一種新型的混合勵磁永磁同步發(fā)電機

一種新型的混合勵磁永磁同步發(fā)電機

隨著永材料性能的提高，永磁機廣泛應用于工業(yè)、民用、軍事、軍事和航空航天領域。與電勵磁電機相比,永磁電機具有結構簡單、效率高以及功率密度高等優(yōu)點。但不管是永磁發(fā)電機還是永磁電動機,都存在氣隙磁場難以調節(jié)的缺點。作發(fā)電機使用時,當負載發(fā)生變化時,永磁發(fā)電機的端電壓會隨之發(fā)生變化,從而影響供電的質量;作電動機使用時,永磁電動機難以在一個寬廣的范圍內進行調速,通常用增加定子電流直軸分量以產生去磁電樞反應的方法來減小氣隙磁場。但由于永磁體的磁導率接近空氣,所需的直軸電流較大,因此這種弱磁方法會增加定子繞組的銅損耗和控制器的容量,從而降低電機效率,使得永磁電機的應用在一定程度上受到了限制?；旌蟿畲庞来烹姍C中存在兩種磁動勢:永磁磁動勢和電勵磁磁動勢,因此,混合勵磁永磁電機結合了永磁電機和電勵磁同步電機的大部分優(yōu)點。目前,混合勵磁永磁電機已經成為電機領域的一個研究熱點,國內外許多專家和學者做了大量的研究工作,提出了一些混合勵磁永磁電機方案。然而,現有的混合勵磁永磁電機的電勵磁繞組所需的勵磁電流都是由外部電源提供的,如果能在電機轉子上直接獲取電機諧波磁場能量,整流后提供給電機的勵磁繞組,既可以進一步提高材料的利用率和電機的功率密度,又保持了永磁電機無刷的優(yōu)點。通常電機的電樞表面都是有齒有槽,在電機的氣隙磁場中會產生由電機的齒和槽引起的齒諧波磁場,從而在電機定子電樞繞組中感應齒諧波電動勢,使得繞組電壓波形發(fā)生畸變。工程上常采用斜槽或者斜極等方法來減小開槽對電機性能的影響。然而,本文在滿足發(fā)電機定子電樞繞組空載電壓波形畸變率要求的情況下,巧妙地將齒諧波磁場應用于混合勵磁永磁同步發(fā)電機勵磁系統中,提出了一種新型的基于齒諧波磁場勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機。本文分析了定轉子均開槽時產生的齒諧波磁場在轉子繞組中感應齒諧波電動勢的情況,在此基礎上提出了一種齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機,并試制了樣機。實驗結果驗證了齒諧波磁場在轉子繞組中感應的齒諧波電動勢可以為混合勵磁永磁同步電機的勵磁繞組提供勵磁所需的電流,以實現對氣隙磁場的調節(jié)。1齒諧波磁動勢幅值的確定定轉子均開槽時,將坐標放在轉子上,轉子齒中心線取為坐標原點,轉子齒與定子齒中心線對齊時為起始時刻,氣隙磁導沿圓周方向的變化,用電角度可以近似表示為其中:θ為電角度;t為時間;νs和νr分別為定轉子齒諧波磁導的階數,νs=1時,稱為定子一階齒諧波磁導,νs=2時,稱為定子二階齒諧波磁導,依此類推;轉子齒諧波磁導的階數νr與定子齒諧波磁導的階數νs定義相同;ω為電機旋轉的電角速度;Z1和Z2分別為電機定、轉子槽數;p為電機基波的極對數;Λ0為平均氣隙磁導;Λsνs和Λrνr分別為定轉子各階齒諧波磁導幅值?？蛰d時,氣隙磁場由轉子勵磁磁動勢產生,對于正常結構的電機轉子,勵磁磁動勢只含有基波和奇數次諧波。d軸與轉子齒中心線對齊時為起始時刻,勵磁磁動勢可以表示為f(θ)=∞∑ν=1Fmνcosνθ.(2)其中:Fmν為ν次諧波磁動勢幅值,ν為奇數。當勵磁磁動勢作用在定轉子開槽引起的齒諧波磁導上時,氣隙中的齒諧波磁密為式(3)第一項表示定子單邊開槽產生的齒諧波磁場;第二項表示轉子單邊開槽產生的齒諧波磁場;第三項表示定轉子均開槽時,定轉子相互作用產生的齒諧波磁場。當轉子ν次諧波勵磁磁動勢作用在定子νs階齒諧波磁導上,式(3)第一項可以表示為ΛsνsFmνcosνθcosνsΖ1p(θ+ωt)=ΛsνsFmν2{cos[(νsΖ1p+ν)θ+νsΖ1pωt]+cos[(νsΖ1p-ν)θ+νsΖ1pωt]}.(4)從式(4)可以看出,氣隙磁場中含有νsΖ1p+ν次和νsΖ1p-ν次齒諧波磁場,相對轉子轉速分別為-νsΖ1pνsΖ1p+νω和-νsΖ1pνsΖ1p-νω,在轉子繞組中感應νsΖ1p次齒諧波電動勢。