高速混合励磁发电机的结构及调压性能

林　楠　王　东　魏　锟　程思为　易新强

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室　武汉　430033)



高速混合励磁发电机的结构及调压性能

林楠王东魏锟程思为易新强

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033)

摘要针对高速永磁发电机在负载或转速变化时难以维持输出电压恒定的问题，提出了一种新型混合励磁发电机。详细介绍了其结构与调压原理，建立了发电机的等效磁路模型，推导了空载调压范围的解析公式；利用三维有限元方法深入分析了发电机磁场的分布规律与调节能力；研制了一台10 kW混合励磁原理样机，试验结果表明新型混合励磁发电机能够满足调压要求，并验证了该发电机结构和分析方法的合理性。

关键词：高速永磁发电机混合励磁调压等效磁路

0引言

随着舰船电力系统从交流电制到直流电制的转变，发电机不再受负载频率限制，采用高速发电机的优势明显[1]。由于高速发电机的转速高，功率密度大，其重量和体积远小于同容量的中低速发电机，并可与高速原动机直接相连，省去了传统的机械变速装置，因此大幅降低了整个发电系统的重量、体积和振动噪声[2]。目前高速发电机已成为国内外的研究热点，主要分为电励磁同步发电机、永磁同步发电机和感应发电机三种类型[3]。

电励磁同步发电机需要电刷滑环或旋转整流装置，存在转子结构复杂及励磁损耗大的问题，难以满足高速运行时的机械强度和散热要求；永磁同步发电机无需转子励磁装置，具有结构简单及效率高的优势[4]，但传统永磁同步发电机的气隙磁场调节困难，从而导致输出电压不可控，成为制约其作为发电机的重要瓶颈；感应发电机不仅具有转子结构简单的优势，而且通过定子上的交流励磁绕组能够实现电压调节，但交流励磁绕组的无功功率相对较大，加大了定子热负荷[5]。

为了改善上述3种电机的不足，学者们提出了混合励磁发电机的技术路线[6-9]。混合励磁发电机是在永磁发电机的基础上引入辅助励磁绕组，由永磁体建立主磁场，辅助励磁绕组提供调节气隙磁场所需的磁动势[10-15]。虽然混合励磁发电机增加了辅助励磁绕组，在效率和功率密度方面均要逊色于同类型的纯永磁发电机，但现有的纯永磁发电机均需要外接全功率变流装置进行调压，随着输出功率的增加，这种全功率变流装置会显著增加整个发电机系统的成本，且存在功率密度低、效率偏低和可靠性不高等缺点，从而削弱了永磁发电机本体的优势，因此，从整个发电机系统来看，在负载或转速变化时要求电压可调的应用场合，混合励磁发电机系统具有显著优势和实用价值。

近年来在国内外研究人员的努力下，混合励磁发电机呈现出多种不同的结构，并得到不断的改进与创新。文献[10]设计了一台100 kW转子并列结构混合励磁发电机，由于转子上需要电刷滑环提供励磁电流，转子表面线速度难以达到100 m/s。本文的研究目标是转子表面线速度大于150 m/s的兆瓦级高速大功率发电机，如果转子上有励磁绕组，将使转子结构过于复杂而失去了永磁电机的优势，因此本文重点关注辅助励磁绕组位于定子上的混合励磁发电机。文献[16]提出了一种铁心极与永磁极交错排列的转子混合磁极结构，辅助的环形励磁绕组位于定子铁心内，通过调节环形励磁绕组电流来调节铁心极的气隙磁场，从而达到调压的目的，但其铁心极和永磁极长度相同，导致功率密度较低。文献[17，18]对上述电机的结构进行优化和改进，增加了永磁部分的比例，并对电机的原理、参数设计以及调压特性进行了研究，但未考虑辅助励磁绕组对永磁极气隙磁场的影响。文献[19]提出了混合励磁型磁通切换电机，定子上既有永磁体又有电励磁绕组，转子结构简单，电枢绕组中的感应电动势是依靠转子磁阻变化产生，但用作高速发电时铁心损耗过大。文献[20，21]提出的爪极混合励磁发电机是利用定子端盖或特别设计的爪极结构为电励磁磁通提供磁路，实现发电机的无刷化，不足之处是存在附加气隙，导致励磁容量增大，同时结构复杂，漏磁较严重，这些都将导致发电机的损耗增加，从而降低发电机的效率。

