混合励磁永磁同步发电机等效磁路分析研究

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第4 4O￣卷 2

期)

混合励磁永磁同步发电机等效磁路分析研究朱诗顺。春宝。杨李建文，朱道伟天津军事交通学院，天津(0 11 306 )摘要混合励磁永磁同步发电机 ( E M) H S是在永磁同步发电机的基础上，电机的定子或在

转子上加入电励磁绕组以调节电机主磁通的新型发电机。先对混合励磁永磁同步发电机的工作原理进行了详细分析，电机较为复杂的磁路进行了等效简化。并对 关键词混合励磁；同步发电机；等效磁路；研究中图分类号 T 3 3文献标识码 A文章编号 10 -2 1 20 )40 0 -4 M 1 087 8 (0 9 0 - 8 0 0

An l ssa d S u y o h uv ln a n tc Cic i o ay i n t d n t eEq ia e tM g ei r u t f Hy rd Ex iai n PM y c r n u n r t r b i ct t o S n h o o sGe e a o

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C u b o,L in e hna i a w n,a d Z u Da we J n h o

Ab t a t On t e b s so M y c r n u e e a o -a n w i d o y r x i - sr c a i fP s n h o o s g n r tr e k n fh b i e et h d a

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0引言 稀土永磁同步发电机取消了励磁绕组具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、功率密度大、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景，但从目前的实际应用情况来看，它的应用仍有一定的局限，不能应用在大转速变化范围的领域，其主要原因是电压调整率问题。永磁同步发电机采用永磁体励磁，采用从外部调节发电机的磁场方法来调节电压变得极为困难。目前，主要采用大功率可控器件对发电机的输出进行整流和逆变来实现稳压。此种方法虽然精度较高，但输出电压波形较差，而且系统复杂，可靠性降低，同时成本增加太多。励磁磁场不可调已经成为限制永磁发电机应用和推广的瓶颈。

立发电系统的研究日益深人，混合励磁永磁同步发电机也得到了越来越多的重视，成为新的研究热点之一。

1主要结构及工作原理 11主要结构 .混合励磁发电机是在原永磁同步发电机的基础上一种结构的改良，它既具有永磁体，又具有电励磁系统。它的气隙磁场由两部分激励产生，一一

部分由永磁体建立，是气隙磁场的主要部分；另部分是由励磁绕组的电流来激励产生，起调节

磁场的作用。图 1 a所示为一种典型的混合励 ()磁永磁同步发电机结构。发电机的定子由定子绕组和定子铁心、定子

背轭组成，定子铁心被直流环形励磁绕组分成两

部分：一部分为 N极侧铁心，一部分为 s侧铁极心，定子背轭把 N极侧铁心和 S极侧铁心在机械上和磁场上连接起来。

混合励磁永磁同步发电机 ( E M) H S与传统的电励磁同步电机以及永磁同步电机结构不同， 它既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在，既集成了电励磁同步电机调磁方便且调磁容

相应地，发电机的转子也分为两个部分：一部分为 N极永磁体和铁心极交错排列，一部分为 s 极永磁体和铁心极交错排列；且两部分间的永磁体也相互错开，图 1 b所示，如 ()在转子的磁极和

量小和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优

点，又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，有转轴之间有转子背轭把两个极在机械上和磁场上较大的推广应用价值。近年来，人们对节能和独相互连接起来。 J8

第卷总1 (P s

N R FLTC A I)第4 (篙 ) 4善4 4第9 4蓁期 E LI— 0 E R CN X OO O x oo P oE C I HE S M直流励磁绕组定子背轭心

r 1扎 包爆'艺

电势没有相差，交轴电枢反应电势也没有相差，它们在数量上是代数相加的关系，以绕组总的交所直轴电枢反应电抗分别是两部分电枢反应电抗的代数和。不计饱和时，并列结构混合励磁同步发电机的电压平衡方程，有E=U+j 0= +

+lX j+,R+ 1 ( ) q ( 1 j ) 2() 3

() a混合励磁电机的轴向剖面图转子背轭

Xq哪 a=X+

() 4

式中，

电枢一相绕组的端电压；和 L电枢 一

电流的直轴分量和交轴分量；电枢绕组电阻；尺一N极 S 极。一一

() b混合励磁电机的转子结构图图 1混合励磁永磁发电机的结构示意图

定子漏电抗； u X一总直轴电枢反应电抗； 总交轴电枢反应电抗；和 _永磁发 一

12工作原理 .