當ν次諧波勵磁磁動勢作用在νr階轉子齒諧波磁導上,式(3)第二項可以表示為ΛrνrFmνcosνθcosνrΖ2pθ=ΛrνrFmν2{cos[(νrΖ2p+ν)θ]+cos[(νrΖ2p-ν)θ]}.(5)從式(5)可以看出,氣隙磁場中含有νrΖ2p+ν次和νrΖ2p-ν次齒諧波磁場,相對轉子靜止,不會在轉子繞組中感應齒諧波電動勢。當轉子ν次諧波勵磁磁動勢同時作用在定子νs階和轉子νr階齒諧波磁導上,式(3)第三項可以表示為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)從式(6)可以看出,氣隙磁場中含有νsΖ1p+νrΖ2p+ν次、νsΖ1p+νrΖ2p-ν次、νsΖ1p-νrΖ2p+ν次和νsΖ1p-νrΖ2p-ν次齒諧波磁場,相對轉子轉速分別為-νsΖ1pνsΖ1p+νrΖ2p+νω、-νsΖ1pνsΖ1p+νrΖ2p-νω、-νsΖ1pνsΖ1p-νrΖ2p+νω和-νsΖ1pνsΖ1p-νrΖ2p-νω,在轉子繞組中感應νsΖ1p次齒諧波電動勢。2齒諧波電動勢的設置由上面的分析可知,在不考慮定轉子同時開槽的相互作用時,轉子開槽產生的齒諧波磁場不會在轉子繞組中感應齒諧波電動勢,轉子繞組中的齒諧波電動勢主要是由定子開槽產生的齒諧波磁場感應得到的,這些齒諧波磁場在轉子繞組中感應的齒諧波電動勢的頻率為定子電樞繞組基波電動勢頻率的νsΖ1p倍,但主要分量是一階齒諧波磁密在轉子繞組中感應的一階齒諧波電動勢,即頻率為Ζ1pf1的齒諧波電動勢。其中,f1為定子電樞繞組基波電動勢的頻率。為此,在電機轉子鐵心上開槽,在轉子槽中布置齒諧波繞組,如圖1a所示。同時,合理地設計齒諧波繞組的節(jié)距以及繞組的連接方式,在一階齒諧波磁密幅值和齒諧波繞組總匝數一定的情況下,使得齒諧波繞組感應的齒諧波電動勢最大,并將齒諧波電動勢通過二極管整流電路整流后提供給混合勵磁永磁同步發(fā)電機的勵磁繞組,如圖1b所示。勵磁繞組產生的磁場主要是對氣隙磁場進行調節(jié)。3齒諧波勵磁回路轉子結構參數為了驗證理論分析的正確性以及齒諧波勵磁的混合勵磁的可行性,試制了一臺齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機。在電機的軸端安裝了電刷和滑環(huán),方便實驗時能夠直接測量轉子齒諧波繞組和勵磁繞組的電壓以及電流。電機參數:額定功率為3.25kW,額定電壓為350V,額定電流為5.96A,額定頻率為50Hz,極對數為3,相數為3。定子電樞繞組為Y接,并聯支路數為1,每相串聯匝數為180匝。轉子齒諧波繞組串聯匝數為240匝,勵磁繞組串聯匝數為330匝,定子斜槽,斜1/2個定子齒距。其結構參數如表1所示。圖2是電機空載運行且齒諧波勵磁回路開路時的電樞繞組線電壓實測波形和齒諧波繞組電壓實測波形;圖3是電機空載運行且齒諧波勵磁回路接通時勵磁電壓和勵磁電流實測波形;圖4是功率因數為cosφ=1.0和cosφ=0.9(滯后)時齒諧波勵磁回路接通前后齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機外特性;圖5是功率因數為cosφ=1.0和cosφ=0.9(滯后)時齒諧波勵磁回路接通后勵磁電壓和勵磁電流平均值隨電樞電流的變化。從圖2b可以得出,轉子齒諧波繞組的感應電動勢以一階齒諧波電動勢為主,其頻率為Ζ1pf1=15×50Ηz=750Hz,與理論分析吻合。從圖4可以看出,當齒諧波勵磁回路接通后,發(fā)電機的輸出電壓都有所增大,即齒諧波磁密在轉子繞組中感應的齒諧波電動勢經二極管整流后,給發(fā)電機的勵磁繞組輸入了一個勵磁電流,如圖3和圖5所示,說明了齒諧波磁場可以用于混合勵磁永磁同步發(fā)電機的勵磁系統中。在圖1b所示的原理圖中,在整流橋和勵磁繞組之間設計一控制電路便可實現對發(fā)電機輸出電壓的調節(jié)。今后將對齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發(fā)電機優(yōu)化設計以及控制進行