混合勵磁雙凸極發(fā)電機的電樞反應分析

混合勵磁雙凸極發(fā)電機的電樞反應分析

0勵磁雙凸極電機雙凸磁電阻器（sdm）具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、功率密度高等優(yōu)點，因此在電動汽車、風能發(fā)電等領域可以研究和應用。但DSPM也存在不足：弱磁調(diào)速困難，發(fā)電時磁場不可調(diào)節(jié)，只能利用開關變換器進行穩(wěn)壓。而電勵磁雙凸極電機(doublesalientelectromagnetic,DSEM)卻調(diào)節(jié)磁場方便，常被應用于發(fā)電系統(tǒng)及航空起動/發(fā)電系統(tǒng)。但DSEM由于存在勵磁繞組使得系統(tǒng)的效率較低。為了結(jié)合2種電機的優(yōu)勢，研究人員提出了混合勵磁雙凸極電機(hybridexcitationdoublysalientmachine,HEDSM)。本文主要研究的是并列結(jié)構(gòu)的混合勵磁雙凸極發(fā)電機的空載特性和電樞反應。1機座的結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型1.1hedsg轉(zhuǎn)子圖1為12/8極HEDSG的三維裝配圖與截面圖?？梢钥闯觯弘姍C由兩部分組成，左邊為DSEM，電機殼體與定子疊片之間無間隙，在定子槽內(nèi)安放的勵磁繞組對稱分布于電機圓周上；右邊為DSPM，在電機殼體和定子之間裝有4塊瓦形磁鋼。兩部分的定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，兩部分定子共用同一電樞繞組。電勵磁部分與永磁部分的定子極寬相同，但極高不同，為方便放置勵磁繞組，DSEM的極高稍大。HEDSG的轉(zhuǎn)子如圖1(a)所示：電勵磁與永磁之間的疊片長度比例為10:6，其有效轉(zhuǎn)子軸長分別為100和60mm。轉(zhuǎn)子上無繞組，兩部分轉(zhuǎn)子極寬、極高相同，均為斜槽結(jié)構(gòu)，斜槽機械角度為7.5°。EM與PM部分之間相隔一段距離，以阻止永磁磁場與電勵磁磁場間的相互匝鏈。1.2發(fā)電機各相作為由于HEDSG在磁路上屬于并列結(jié)構(gòu)，PM與EM部分的磁鏈基本不交鏈，因此，對HEDSG的分析可通過對PM和EM兩部分分別進行計算，然后再進行相關參量的疊加。當HEDSG電樞繞組通以負載電流時，永磁部分的磁鏈可表示為式中：Lpm為PM部分繞組電感；I為繞組中的電流；ψpm0為各相繞組的永磁磁鏈。電勵磁部分的磁鏈除了與電樞電流有關，還與勵磁電流If相關，可表示為式中：Lf=[Laf,Lbf,Lcf]T，為發(fā)電機各相繞組的勵磁電感；繞組電感矩陣Lem的表達式在形式上同Lpm相同；I為繞組中的電流。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，發(fā)電機PM與EM部分的電樞繞組所匝鏈的磁鏈會發(fā)生變化，電樞繞組中就產(chǎn)生感應電勢，其表達式為式中：分別為PM與EM部分的電勢。其中，ω、n分別為電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)速，θ為電機轉(zhuǎn)子位置角。式(3)中的±號表示當EM部分磁鏈與PM部分磁鏈方向相同時，HEDSG的電勢為兩者相加；EM部分磁鏈與PM部分磁鏈方向相反時，HEDSG的電勢則為兩者相減。由于HEDSG的電樞繞組由PM與EM部分兩者共用，兩部分電樞繞組中的電流始終相同。因此，HEDSG的電感為永磁部分電感和電勵磁部分電感之和，可表示為HEDSG的繞組端電壓為繞組電勢與發(fā)電機繞組電感、電阻壓降之差，即的a、b、c相繞組的阻值。2負載電勢、自感和互感的仿真結(jié)果HEDSG在發(fā)電時根據(jù)定子極與轉(zhuǎn)子極的相對位置狀態(tài)的不同，可分為開關磁阻發(fā)電機(switchedreluctancegenerator,SRG)發(fā)電方式、雙凸極電機(doublysalientgenerator,DSG)DSG1發(fā)電方式及DSG2發(fā)電方式。本文主要研究的是DSG2發(fā)電方式，即三相繞組后接三相橋式整流電路的情況。此時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子極滑入和滑出定子極所在的相繞組均發(fā)電，其中空載轉(zhuǎn)速n=4200r/min。由1.2節(jié)數(shù)學模型可知，HEDSG的空載電勢、自感和互感可由PM和EM部分的值進行疊加得到。圖2是按照上述思想將PM和EM部分進行仿真所得數(shù)據(jù)進行疊加后的HEDSG仿真波形。由波形可看出：由于EM部分的電勢與勵磁電流的正負相關，因此，If>0時，HEDSG的電勢得到增強，If<0時，HEDSG的電勢被削弱；而HEDSG的自感和互感卻與勵磁電流的正負無關，與勵磁電流為零相比，自感和互感都得到了增大。對于PM部分而言，由于磁阻大、自感較小，因此，HEDSG的自感主要取決于EM部分，當定、轉(zhuǎn)子完全重合時，自感數(shù)值最大；但隨著勵磁電流的增大，EM部分由于磁場飽和自感減小，PM部分自感比例增加，因此，HEDSG的自感逐漸呈鞍形。