电机部分的直轴和交轴电枢反应电抗；和 电励磁发电机部分的直轴和交轴电枢反应。

混合励磁永磁同步发电机由永磁体和励磁绕

电抗。

.,组共同产生磁动势，两者并联提供的工作磁通在 14励磁电流，与负载电流五的关系励磁电流，与负载电流的关系即为 H S r EM气隙中合成。通过调整两部分转子的结构，使得它的定义和电励磁同步发电机调节两部分转子磁极的轴线重合，可以做到两部分定的调节特性，子绕组产生的感应电动势同相位，即空载时由永磁磁动势和电励磁磁动势分别产生的两部分定子绕组感应电动势没有相差，在数量上是代数相加的关系，定子绕组总的空载感应电动势为永磁发电机部分和电励磁发电机部分定子感应电动势的代数和。有Eo Em o+E 扣

特性定义相同，为发电机转速不变、负载功率因数不变、保持发电机端电压为常数时，电励磁电流，, 和负载电流 L之间的关系。即/ t '=常数；o cs=常数；常数时；= ( ) U= ,。并列结构混合励磁同步发电机的空载特性和外特性求出后，以推可导出调节特性，现简单推导调节特性的线性计算

公式。在 H S E M的设计中，在负载电流变化范围内，调节特性最好为线性。在线性调节范围内，如果空载

特性和外特性都为线性，则调节特性也为线性，电流，与负载电流的关系可以从励磁，HS E M的线性空载特性和外特性推导出来，设 HS E M空载感应电动势 E与励磁电流，的线性。,关系如下E: 0+k, 0 E。 E, () 5

式中，一总的空载电动势；l E一主发电机部分的柚空载电动势；—辅发电机部分的空载电动势。 当发电机转速过快时，可通过减小电励磁的电流来达到减小发电机气隙磁场的目的；当发电 机转速降低时，通过增大电励磁线圈的电流，使发电机气隙磁场增强，从而使发电机负载电压保持恒定。 13电压平衡关系式 .

式中，一电励磁电流为 0 时的空载电动势；一 k 线性范围励磁电流和感应电动势的比例系数。 HS E M的外特性在线性调节范围内基本上也是直线，以用下式表示可U= 0 uL E一k I () 6

永磁部分和电励磁部分共用 1套定子绕组， 接同一个负载，因此电枢绕组的漏阻抗计算和普通电励磁同步发电机相同。对电枢反应的处理， 可以将定子绕组看成由永磁发电机定子绕组和电励磁发电机定子绕组两部分组成，由于两部分发

式中，一常数。 k 解联立方程式 ( ) 5和式 ( )以求出保持端 6可电压为时，发电机调节特性的线性表达式q

电机转子磁极的轴线重合，极弧系数相同，负载时由电枢磁势在两部分绕组中产生的直轴电枢反应

玢爆 '包扎,

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第4 0 40卷( 2,一

期)

U—E0+k u

—]

2电机的磁路分析2 1永磁体等效磁路 .混合励磁永磁同步发电机的内部磁场主要是由永磁体提供的，电励磁起调节作用。为了便于对永磁体磁场进行分析研究，从退磁曲线为直线、

=r

一

(6 )

即=, 。 一

式中，= im r B J称为虚拟内禀磁通； , s。

称为

回复线与退磁曲线重合的稀土永磁材料着手，导出磁通源[。在均匀磁性材料中， 4]磁感应强度、 磁化强度和磁场强度日之间的关系为= +日 () 8

永磁体的虚拟内漏磁通；=, 0|为永磁体的 R )内磁阳

内禀磁感应强度为= =一 H 0 0 ()

9(0 1)( )内禀曲线 a () b退磁曲线

永磁材料的磁化强度为M=M, x-+//

式中，一剩余磁感应强度，于特定的永磁材 对料是个常量， 一永磁材料的磁化系数，与相对回复磁导率间存在的关系为=1+。因此， 式( ) 8和式( ) 9变为B= (+ I)+日= 0 x- 0 I=

图 2永磁材料的内禀曲线及退磁曲线

电机在运行过程中，永磁体向外磁路提供的

+

日 ( 1 1)

(+ )=X+(一1日 (2 I 0 ) 1)

磁动势和磁通都是变化的，计算比较麻烦，经过上述处理后，就可将永磁体等效成一个恒磁通源与个恒定的内磁导相并联的磁通源， J如图 3所一

磁场强度取绝对值时= 一 0 日=— 0 B 日 (3 1)