综上所述，国内外学者已经对混合励磁发电机做了许多工作[22-25]。现有的混合励磁发电机大多存在结构复杂、附加气隙大及利用系数不高等问题，过于强调气隙磁场的调节能力，而忽视了发电机的效率和功率密度。特别是用作高速大功率发电机的混合励磁电机还鲜见报道。

本文在现有结构的基础上提出了一种新型的高速混合励磁发电机，最大程度地保留了永磁发电机的固有特性，在发电机两侧加入辅助励磁部分，改善调压性能的同时，又能满足高速运行的要求。首先详细介绍了其结构与原理，建立了发电机的等效磁路法模型，推导了空载调压范围的解析公式，然后利用三维有限元方法深入分析了发电机的磁场分布规律与调节能力，最后通过一台10 kW混合励磁原理样机的试验，验证了该发电机结构和分析方法的合理性。

1发电机结构及调压原理

新型混合励磁发电机结构示意图如图1所示，主要由两部分组成，其中全永磁部分位于发电机中部，辅助励磁部分位于发电机两侧。定子铁心由三段硅钢片叠压组成，电枢绕组贯穿整个定子，在定子铁心内布置两组环形励磁绕组，串联后构成辅助励磁绕组，定子铁心外圆套有导磁套筒，为辅助励磁绕组提供轴向磁路。全永磁部分的转子结构与传统的表贴式永磁电机转子相同，辅助励磁部分的转子铁心极和永磁极交错排列。

图1　新型混合励磁发电机结构示意图Fig.1　Structure of the proposed HESG

调压原理是利用永磁极与铁心极的磁阻不同，通过调节励磁电流的大小和方向，实现对铁心极气隙磁场的调节。辅助励磁绕组产生的电励磁磁通路径为：转子铁心极→气隙→定子铁心→导磁套筒→定子铁心→气隙→转子铁心极→转子轭部→转子铁心极。

当发电机的负载增加时，电枢反应的去磁作用增强，导致输出电压降低。此时应在辅助励磁绕组中通入增磁电流，使其产生的磁场对铁心极起到增磁的作用，同一极下的铁心极和永磁极磁场方向相同，两者叠加后总磁通增大，输出电压升高。增磁原理如图2所示。

图2　励磁电流增磁的磁通路径示意图Fig.2　Magnetic flux path of the current excitation with positive field currents

当发电机的负载减小时，电枢反应的去磁作用减弱，导致输出电压升高。此时应在辅助励磁绕组中通入去磁电流，使同一极下的铁心极和永磁极磁场方向相反，总磁通减小，输出电压降低。去磁原理如图3所示。

图3　励磁电流去磁的磁通路径示意图Fig.3　Magnetic flux path of the current excitation with negative field currents

综上所述，利用铁心极和永磁极的磁阻差异，通过调节励磁电流的大小和方向，能够改变气隙总磁通，从而在负载和转速变化时维持输出电压恒定。

2调压性能分析

2.1等效磁路法

新型混合励磁发电机磁场分布较复杂，磁路呈现典型的三维特性。为了便于分析，本文从磁路法入手，根据新型混合励磁发电机的磁路特点，建立了等效磁路模型，如图4所示。

图4　等效磁路模型Fig.4　Equivalent magnetic circuit model

图4中，Fsf和Fm分别为环形励磁绕组和永磁体产生的磁动势；Rst和Rrt分别为定子导磁套筒磁阻和转子轴向磁阻；Rs和Rsf分别为全永磁部分和辅助励磁部分的定子铁心磁阻；Rg和Rgf分别为全永磁部分和辅助励磁部分的气隙磁阻；Rfe和Rpm分别为铁心极和永磁极的磁阻；Rr和Rrf分别为全永磁部分和辅助励磁部分的转子铁心磁阻；Rfl和Rrl分别为环形励磁绕组和转子铁心极的漏磁阻。

