混合励磁双凸极发电机的电枢反应分析

混合励磁双凸极发电机的电枢反应分析

0励磁双凸极电机双凸磁电阻器（sdm）具有结构简单、控制方便、功率密度高等优点，因此在电动汽车、风能发电等领域可以研究和应用。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。而电励磁双凸极电机(doublesalientelectromagnetic,DSEM)却调节磁场方便，常被应用于发电系统及航空起动/发电系统。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极电机(hybridexcitationdoublysalientmachine,HEDSM)。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机座的结构和数学模型1.1hedsg转子图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，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60mm。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。1.2发电机各相作为由于HEDSG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式中：Lpm为PM部分绕组电感；I为绕组中的电流；ψpm0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，还与励磁电流If相关，可表示为式中：Lf=[Laf,Lbf,Lcf]T，为发电机各相绕组的励磁电感；绕组电感矩阵Lem的表达式在形式上同Lpm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，其表达式为式中：分别为PM与EM部分的电势。其中，ω、n分别为电机转子的旋转角速度和转速，θ为电机转子位置角。式(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HEDSG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，即的a、b、c相绕组的阻值。2负载电势、自感和互感的仿真结果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(switchedreluctancegenerator,SRG)发电方式、双凸极电机(doublysalientgenerator,DSG)DSG1发电方式及DSG2发电方式。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=4200r/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，If>0时，HEDSG的电势得到增强，If<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If=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和；而If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发电机电枢反应特性同前分析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；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=19.6ms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19.4～19.6ms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部分的磁链、电势仿真波形。当If>0时，励磁磁势Ff与转子极滑出定子极所在相的电枢磁势Fb(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If>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19.4～19.6ms内的b相和c相。可以看出：同一时刻下，加50A负载后，在If=10A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，总的电枢反应还是去磁。作为特例，当If开始小于5A、Io=50A时，Ff开始小于Fb(c)(电机励磁绕组匝数Nf=240，电枢绕组匝数Nb(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If=5A、Io=50A时，c相的磁链值减小至零，如图5(c)所示。同理，当If=-5A、Io=50A时，b相的磁链值负向减小至零，如图5(d)所示，且输出电压eb-ec<0,EM部分工作在电动状态。在If=±5A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。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If=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Fb(c)和Ff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If>0时，HEDSG工作在双发电工作模态；If=0时，HEDSG工作在单发电工作模态；If<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。4em部分电枢反应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：1)HEDSG的空载特性在If=0时，由于PM部分存在电势使得输出电压并不为零。随着If正向增长，电机输出电势增加，并趋于饱和。当If负向增长时，电机的气隙磁场被削弱，输出电压减小。2)HEDSG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。3)HEDSG的EM部分电