示，这就大大简化了磁路计算。(4 1)

Bi一(一1日=B )

图 2是稀土永磁材料典型的内禀曲线及退磁曲线。由图 2可知， 0范围内，在一内禀曲线为略微下垂的直线 1下垂斜率为 (, 1/。为便， 一 )o Z于分析，引入一个虚拟内禀曲线，它在 0范围一内为 B= //H的一条水平直线， B=￣Z . o如图 2 a ()中虚线 1 所示。 在计算永磁电机磁路时，更常用的是磁通和磁动势 F这两个物理量，即使用= F曲 ( )

图 3永磁体的等效磁路

正如电路中电压源和电流源可以互相等效一

样，磁路中的磁通源可等效变换成磁动势源， 由式 (6得 1)。==

线，实际上，只要将 B=日)曲线的纵坐标乘以永磁体提供每极磁通的截面积为 J, s横坐标乘以每 对极磁路中永磁体磁化方向长度为 h, 也就将图 2口中 B= H曲线转换为图 2 b中的= () ) () ,曲线。则 )

Hc .一 h

砌

Ao一， 0击

(7 1)

或

F=一 :10

式中， F一永磁体磁动势源的计算磁动势，对于给

Jm Bm =S【=H h

() 1 5

定的永磁体性能和尺寸，它是一个常数。 因此永磁体也可以等效成一个恒磁动势源和一个内磁导以相串联的磁动势源，图 4。如

将式 (3两端同乘以 S, 1) 得1 0

第总1 (P SNR FLTCA I)第4 4篙 倦( 4第嗍)

LI- O ER CN ) E OO P OEC I HE X M出发进行选择。 、

r 万脊E爆电机

.所示。它与图 3 所示的磁通源是等效的，二者可 23电机的等效磁路以互换，在应用时可根据不同的使用场合，从方便将图 6与图 3图 4合并，或得到负载时电机

总的等效磁路，如图 7所示。令 F=, a 0即得到空载时的等效磁路，对于不同的永磁电机，等效磁路

的具体构成将有所区别。————— -

■

—

■

)图 4永磁体等效成磁动势源

‘

} I奶.

22外磁路等效磁路 .永磁体向外磁路提供的总磁通可以分为两部分：一部分与电枢绕组匝链称为主磁通 (即

ll () a磁通源等效磁路

l l

(b磁动势等效磁路 )

图 7负载时永磁电机的等效磁路

每极气隙磁通 ); 另一部分不与电枢绕组匝链 4结语 称为漏磁通。相应地将永磁体以外的磁路分混合励磁永磁同步发电机作为一种新型发电为主磁路和漏磁路，相应的磁导分别为主磁导以 和漏磁导 A。电机实际的外磁路比较复杂， 分析机，它具有永磁发电机不具备的调压功能，将其应用于变速恒频恒压发电系统，够充分发挥混合能励磁调节磁场的功能。通过磁路的等效，可有效

时可以根据其磁通分布情况分成许多段，再经串、并联进行组合，主磁导和漏磁导是各段磁导的合成。在空载情况下外磁路的等效磁路如图 5所示。在负载运行时，根据电机原理，主磁路中增加

降低内部磁场的复杂性，使得分析研究更加方便。但是，目前来说，就由于制造工艺的原因，混合励磁永磁同步发电机还处在试验阶段，电励磁和永磁体之间的磁路耦合不能达到理论上的水平，还

了电枢磁动势，设每对极磁路中的电枢磁动势为其相应的等效磁路如图 6 a所示。根据对励 ()磁磁场作用的不同，。 F起增磁或去磁作用。,

需要进一步进行研究。参考文献

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外磁路的等效磁路

[]杨儒珊， 3康惠骏，冯勇.混合励磁永磁同步电机的结构原理与控制方案分析[]微特电机.o 6 o ) 1 -2 J. 2o (6:01 .

[]肖红霞.电压复合励磁稀土永磁同步发电机的设 4双A' = Au

计研究[ . D]湖南大学，0 5 20 .

[]王秀和等. 5永磁电机[ .京：国电力出版社， M]北中F

2 7. O0

作者简介：朱诗0男顷

16 90年生；博士后，硕士研究生导师

() a

() b

研究方向为车辆混合动力技术. 收稿日期： 0 - - 2 9 30 0 0 2

图 6负载时外磁路的等效磁路

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