圖3為HEDSG在DSG2發(fā)電方式下的空載電勢和輸出直流電壓波形。由于實際電機中EM和PM部分的轉(zhuǎn)子為分別壓裝，可能存在定位偏差，且為斜槽結(jié)構(gòu)，因此，在相同條件下，發(fā)電機的三相電勢實際值要比仿真數(shù)值小，且電勢正弦度相對較好。圖4為并列式HEDSG在DSG2發(fā)電方式下的空載特性，與DSEG不同的是：由于PM部分的存在，其空載電勢在If=0時并不為零。當勵磁電流增加時，輸出電壓隨著勵磁電流的增加而逐漸趨于飽和；而If負向增加時，輸出電壓隨勵磁電流的增加而迅速減小。發(fā)電機空載特性為一、二象限工作。3發(fā)電機電樞反應特性同前分析HEDSG的電樞反應也可分為PM和EM兩部分考慮。對于PM部分，與DSEM的電樞反應相同，SRG發(fā)電方式下為增磁效應；DSG1發(fā)電方式下為去磁效應；當工作在DSG2發(fā)電方式時，發(fā)電機為兩相導通工作(若不考慮換相過程)，如圖1(b)所示：當b相處于轉(zhuǎn)子極滑出狀態(tài)時(SRG發(fā)電方式)，c相則處于轉(zhuǎn)子極滑入狀態(tài)(DSG1發(fā)電方式)；相應的電樞反應b相為增磁，c相為去磁，如圖5(a)中t=19.6ms時刻的磁鏈。為了更清晰地認識DSG2發(fā)電方式下HEDSG的電樞反應，可通過有限元仿真計算來進行分析。圖5為HEDSG在DSG2發(fā)電方式，不同負載下的電樞磁鏈仿真波形。圖5(a)為PM部分的仿真波形。可以看出：PM部分各相仿真磁鏈值在時間區(qū)域19.4～19.6ms內(nèi)，b相為增磁，c相為去磁，且去磁量大于增磁量。因此，發(fā)電機PM部分整體表現(xiàn)為去磁作用。圖5(b)～(d)為不同勵磁電流下，EM部分的磁鏈、電勢仿真波形。當If>0時，勵磁磁勢Ff與轉(zhuǎn)子極滑出定子極所在相的電樞磁勢Fb(c)同向，而與轉(zhuǎn)子極滑入定子極所在相的電樞磁勢反向。因此，當If>0時，轉(zhuǎn)子極滑出定子極所在相的電樞反應表現(xiàn)為增磁；而轉(zhuǎn)子極滑入定子極所在相的電樞反應表現(xiàn)為去磁，見圖5(b)中19.4～19.6ms內(nèi)的b相和c相?？梢钥闯觯和粫r刻下，加50A負載后，在If=10A時，c相磁鏈減小的幅度大于b相磁鏈增加的幅度，因此，發(fā)電機磁路飽和時，總的電樞反應還是去磁。作為特例，當If開始小于5A、Io=50A時，F(xiàn)f開始小于Fb(c)(電機勵磁繞組匝數(shù)Nf=240，電樞繞組匝數(shù)Nb(c)=24)。如圖6(a)所示，對于c相而言，氣隙磁場開始反向，與電樞磁勢方向一致。當If=5A、Io=50A時，c相的磁鏈值減小至零，如圖5(c)所示。同理，當If=-5A、Io=50A時，b相的磁鏈值負向減小至零，如圖5(d)所示，且輸出電壓eb-ec<0,EM部分工作在電動狀態(tài)。在If=±5A時，總有一相磁鏈接近于零，相電勢為零，EM部分由兩相串聯(lián)發(fā)電退化為單相發(fā)電。相對于空載，發(fā)電機加載后的電勢總體來說是減小的。因此，對于HEDSG而言，DSG2發(fā)電方式下，電樞反應總體呈現(xiàn)去磁作用，如圖5(c)、(d)所示。當If=0時，整個EM部分只受電樞磁勢的作用，基本上不發(fā)電，HEDSG僅靠PM部分發(fā)電，發(fā)電機工作在單發(fā)電狀態(tài)。因此，由前面分析可知：由于HEDSG既有PM部分，又有EM部分，在發(fā)電運行時，PM部分始終處于發(fā)電狀態(tài)，與HEDSG的發(fā)電方式無關；而EM部分卻會隨著電樞磁勢Fb(c)和Ff之間關系的變化而呈現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，既有發(fā)電狀態(tài)也有電動狀態(tài)。根據(jù)PM和EM部分所處狀態(tài)的不同可將HEDSG的工作狀態(tài)分為雙發(fā)電模態(tài)、單發(fā)電模態(tài)和發(fā)電/電動模態(tài)。雙發(fā)電模態(tài)為PM與EM都處于發(fā)電狀態(tài)；單發(fā)電模態(tài)為只有PM部分處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電/電動模態(tài)為PM部分處于發(fā)電狀態(tài)，EM部分處于電動狀態(tài)。在DSG2發(fā)電方式下，當If>0時，HEDSG工作在雙發(fā)電工作模態(tài)；If=0時，HEDSG工作在單發(fā)電工作模態(tài)；If<0時，HEDSG工作在發(fā)電/電動工作模態(tài)。根據(jù)以上分析可得出DSG2發(fā)電方式下的模態(tài)邊界示意圖，如圖7所示。4em部分電樞反應通過有限元分析可知，并列結(jié)構(gòu)HEDSG的空載特性、電樞反應與DSEM不同，有其自身的特點：1)HEDSG的空載特性在If=0時，由于PM部分存在電勢使得輸出電壓并不為零。隨著If正向增長，電機輸出電勢增加，并趨于飽和。當If負向增長時，電機的氣隙磁場被削弱，輸出電壓減小。2)HEDSG永磁部分的電樞反應與DSEG一樣：在SRG發(fā)電方式下為增磁，在DSG1和DSG2發(fā)電方式下為去磁。3)HEDSG的EM部分電