一种新型的混合励磁永磁同步发电机

一种新型的混合励磁永磁同步发电机

随着永材料性能的提高，永磁机广泛应用于工业、民用、军事、军事和航空航天领域。与电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单、效率高以及功率密度高等优点。但不管是永磁发电机还是永磁电动机,都存在气隙磁场难以调节的缺点。作发电机使用时,当负载发生变化时,永磁发电机的端电压会随之发生变化,从而影响供电的质量;作电动机使用时,永磁电动机难以在一个宽广的范围内进行调速,通常用增加定子电流直轴分量以产生去磁电枢反应的方法来减小气隙磁场。但由于永磁体的磁导率接近空气,所需的直轴电流较大,因此这种弱磁方法会增加定子绕组的铜损耗和控制器的容量,从而降低电机效率,使得永磁电机的应用在一定程度上受到了限制。混合励磁永磁电机中存在两种磁动势:永磁磁动势和电励磁磁动势,因此,混合励磁永磁电机结合了永磁电机和电励磁同步电机的大部分优点。目前,混合励磁永磁电机已经成为电机领域的一个研究热点,国内外许多专家和学者做了大量的研究工作,提出了一些混合励磁永磁电机方案。然而,现有的混合励磁永磁电机的电励磁绕组所需的励磁电流都是由外部电源提供的,如果能在电机转子上直接获取电机谐波磁场能量,整流后提供给电机的励磁绕组,既可以进一步提高材料的利用率和电机的功率密度,又保持了永磁电机无刷的优点。通常电机的电枢表面都是有齿有槽,在电机的气隙磁场中会产生由电机的齿和槽引起的齿谐波磁场,从而在电机定子电枢绕组中感应齿谐波电动势,使得绕组电压波形发生畸变。工程上常采用斜槽或者斜极等方法来减小开槽对电机性能的影响。然而,本文在满足发电机定子电枢绕组空载电压波形畸变率要求的情况下,巧妙地将齿谐波磁场应用于混合励磁永磁同步发电机励磁系统中,提出了一种新型的基于齿谐波磁场励磁的混合励磁永磁同步发电机。本文分析了定转子均开槽时产生的齿谐波磁场在转子绕组中感应齿谐波电动势的情况,在此基础上提出了一种齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机,并试制了样机。实验结果验证了齿谐波磁场在转子绕组中感应的齿谐波电动势可以为混合励磁永磁同步电机的励磁绕组提供励磁所需的电流,以实现对气隙磁场的调节。1齿谐波磁动势幅值的确定定转子均开槽时,将坐标放在转子上,转子齿中心线取为坐标原点,转子齿与定子齿中心线对齐时为起始时刻,气隙磁导沿圆周方向的变化,用电角度可以近似表示为其中:θ为电角度;t为时间;νs和νr分别为定转子齿谐波磁导的阶数,νs=1时,称为定子一阶齿谐波磁导,νs=2时,称为定子二阶齿谐波磁导,依此类推;转子齿谐波磁导的阶数νr与定子齿谐波磁导的阶数νs定义相同;ω为电机旋转的电角速度;Z1和Z2分别为电机定、转子槽数;p为电机基波的极对数;Λ0为平均气隙磁导;Λsνs和Λrνr分别为定转子各阶齿谐波磁导幅值。空载时,气隙磁场由转子励磁磁动势产生,对于正常结构的电机转子,励磁磁动势只含有基波和奇数次谐波。d轴与转子齿中心线对齐时为起始时刻,励磁磁动势可以表示为f(θ)=∞∑ν=1Fmνcosνθ.(2)其中:Fmν为ν次谐波磁动势幅值,ν为奇数。当励磁磁动势作用在定转子开槽引起的齿谐波磁导上时,气隙中的齿谐波磁密为式(3)第一项表示定子单边开槽产生的齿谐波磁场;第二项表示转子单边开槽产生的齿谐波磁场;第三项表示定转子均开槽时,定转子相互作用产生的齿谐波磁场。当转子ν次谐波励磁磁动势作用在定子νs阶齿谐波磁导上,式(3)第一项可以表示为ΛsνsFmνcosνθcosνsΖ1p(θ+ωt)=ΛsνsFmν2{cos[(νsΖ1p+ν)θ+νsΖ1pωt]+cos[(νsΖ1p-ν)θ+νsΖ1pωt]}.(4)从式(4)可以看出,气隙磁场中含有νsΖ1p+ν次和νsΖ1p-ν次齿谐波磁场,相对转子转速分别为-νsΖ1pνsΖ1p+νω和-νsΖ1pνsΖ1p-νω,在转子绕组中感应νsΖ1p次齿谐波电动势。当ν次谐波励磁磁动势作用在νr阶转子齿谐波磁导上,式(3)第二项可以表示为ΛrνrFmνcosνθcosνrΖ2pθ=ΛrνrFmν2{cos[(νrΖ2p+ν)θ]+cos[(νrΖ2p-ν)θ]}.