条件。最后,对并列结构HEDSG的空载特性以及电枢反应的特点进行了归纳总结

9、。关键词:混合励磁;双凸极电机;电枢反应;并列结构;有限元分析0 引言双凸极永磁电机(doubly salient permanent magnet,DSPM由于结构简单、控制方便、功率密度高等优点1在电动车2-5、风力发电6-7等领域得以研究应用。但DSPM也存在不足:弱磁调速困难,发电时磁场不可调节,只能利用开关变换器进行稳压8。而电励磁双凸极电机(double salient electro- magnetic,DSEM却调节磁场方便,常被应用于发电系统9-10及航空起动/发电系统11-14。但DSEM由于存在励磁绕组使得系统的效率较低。为了结合2种电机的优势,研究人员提出了混合励磁双凸

10、极电机(hybrid excitation doubly salient machine, HEDSM15-18。本文主要研究的是并列结构的混合励磁双凸极发电机的空载特性和电枢反应。1 发电机的结构与数学模型1.1 HEDSG的结构图1为12/8极HEDSG的三维装配图与截面图。可以看出:电机由两部分组成,左边为DSEM,电机壳体与定子叠片之间无间隙,在定子槽内安放的励磁绕组对称分布于电机圆周上;右边为DSPM,62 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷在电机壳体和定子之间装有4块瓦形磁钢。两部分的定、转子均为凸极齿槽结构,两部分定子共用同一电枢绕组。电励磁部分与永磁部分的定子极宽相同,但

11、极高不同,为方便放置励磁绕组,DSEM 的极高稍大。HEDSG 的转子如图1(a所示:电励磁与永磁之间的叠片长度比例为10:6,其有效转子轴长分别为100和60 mm 。转子上无绕组,两部分转子极宽、极高相同,均为斜槽结构,斜槽机械角度为7.5°。EM 与PM 部分之间相隔一段距离,以阻止永磁磁场与电励磁磁场间的相互匝链。机壳永磁定子电励磁定子 电机转子永磁磁钢(a HEDSG 三维装配图bca+EM 部分bca+PM 部分磁钢(b HEDSG 截面图图1 并列式混合励磁双凸极电机结构 Fig. 1 Structure of the HEDSG1.2 HEDSG 的数学模型由于HED

12、SG 在磁路上属于并列结构,PM 与EM 部分的磁链基本不交链,因此,对HEDSG 的分析可通过对PM 和EM 两部分分别进行计算,然后再进行相关参量的叠加。当HEDSG 电枢绕组通以负载电流时,永磁部分的磁链可表示为pm pm pm0=+L I (1 式中:pma pm pmb pmc =;aa ab ac pm ba bb ca ac cb cc L L L L L L L L L =L ;=I T a b c ,i i i ;T pm0pma0pmb0pmc0,=。式中:L pm 为PM 部分绕组电感;I 为绕组中的电流;pm0为各相绕组的永磁磁链。电励磁部分的磁链除了与电枢电流有关,还

13、与励磁电流I f 相关,可表示为em em f f I =+L I L (2式中:L f =L af , L bf , L cf T ,为发电机各相绕组的励磁电感;绕组电感矩阵L em 的表达式在形式上同L pm 相同;I 为绕组中的电流。当发电机转子转动后,发电机PM 与EM 部分的电枢绕组所匝链的磁链会发生变化,电枢绕组中就产生感应电势,其表达式为pm em =±e e e (3 式中:pm pm pm d d 2d d 60n =e 、emem d d =e em d 2d 60n分别为PM 与EM 部分的电势。其中,、n 分别为电机转子的旋转角速度和转速,为电机转子位置角。式

14、(3中的±号表示当EM 部分磁链与PM 部分磁链方向相同时,HEDSG 的电势为两者相加;EM 部分磁链与PM 部分磁链方向相反时,HEDSG 的电势则为两者相减。由于HEDSG 的电枢绕组由PM 与EM 部分两者共用,两部分电枢绕组中的电流始终相同。因此,HEDSG 的电感为永磁部分电感和电励磁部分电感之和,可表示为pm em =+L L L (4HEDSG 的绕组端电压为绕组电势与发电机绕组电感、电阻压降之差,即=u e LI IR (5 式中a b c 000000R R R =R ,R a 、R b 、R c 分别为HEDSG的a 、b 、c 相绕组的阻值。2 发电机空载分析

15、HEDSG 在发电时根据定子极与转子极的相对位置状态的不同,可分为开关磁阻发电机(switched reluctance generator ,SRG发电方式、双凸极电机(doubly salient generator ,DSG DSG1发电方式及DSG2发电方式19-20。本文主要研究的是DSG2发电方式,即三相绕组后接三相桥式整流电路的情况。此时,发电机转子极滑入和滑出定子极所在的相绕组均发电,其中空载转速n =4 200 r/min 。由1.2节数学模型可知,HEDSG 的空载电势、自感和互感可由PM 和EM 部分的值进行叠加得到。图2是按照上述思想将PM 和EM 部分进行仿真所得数据