由于该发电机采用表贴式磁极结构，永磁体表面需要设置护套，其电磁气隙较大，因此在铁心不饱和的前提下，气隙磁阻和永磁体磁阻都远大于铁心磁阻，为了简化计算，可忽略径向定子铁心磁阻Rs和Rsf和转子铁心磁阻Rr和Rrf，漏磁阻Rfl和Rrl则通过漏磁系数计入，从而将等效磁路模型简化为图5所示。

图5　简化磁路模型Fig.5　Simplified magnetic circuit model

根据简化磁路模型可知：

合成气隙磁通为

Φg=Φg_pm+Φg_fe+Φg_pmf

(1)

式中，全永磁部分磁通Φg_pm为

(2)

辅助励磁部分铁心极磁通Φg_fe为

(3)

辅助励磁部分永磁极磁通Φg_pmf为

(4)

励磁电流双向调节，总磁通的最大变化范围为

(5)

空载反电动势为

E0=4KNmKdpfNΦg

(6)

空载调压范围为

ΔU0=4KNmKdpfNΔΦg

(7)

式中，KNm为气隙磁场波形系数；Kdp为电枢绕组系数；f为频率；N为电枢绕组每相串联匝数。由此，可根据不同的调压需求，设计相应的辅助励磁部分结构尺寸。

2.2三维有限元仿真

为了准确掌握该发电机的磁场分布及调节能力，下面利用三维电磁场有限元仿真软件对其进行深入分析。建立一对极的三维有限元模型，采用四面体单元剖分，并在气隙处加密网格，发电机总单元数为382 542，网格剖分如图6所示。

图6　三维有限元模型网格剖分图Fig.6　3D FEA model of the proposed HESG

图7为励磁电流不同时，沿发电机轴向分布的气隙磁通密度以及辅助部分沿周向分布的气隙磁通密度。可看出调节励磁电流大小和方向，全永磁部分的磁通密度基本不变，辅助部分永磁极的气隙磁通密度变化也较小，而辅助部分铁心极的气隙磁通密度发生明显变化，从而使每极总磁通得到有效调节。需要注意的是，同一极两侧辅助部分的永磁极与铁心极气隙磁通密度变化相反，说明环形励磁绕组在调节辅助部

分铁心极气隙磁场的同时，对辅助部分永磁极气隙磁场也有一定影响。

图7　气隙磁通密度随励磁电流的变化规律Fig.7　Air-gap flux density distribution of the HESG

表1对比了三维有限元法和磁路法得到的发电机各部分气隙磁通密度，可见两种方法的计算结果相近。误差在去磁时较大，这是由于励磁电流产生的轴向磁通与永磁磁通叠加，导致转子铁心轴向磁路饱和，而磁路法计算时没有考虑铁心饱和的影响。

表1　有限元与等效磁路法的气隙磁通密度对比

3试验验证

为了验证新型混合励磁发电机的调压性能和分析方法，本文研制了一台10 kW混合励磁原理样机，主要结构参数见表2。

试验平台如图8所示，原理样机的十二相电枢绕组引出后连接四组三相整流桥，四组并联后连接直流负载，自动励磁调节装置控制励磁电流的大小和方向。

表2　原理样机主要结构参数

图8　混合励磁原理样机及其试验平台Fig.8　The HESG prototype and test platform

首先，分析了原理样机的空载反电动势特性。当励磁电流为零时，空载线反电动势和谐波分析如图9所示。可见有限元仿真结果与试验波形基本相同，证明了三维有限元模型的正确性。空载线反电动势中含有少量5次谐波，使波峰变为平顶。这是由于本文研究对象为十二相整流发电机，与交流发电机的设计有所不同，要求直流侧电压脉动系数尽可能小，因此将空载反电动势波形设计为梯形波。

