摘要：对cPPM混合励磁外转子风力同步发电机进行了二维和三维磁场有限元分析，研究了电机轴向磁场的饱和问题，为电机优化设计以及拟定系统控制策略提供依据。
关键词：cPPM；混合励磁；风力发电机；有限元分析；轴向磁场
O引 言
混合励磁同步电机气隙磁场由永磁极产生的恒定磁场和直流励磁绕组产生的可变磁场合成，使电机同时具有永磁同步电机高效率和电励磁同步电机磁场连续可调的优点。本文将此结构用于风力同步发电机(以下简称cPPM发电机)，可在比较宽的范围内调节气隙磁通，以达到调节发电机输出电压的目的。
cPPM发电机在内定子铁心中问增加了直流励磁绕组，三相绕组和励磁绕组引线从轴孔中引出，省去了电刷和滑环装置；外转子铁心(导磁机壳)内侧贴有磁钢和铁极，磁极容易固定。cPPM发电机的电流励磁磁通不通过永磁极而走铁极，励磁磁路磁阻小，且可实现增磁或弱磁，磁场调节能力强，永磁体也没有退磁风险。
由于CPPM发电机内定子直流励磁绕组和外转子铁极的加入，使电机内磁场呈现三维分布，特别是轴向磁场的存在，导致磁路容易出现饱和问题，给电机分析、设计乃至控制都带来一定的困难。本文采用有限元方法对cPPM混合励磁外转子风力同步发电机的二维和三维磁场进行分析，在此基础上研究电机轴向磁场的影响问题，为电机优化设计以及系统控制策略提供依据。
1二维磁场有限元分析
考虑CPPM发电机的结构特点，可以分别取轴向一对相邻的铁极和永磁极来分析。图2为轴向一对相邻铁极等效励磁磁路。励磁磁通经过气隙、铁极、外转子、内定子铁心和内定子轴形成闭合磁路。这里为了减小计算量，采用二维磁场有限元分析。图3中虚线为永磁极分析面，认为轴向一对相邻铁极(或永磁极)处在同一平面上，并假设励磁磁动势完全作用在气隙处，不考虑外转子和内定子轴的轴向磁路的磁压降，如图4所示，电机空载铁极二维磁场等效分析模型，永磁极二维磁场等效分析模型类似，图5、图6分别为永磁极、铁极下的气隙磁密二维磁场仿真结果。
根据上图仿真结果，对其进行傅里叶分析，得到电机空载气隙基波磁密峰值，如表1所示。
可见，cPPM发电机励磁绕组增磁和弱磁时，永磁极下宅载气隙基波磁密峰值有较小变化，增磁时有弱磁作用，弱磁时有增磁作用；增磁和弱磁时铁极下的空载气隙基波磁密基本对称，表明电机磁路没有饱和影响。
需要说明的是，cPPM发电机负载时的气隙磁场，特别是铁极下气隙磁场会发生畸变，需要取电机整个场域来进行分析。
2三维磁场有限元分析
采用二维磁场有限元分析忽略了 cPPM发电机轴向磁场的影响，因此分析结果会存在一定误差。
为了研究电机轴向磁场的影响，在同样边界条件下对cPPM发电机进行三维磁场仿真，图7～图11给出r cPPM发电机空载时的三维磁场仿真结果，增磁和弱磁时的励磁磁势为1000 A·T。
图7、图8为cPPM发电机空载时的磁场矢量图。励磁电流为增磁时，每极下永磁体产生气隙磁通和铁极气隙磁通方向相同，两者经内定子铁心进入轴形成回路，如图7a、图8a中所示；无直流励磁时，铁极存在少量的感应磁通，永磁极磁通经内定子铁心进入轴形成回路，如图7b、图8b所示；励磁电流为弱磁时，每极下永磁极磁通与铁极磁通方向相反，上半部内定子铁心磁通全部流人铁心，下半部内定子铁心磁通全部流向气隙，轴向磁通与增磁时的方向相反，如图7c、罔8c所示。
图8～图11为cPPM发电机空载时的气隙磁密分布图，其中图lO、图11分别是从电机轴向和径向观察到的气隙磁密分布曲线。从中可以看出：一是与无励磁相比，增磁和弱磁时永磁极下气隙磁密波幅值有较小变化，增磁时对永磁极有弱磁作用，弱磁时对永磁极有增磁作用；二是无励磁时铁极处的气隙磁密并不为零；三是同样励磁安匝下增磁和弱磁时铁板处的磁密大小不一样，前者大于后者，这是弱磁时轴向磁场会出现饱和，励磁磁路磁阻比增磁时大的缘故。
采用二维有限元方法计算水磁极以及增磁时铁极处的气隙磁场，与三维有限元方法计算出的结果偏差很小，然而对于弱磁时铁极处的气隙磁场，两种方法计算结果偏差很大，二维计算结果偏大。因此，对于弱磁时铁极铁极处的气隙磁场，采用三维有限元方法汁算比较合适。
3轴向磁场的影响
可见，弱磁时内定子铁心(图中垂直方向为电机轴向)所在轴区域相当饱和，同样励磁安匝增磁时轴部磁密极低，无励磁时介于两者之间。
随着弱磁电流的增大，导磁机壳磁密迅速上升，很快进入饱和；增磁电流逐渐增大时，导磁机壳磁密随之下降，当增磁电流为2．5A左右时，导磁机壳磁密降至零，尔后再反向增大。
内定子轴与导磁机壳的情况基本相同。
可见，cPPM发电机弱磁和增磁时磁路和饱和程度并不一致。由于弱磁时存在较大的轴向磁动势，导磁机壳和内定子轴很快进入饱和，弱磁区间的宽度会比较窄；增磁时导磁机壳和内定子轴磁密逐渐下降，使增磁区间加宽。因此，应充分利用cPPM发电机增磁时的这一特点来实现宽范围增磁和相对弱磁，并降低电机铁耗。
4结论
(1)应用等效分析模型计算cPPM发电机二维磁场，无励磁和增磁情况下的磁场仿真结果基本准确，弱磁情况下的磁场仿真结果存在较大偏差；
(2)鉴于c PPM发电机的轴向励磁和铁极结构，必须对其进行三维磁场有限元分析才能比较准确计算出电机的磁场分布，特别是在容易出现轴向磁路饱和的弱磁情况；
(3)增磁和弱磁时cPPM发电机轴向磁场存在。 |