16、进行叠加后的HEDSG 仿真波形。由波形可看出:由于EM 部分的电势与励磁电流的正负相关,因此,第24期戴卫力等: 混合励磁双凸极发电机的电枢反应 63L i i /m H0.50.0 0.00 0.04 0.08 100 0 100 200 100/(° (a I f =4 AL i j /m He a , e a , e c /Vu o /V L cL aL bL abL acL cac 相a 相b 相L i i /m H 0.50.0 0.00 0.04 0.08 100 0100 150 75 00 20 40 60/(° (b I f =4 AL i j /m H

17、e a , e a , e c /V u o /VL cL aL bL abL acL caL cL aL bL i i /m H0.50.0 0.00 0.05 0.10 150 0150 250 125 00 20 40 60/(° (c I f =8 AL i j /m He a , e a , e c /V u o /V L cL aL bL abL acL cac 相b 相a 相L i i /m H0.50.0 0.00 0.04 0.08 60 060 120 60 00 20 40 60/(°(d I f =8 AL i j /m He a , e a , e

18、 c /V u o /V L cL aL bL abL ac L cac 相b 相a 相图2 HEDSG 空载仿真波形(n =4 200 r/min Fig. 2 Simulation waveforms of HEDSG at no loadI f >0时,HEDSG 的电势得到增强,I f <0时,HEDSG 的电势被削弱;而HEDSG 的自感和互感却与励磁电流的正负无关,与励磁电流为零相比,自感和互感都得到了增大。对于PM 部分而言,由于磁阻大、自感较小,因此,HEDSG 的自感主要取决于EM 部分,当定、转子完全重合时,自感数值最大;但随着励磁电流的增大,EM 部分由于磁场

19、饱和自感减小,PM 部分自感比例增加,因此,HEDSG 的自感逐渐呈鞍形。图3为HEDSG 在DSG2发电方式下的空载电势和输出直流电压波形。由于实际电机中EM 和PM 部分的转子为分别压装,可能存在定位偏差,且为斜槽结构,因此,在相同条件下,发电机的三相电势实际值要比仿真数值小,且电势正弦度相对较好。图4为并列式HEDSG 在DSG2发电方式下的空载特性,与DSEG 不同的是:由于PM 部分的存在,其空载电势在I f =0时并不为零。当励磁电流增加时,输出电压随着励磁电流的增加而逐渐趋于饱t (200 s/格 (a I f =4 Au o (100 V /格u ou cu au bu a ,

20、 u b , u c (40 A /格t (200 s/格 (b I f =4 Au o (100 V /格u o u cu au bu a , u b , u c (20 V /格t (200 s/格 (c I f =8 Au o (100 V /格u o u cu au bu a , u b , u c (40 V /格64中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷 t (200 s/格 (d I f =8 Au o (100 V /格u ou cu au bu a , u b , u c (20 V /格 图3 HEDSG 空载实验波形Fig. 3 Experimental Wavefor

21、ms of HEDSG at no loadu o /V 160 0 16 80 8 16 I f /A图4 HEDSG 空载特性Fig. 4 Output Character of HEDSG at no load和;而I f 负向增加时,输出电压随励磁电流的增加而迅速减小。发电机空载特性为一、二象限工作。 3 发电机的电枢反应分析 同前分析HEDSG 的电枢反应也可分为PM 和EM 两部分考虑。对于PM 部分,与DSEM 的电枢反应相同,SRG 发电方式下为增磁效应13;DSG1发电方式下为去磁效应;当工作在DSG2发电方式时,发电机为两相导通工作(若不考虑换相过程,如图1(b所示:当b

22、相处于转子极滑出状态时(SRG 发电方式,c 相则处于转子极滑入状态(DSG1发电方式;相应的电枢反应b 相为增磁,c 相为去磁,如图5(a中t =19.6 ms 时刻的磁链。为了更清晰地认识DSG2发电方式下HEDSG 的电枢反应,可通过有限元仿真计算来进行分析。 图5为HEDSG 在DSG2发电方式,不同负载下的电枢磁链仿真波形。图5(a为PM 部分的仿真波形。可以看出:PM 部分各相仿真磁链值在时间区域19.419.6 ms 内,b 相为增磁,c 相为去磁,且去磁量大于增磁量。因此,发电机PM 部分整体表现为去磁作用。图5(b(d为不同励磁电流下,EM/W b 18.0 18.4 18.