图9　空载反电动势分析Fig.9　Analysis of no-load back EMF

然后，固定励磁电流分别为-15 A、0 A、15 A不变，分析了空载反电动势有效值随转速变化的规律。由于需要分析的工况较多，这里采用磁路法与试验结果进行对比，如图10所示。由图可见磁路法与试验结果基本吻合，大幅提高了计算速度。通过调节励磁电流，能够使空载反电动势在一定转速范围内维持恒定。

图10　空载反电动势有效值随转速变化的规律Fig.10　The change regulation of no-load back EMF with speed

最后，在额定转速下进行了空载调压试验，作为整流发电机，通常以直流侧电压的调节性能为研究对象。图11为励磁电流If不同时，实测直流侧电压Udc与磁路法计算结果对比。由图可见空载调压范围达到20%。当励磁电流增磁时，两者吻合较好；随着去磁电流增加，铁心磁阻的非线性导致误差逐渐增大，最大相对误差不超过5%，说明磁路法可满足工程设计要求。

图11　空载调压试验Fig.11　Test of no-load voltage regulation

4结论

本文提出了一种新型的高速混合励磁发电机，详细介绍了电机结构与调压原理，建立了发电机的等效磁路模型，推导了混合励磁发电机的空载调压范围，利用三维有限元法深入分析了发电机的磁场分布规律与调节能力。分析结果与试验结果基本吻合。利用等效磁路模型能够根据不同的调压需求，快速设计出相应的辅助励磁部分，避免了设计初期对三维有限元模型的频繁调整，为下一步高速大功率混合励磁发电机的研制奠定了理论基础。

新型混合励磁发电机具有以下特点：

1)两侧环形励磁绕组产生的磁场对中间全永磁部分的作用相互抵消，调节励磁电流对全永磁部分基本没有影响，发电机整体具有较好的对称性。

2)励磁绕组位于定子内，实现了无刷化励磁，转子结构简单，提高了发电机高速运行的可靠性。

3)由于电励磁磁通主要经过铁心极，调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆失磁，而且磁路中不存在附加气隙，所需的励磁绕组容量较小。

4)全永磁部分作为发电机的主发电部分，使发电机具有较高的效率和功率密度，辅助励磁部分只提供电压调节所需的磁场变化，合理设计全永磁部分和辅助励磁部分的比例，可满足不同应用场合的调压要求。

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林楠男，1988年生，博士研究生，研究方向为集成化发电技术。

E-mail：ln3553@126.com(通信作者)

王东男，1978年生，教授，博士生导师，研究方向为集成化发电技术、电力推进、独立电源系统等。

E-mail：wangdongl@vip.sina.com

Structure and Voltage Regulation Performance of High Speed Hybrid Excitation Synchronous Generators

LinNanWangDongWeiKunChengSiweiYiXinqiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of EngineeringWuhan430033China)

AbstractFor conventional high speed permanent magnet generators, it is difficult to maintain constant terminal voltages when a load change or speed change occurs. Therefore, this paper proposes a novel hybrid excitation synchronous generator (HESG) and describes its structure characteristics and operation principles in detail. To facilitate the machine design and optimization process, the paper establishes an equivalent magnetic circuit model for the HESG and analytically derives its no-load voltage regulation range. The 3D finite element analyses (FEA) are performed to analyze the magnetic field distributions and the control capability with various field currents. A 10 kW prototype machine is fabricated and tested. Experimental results demonstrate that the proposed HESG can satisfy the voltage regulation requirement and verify the rationality of the structure and analysis method.

Keywords：High speed permanent magnet generator, hybrid excitation, voltage regulation, equivalent magnetic circuit

作者简介

中图分类号：TM351

收稿日期2015-07-28改稿日期2015-10-14

国家重点基础研究发展(973)计划(2013CB035601)、国家自然科学基金(51137005，51222705)和全国优秀博士学位论文作者专项资金(201152)资助。