(5)从式(5)可以看出,气隙磁场中含有νrΖ2p+ν次和νrΖ2p-ν次齿谐波磁场,相对转子静止,不会在转子绕组中感应齿谐波电动势。当转子ν次谐波励磁磁动势同时作用在定子νs阶和转子νr阶齿谐波磁导上,式(3)第三项可以表示为1Λ0ΛsνsΛrνrFmνcosνθcosνsΖ1p(θ+ωt)cosνrΖ2pθ=ΛsνsΛrνrFmν4Λ0{cos[(νsΖ1p+νrΖ2p+ν)θ+νsΖ1pωt]+cos[(νsΖ1p+νrΖ2p-ν)θ+νsΖ1pωt]}+ΛsνsΛrνrFmν4Λ0{cos[(νsΖ1p-νrΖ2p+ν)θ+νsΖ1pωt]+cos[(νsΖ1p-νrΖ2p-ν)θ+νsΖ1pωt]}.(6)从式(6)可以看出,气隙磁场中含有νsΖ1p+νrΖ2p+ν次、νsΖ1p+νrΖ2p-ν次、νsΖ1p-νrΖ2p+ν次和νsΖ1p-νrΖ2p-ν次齿谐波磁场,相对转子转速分别为-νsΖ1pνsΖ1p+νrΖ2p+νω、-νsΖ1pνsΖ1p+νrΖ2p-νω、-νsΖ1pνsΖ1p-νrΖ2p+νω和-νsΖ1pνsΖ1p-νrΖ2p-νω,在转子绕组中感应νsΖ1p次齿谐波电动势。2齿谐波电动势的设置由上面的分析可知,在不考虑定转子同时开槽的相互作用时,转子开槽产生的齿谐波磁场不会在转子绕组中感应齿谐波电动势,转子绕组中的齿谐波电动势主要是由定子开槽产生的齿谐波磁场感应得到的,这些齿谐波磁场在转子绕组中感应的齿谐波电动势的频率为定子电枢绕组基波电动势频率的νsΖ1p倍,但主要分量是一阶齿谐波磁密在转子绕组中感应的一阶齿谐波电动势,即频率为Ζ1pf1的齿谐波电动势。其中,f1为定子电枢绕组基波电动势的频率。为此,在电机转子铁心上开槽,在转子槽中布置齿谐波绕组,如图1a所示。同时,合理地设计齿谐波绕组的节距以及绕组的连接方式,在一阶齿谐波磁密幅值和齿谐波绕组总匝数一定的情况下,使得齿谐波绕组感应的齿谐波电动势最大,并将齿谐波电动势通过二极管整流电路整流后提供给混合励磁永磁同步发电机的励磁绕组,如图1b所示。励磁绕组产生的磁场主要是对气隙磁场进行调节。3齿谐波励磁回路转子结构参数为了验证理论分析的正确性以及齿谐波励磁的混合励磁的可行性,试制了一台齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机。在电机的轴端安装了电刷和滑环,方便实验时能够直接测量转子齿谐波绕组和励磁绕组的电压以及电流。电机参数:额定功率为3.25kW,额定电压为350V,额定电流为5.96A,额定频率为50Hz,极对数为3,相数为3。定子电枢绕组为Y接,并联支路数为1,每相串联匝数为180匝。转子齿谐波绕组串联匝数为240匝,励磁绕组串联匝数为330匝,定子斜槽,斜1/2个定子齿距。其结构参数如表1所示。图2是电机空载运行且齿谐波励磁回路开路时的电枢绕组线电压实测波形和齿谐波绕组电压实测波形;图3是电机空载运行且齿谐波励磁回路接通时励磁电压和励磁电流实测波形;图4是功率因数为cosφ=1.0和cosφ=0.9(滞后)时齿谐波励磁回路接通前后齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机外特性;图5是功率因数为cosφ=1.0和cosφ=0.9(滞后)时齿谐波励磁回路接通后励磁电压和励磁电流平均值随电枢电流的变化。从图2b可以得出,转子齿谐波绕组的感应电动势以一阶齿谐波电动势为主,其频率为Ζ1pf1=15×50Ηz=750Hz,与理论分析吻合。从图4可以看出,当齿谐波励磁回路接通后,发电机的输出电压都有所增大,即齿谐波磁密在转子绕组中感应的齿谐波电动势经二极管整流后,给发电机的励磁绕组输入了一个励磁电流,如图3和图5所示,说明了齿谐波磁场可以用于混合励磁永磁同步发电机的励磁系统中。在图1b所示的原理图中,在整流桥和励磁绕组之间设计一控制电路便可实现对发电机输出电压的调节。今后将对齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机优化设计以及控制进行