宽范围稳压的组合转子同步发电机

阳朝辉，黄守道，刘娇

(湖南大学，湖南长沙410082)

    摘要：研究了一种宽转速范围内稳压的组合转子同步发电机。该发电机的定子结构与普通发电机相同，转子由起主发电用的永磁部分和调压用的电励磁部分组成，他们同轴安装，共用同一套电枢绕组。电励磁部分采用内励磁无刷爪板结构，通过调节其励磁电流来改变气隙磁通大小，从而达到稳压目的。对电机的结构特点、运行原理和电磁设计进行了分析。样机实验分析证明了该种电机在宽转速变化范围内稳压性良好的特点。

    关键词：组合转子；爪极结构；电励磁部分；宽转速范围

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08-0026—03

0前言

    永磁同步发电机结构简单、运行可靠，但电机制成后气隙磁场无法调节。当转速或负载变化时，发电机保持恒压是比较困难的，对于稳定性要求较高的场合，必须采用电力电子变换器调压、双转子或双定子调压等方法，这会增加成本，降低动态性能。本文研究的组合转子发电机有效地解决永磁同步发电机调压困难的难题，在宽转速变化范围内实现了电压的稳定输出。该发电机的定子与普通同步发电机定子结构相同，转子由两部分组成：永磁部分和辅助电励磁部分。当转速变化时，通过调节辅助电励磁部分的磁场就可以调节输出电压，从而使发电机的输出电压保持恒定。

    辅助电励磁部分采用内励磁爪极结构，与永磁体部分同轴安装。两个相互交错咬合的法兰盘将励磁线圈产生的轴向磁通转化为径向磁通，实现了整个电机的无刷化。由于解决了永磁发电机电压调节难的问题，这种组合转子同步发电机能广泛应用于各种不同的领域。

1发电机基本结构与原理

    本文研究的组合转子同步发电机是通过二极管不可控整流后给负载供电的，因此只需考虑转速变化时稳定电压大小的问题，其结构简图如图1所示。定子结构与普通同步发电机相同，转子由永磁段和电励磁段组成。永磁部分采用切向槽楔式结构，电励磁部分采用无刷爪极结构，从而实现整个电机的无刷化，提高了电机的可靠性。

    当发电机在额定转速下运行时，通过与发电机配套设计的数字励磁调节器自动调节励磁电流I_e，且使I_e=0，此时只有永磁部分发电，输出额定电压。当发电机在低速区运行时，调节励磁电流大小，且使I_e>O，此时电励磁部分产生的气隙磁通与永磁部分产生的气隙磁通同向，使得发电机气隙总磁通增加，从而保证发电机输出电压稳定。这时整台发电机可以看成是一台永磁发电机与一台电励磁爪极发电机串联发电，只是他们问的电压串联是在电枢绕组中的每根导条中实现的。当发电机运行在高速区时，调节I_e且使_Ie<O，此时电励磁部分产生的气隙磁通与永磁部分产生的气隙磁通方向相反，使得发电机气隙总磁通减少，从而维持发电机输出电压恒定。这时仍然可把发电机分成两部分来分析，永磁部分仍作发电机运行，但电励磁部分作电动机运行。这时做发电机运行的永磁部分一方面给负载供电，另一方面给作电动机运行的电励磁部分供电。而作电动机运行的电励磁部分又反过来与外部输入转矩一起驱动永磁部分发电。

    当电机在对称负载下运行时，根据双反应理论与叠加原理可写出电压平衡方程：

式中：E_。——空载电动势，

    E₀=4．44fNK_dp(Φ_δ0m+Φ_δ0e)；

    u——发电机输出电压；

    R——电枢绕组电阻；

    I_d、I_q——电枢电流直轴与交轴分量；

    X_ad、X_aq——直轴、交轴电枢反应电抗；

   X₁、N——漏抗与每相串联匝数；

   Φ_δ0m——永磁部分提供的气隙基波磁通；

   Φ_δe——电励磁部分提供的气隙基波磁通。

    从上述式子可以看出，当转速变化时，调节电励磁部分的磁通，就可维持输出电压的恒定。

2电磁设计

    由上述分析可知：整台电机可以看成是一台永磁同步发电机与一台电励磁爪极发电机的串联运行，设计时也可以把它分成两台电机来单独设计。由于起主发电的是永磁部分，且在额定转速时只有永磁部分发电，所以可先根据额定参数设计永磁部分，然后由已确定的定子结构和高、低速时稳压所需补偿电压大小来设计电励磁部分。