23、8 19.2 19.6t /msa (I o =0 A a (I o =50 A b (I o =0 A b (I o =50 A c (I o =0 A c (I o =50 Ae /Vt /ms1002010020 e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(a PM 部分/W b0.0250.0150.005t /msa (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o =50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /Vt /ms7

24、01050e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(b EM 部分(I f =10 A/Wb0.0150.0050.005t /msa (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o =50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /V18.018.418.8 19.2 19.6t /ms501070 e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac

25、 (I o =50 A(c EM 部分(I f =5 A/W bt /ms0.0250.0050.0150.025a (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o =50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /V18.018.418.8 19.2 19.6t /ms80080 e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(d EM 部分(I f =5 A图5 HEDSG 在DSG2下的电枢反应波形 Fig. 5 Flux and EM

26、F Waveforms ofHEDSG in DSG2 mode第24期 戴卫力等: 混合励磁双凸极发电机的电枢反应 65 部分的磁链、电势仿真波形。当I f >0时,励磁磁势F f 与转子极滑出定子极所在相的电枢磁势F b(c同向,而与转子极滑入定子极所在相的电枢磁势反向。因此,当I f >0时,转子极滑出定子极所在相的电枢反应表现为增磁;而转子极滑入定子极所在相的电枢反应表现为去磁,见图5(b中19.419.6 ms 内的b 相和c 相。可以看出:同一时刻下,加50 A 负载后,在I f =10 A 时,c 相磁链减小的幅度大于b 相磁链增加的幅度,因此,发电机磁路饱和时,总的

27、电枢反应还是去磁。作为特例,当I f 开始小于5 A 、I o =50 A 时,F f 开始小于F b(c(电机励磁绕组匝数N f =240,电枢绕组匝数N b(c=24。如图6(a所示,对于c 相而言,气隙磁场开始反向,与电枢磁势方向一致。当I f = 5 A 、I o =50 A 时,c 相的磁链值减小至零,如图5(c所示。同理,当I f =5 A 、I o =50 A 时,b 相的磁链值负向减小至零,如图5(d所示,且输出电压e b e c <0,EM 部分工作在电动状态。在I f =±5 A 时,总有一相磁链接近于零,相电势为零,EM 部分由两相串联发电退化为单相发电。

28、相对于空载,发电机加载后的电势总体来说是减小的。因此,对于HEDSG 而言,DSG2发电方式下,电枢反应总体呈现去磁作用,如图5(c、(d所示。当I f =0时,整个EM 部分只受电枢磁势的作用,基本上不发电,HEDSG 仅靠PM 部分发电,发电机工作在单发电状态。因此,由前面分析可知:由于HEDSG 既有PM 部分,又有EM 部分,在发电运行时,PM 部分始终处于发电状态,与HEDSG 的发电方式无关;而EM 部分却会随着电枢磁势F b(c和F f 之间关系的变化而呈现不同的工作状态,既有发电状态也有电动状态。根据PM 和EM 部分所处状态的不同可将HEDSG 的工作状态分为双发电模态、单发

29、电模态和发电/电动模态。双发电模态为PM 与EM 都处于发电状态;单发电模态为只有PM(a I f >0F fF fF fF fF b(cABC ABCABC A +(b I f <0F fF fF fF fF b(cABC ABCABC A +图6 DSHEG 在EM 部分电枢反应示意图Fig. 6 Armature action illustrating diagram of EM part部分处于发电状态,发电/电动模态为PM 部分处于发电状态,EM 部分处于电动状态。在DSG2发电方式下,当I f >0时,HEDSG 工作在双发电工作模态;I f =0时,HEDSG

30、工作在单发电工作模态;I f <0时,HEDSG 工作在发电/电动工作模态。根据以上分析可得出DSG2发电方式下的模态边界示意图,如图7所示。I f图7 HEDSG 在DSG2下的工作模态示意图Fig. 7 Working stages illustrating diagram in DSG2 mode4 结论通过有限元分析可知,并列结构HEDSG 的空载特性、电枢反应与DSEM 不同,有其自身的特点:1HEDSG 的空载特性在I f =0时,由于PM 部分存在电势使得输出电压并不为零。随着I f 正向增长,电机输出电势增加,并趋于饱和。当I f 负向增长时,电机的气隙磁场被削弱,输出电

31、压减小。2HEDSG 永磁部分的电枢反应与DSEG 一样:在SRG 发电方式下为增磁,在DSG1和DSG2发电方式下为去磁。3HEDSG 的EM 部分电枢反应,主要取决于电枢磁势F b(c和励磁磁势F f 的相对大小。在DSG2发电方式下,当F f >F b(c时,其电枢反应为去磁;当F f =F b(c时,EM 部分电势为0;当F f <F b(c时,EM 部分的电枢反应为反向增磁。4根据PM 和EM 部分的不同工作状态,HEDSG 在DSG2发电方式下有3种工作模态:I f >0时为双发电模态,I f 0时为单发电模态;I f <0时为发电/电动模态。参考文献1 C

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