2．1永磁部分的设计

    由于这类发电机要求在一定的转速范围内稳压，而没有固定的额定转速。所以在设计时，可自行选择额定转速。发电机在此速度下运行时，只有永磁部分发电且输出额定电压和额定功率。当转速降低时，电励磁部分发电进行补偿，维持发电机端电压不变。同理，在高于额定转速时，改变励磁电流方向与大小，电励磁部分产生负电压，使发电机总的输出电压保持稳定。

    为了使发电机在整个转速范围内维持输出电压稳定，并在****转速与****转速时****化地利用电励磁部分的补偿能力，我们必须合理选择额定转速。假设整个转速范围内发电机提供额定功率，可由下面推导确定额定转速：

式中：E_1e、E_2e——电励磁部分在****转速、****转速时的空载电动势；

    n₁、n₂——****转速与****转速；

    E_oN——永磁部分的额定空载电势；

    n_x——所选额定转速。

    选择好了额定转速后，可按磁路法对永磁部分进行设计。在整个设计过程中，交轴电枢反应电抗的求取比较困难，但它的计算准确程度直接关系到负载计算过程的正确与否。在具有切向转子结构的永磁发电机的设计中，由于永磁体的磁阻很大，交轴电枢反应磁通主要经极靴闭合，交轴电枢反应的作用与电励磁同步发电机基本相同，因而可采用电励磁同步发电机的公式来近似估算X_aq：

式中：F_a——每极电枢磁动势；

    K_aq——交轴电枢磁动势折算系数；

    F_δ——空载每极气隙磁压降；

    I_N——额定电流。

    考虑交轴磁路饱和的影响，任意转速下永磁部分在额定负载时的输出电压可采用如图2所示的循

环迭代的方法求解：

    采用上述循环迭代方法求得的电枢反应电抗与输出电压接近实验值。

2．2电励磁部分的设计

    辅助电励磁部分的转子采用无刷爪极式结构，如图3所示。爪极式转子由前爪和后爪组成，它们的爪数相等，为电机极数的一半，并且互相错开，沿圆周均匀分布，两个爪之间通过非导磁材料相连，固定在转子上。在两块爪极的空腔内装有磁轭，其上套有电励磁绕组，当有电流通过时，产生轴向磁通，使得一块爪极被磁化为N极，另一块被磁化为s极,形成极性相异、相互错开的多极转子。

    辅助电励磁部分磁路的计算方法和一般的电励磁电机磁路计算基本相同，都是以等值磁路图为基础的。通过分析电励磁部分定、转子结构的磁场分布，建立了如图4所示的磁路分析模型的等值磁路图。其中，FM为电励磁线圈产生的磁动势；G_δ4、G_δ2为内附加气隙与外附加气隙磁导；G_c为爪极磁导；G。为主气隙磁导；G_。、G．为定子齿与定子轭磁导；G_f为法兰盘每极磁导；G_n为爪极转子心柱磁导；Φ_sc为爪极总漏磁通，G_sc是与Φ_sc对应的漏磁导；Φ_M为励磁线圈产生的每极总磁通；Φ_m为交链定子绕组的磁通。

    根据电励磁部分所需提供的****补偿电压求出每极气隙磁通，然后根据等值磁路图求出电励磁线圈应产生的磁动势Fm,又:

    先确定励磁匝数Ⅳ，由式(4)估算所需励磁电流If值，然后由式(5)可得外加直流励磁电源电压应不小于If。

3实验结果分析

    本文设计了一台30 kw的样机，额定电压为230 V，稳压范围为2000 r／min～6000r／min。采用六相双Y移30^。绕组，选定额定转速为3000r／min。当负载为额定负载时，改变发电机转速，调节电励磁部分的励磁电流，得到的实验结果如图5所示。

 

    从图5可见，通过改变辅助电励磁的励磁电流的大小和方向，能够有效地控制气隙磁场的大小，从而使发电机在宽转速变化范围内维持输出电压基本恒定。

4结语

    本文设计的组合转子永磁同步发电机既具有结构简单、功率密度高、运行可靠等特点，还能方便地调节气隙磁通大小，从而具有宽范围内稳压的功能。转子结构中的辅助电励磁部分采用无刷爪极式结构，实现了整个电机的无刷化，提高了发电机的运行可靠性，这种组合转子永磁同步发电机在车载电源和移动电站等诸多领域具有很好的发展与应用前景。