新型混合励磁发电系统用无刷励磁机电磁性能分析

张春莉，宫海龙,2，王 亮，张艳竹，宋敏慧



新型混合励磁发电系统用无刷励磁机电磁性能分析

张春莉1，宫海龙1,2，王 亮1，张艳竹1，宋敏慧1

（1. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨150040；2. 水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨 150040）

本文提出了新型混合励磁发电系统，它由混合励磁发电机、无刷励磁机和旋转整流器构成，其中混合励磁发电机转子由结构上独立的两部分——永磁体和电励磁组成，定子铁心沿轴向分为三段：永磁部分定子铁心、电励磁部分定子铁心以及中间部分定子铁心，其中中间部分定子铁心采用非导磁材料。新型混合励磁系统具有永磁电机高效、高功率密度的优点。本文仅针对新型混合励磁发电系统中的无刷励磁机进行分析，无刷励磁机结构与绕线式异步电机结构相似，定、转子均采用三相绕组，无刷励磁机的转子与混合励磁发电机转子同轴，转子绕组经固定在同发电机转轴上的二极管整流将交流变为直流，供给混合励磁发电机励磁。同时本文采用电磁场有限元法对无刷励磁运行机理和电磁性能进行分析，其中包括供电电源类型、定子电流特性和转矩特性等。本研究成果对掌握无刷励磁机运行特性具有重要作用。

发电系统；无刷励磁机；混合励磁；电磁性能；有限元法

前言

永磁同步电机具有效率高、功率密度大的突出优点。但是，永磁电机气隙磁场难以调节，导致发电机输出电压调节和灭磁困难，从而限制了高效永磁电机的应用。同时，由于永磁电机直轴磁路中存在磁导率很低的永磁体，使得直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小很多，因而其固有电压调整率低。同时在实际应用中，永磁电机一旦制成，由于制造工艺及永磁体工作点变化等原因，往往导致电机在负载变化范围内输出电压无法满足需求，即因其电压难以调整而无法使用[6]。

由此，本文提出了新型混合励磁发电系统，新型混合励磁发电系统由混合励磁发电机、无刷励磁机和旋转整流器构成。混合励磁发电机定子结构与传统同步电机定子相同，但定子铁心沿轴向分为三段：永磁部分定子铁心、电励磁部分定子铁心以及中间部分定子铁心，其中中间部分定子铁心采用非导磁材料。转子由结构上独立的两部分——永磁体和电励磁组成。混合励磁电机中同时存在两种磁势源：永磁磁动势和电励磁磁动势。混合励磁发电机气隙磁场主要由永磁部分产生，电励磁磁动势产生的磁场主要是对永磁电动势产生的磁场进行调解。无刷励磁机与混合励磁发电机同轴。整个新型混合励磁发电系统布置如图1。

为了彻底杜绝因碳刷和滑环接触不良、碳刷长期磨损而发生的各种电机故障，提出新型混合励磁发电机励磁部分采用无刷励磁系统提供励磁，此无刷励磁系统由无刷励磁机和旋转整流两部分组成，其系统简单示意如图2所示。无刷励磁机结构与绕线式异步电机结构相似，定、转子均采用三相绕组，无刷励磁机的转子与混合励磁发电机转子同轴。当无刷励磁机定子三相绕组通过三相交流调压器通电后，就会在无刷励磁机转子绕组感应出交流三相电动势，经过固定在同发电机转轴上的二极管整流后变为直流电流，供给混合励磁发电机励磁[8,9,11]。混合励磁发电机励磁电流的调节可以通过控制无刷励磁机的定子磁场来实现[2,10,11]。其中定子三相交流电可以由混合励磁发电机发出的电直接提供，大大节约了能源的消耗。

1-无刷励磁机转子铁心；2-无刷励磁机定子铁心；3-无刷励磁机定子机座；4-混合励磁发电机定子绕组；5-永磁部分定子铁心；6-永磁体；7-电励磁部分定子铁心；8-电励磁转子铁心；9-整流环；10-整流桥；11-电励磁转子绕组；12-交流引出线；13-无刷励磁机转子绕组

图2 无刷励磁系统

本文根据新型混合励磁发电系统用无刷励磁机特点，采用电磁场有限元法对无刷励磁机电磁性能及对其产生主要影响的因素进行了计算与分析，本研究成果对掌握无刷励磁机运行特性具有重要作用。

2 数学模型和边界条件

由于传统的解析计算方法有很多简化处理，无法模拟电机实际结构、瞬变运行状态及饱和的影响，因此本文采用二维瞬变有限元数值方法对无刷励磁机进行计算与分析[13]。本文以7.5kW新型混合励磁发电系统用无刷励磁机为例进行计算与分析，无刷励磁机基本数据如表1，其设计方法参考文献[1,3,4,12,16]。

表1 无刷励磁机基本参数

采用瞬变有限元法求解时，其矢量磁位方程和求解场域所满足的边值问题为

所建立的无刷励磁机有限元求解区域如图3所示，剖分网格如图4所示。定义定子外表面I为一类齐次边界条件，AB、GF、CD、ED定义为整周期边界条件。

图3 无刷励磁机求解区域

3 额定负载运行电磁性能分析

额定运行下要求无刷励磁机在3000r/min额定转速时转子绕组经整流器整流后，励磁电流达到4.5A。为模拟此运行状态，在二维磁场数值分析中，需在有限元模型（图3）基础上搭建外电路，以场路耦合方式模拟电机真实状态。当定子绕组通三相反相序交流电时，通过调解定子电压幅值，使转子输出电流达到所需值，此时所需能量最少（详细分析见第4部分），其外电路如图5所示。

图4 无刷励磁机剖分网格

图5 无刷励磁机外电路

图5(a)定子绕组回路中：FA、FB、FC分别为A、B、C三相定子绕组，u、u、u为定子三相电压源，通反相序电压：

定子电压波形如图6所示。在图5(b)转子绕组回路中：FU、FV、FW分别为U、V、W三相转子绕组，R1和L1分别为混合励磁发电机电励磁转子绕组电阻和电感。

图6 定子电压波形

由场路耦合有限元分析，得到定子电流、转子电流和转子整流后电流波形分别如图7（a）、（b）和（c）所示。由于无刷励磁机负载是一个经旋转整流器供电的阻感负载（是一个非线性负载），加之由于转子绕组内电抗的存在，换相时要阻止电流突变，即整流时转子电流不能瞬间从一相转换到另一相，而需要一定的“时间”，因此转子输出电流波形如7(b)，其谐波分析结果见文献[16]。某一时刻磁场分布如图8所示。

图7 电流波形

图8 某一时刻磁场分布

4 无刷励磁机电磁性能分析

无刷励磁机电磁性能影响因素有很多，下面对其不同电源类型及不同转差率影响进行计算与分析。

4.1 三相交流电源供电

定子绕组施加三相交流电压源，可以有正序和负序两种通电方式。在正序和负序电源供电下，使无刷励磁机额定负载运行，即3000r/min转速下，转子绕组经整流器整流后励磁电流达到4.5A，计算得到定子电压、定子电流、功率因数等参数结果见表2。

表2 额定运行时正序和负序电源供电情况下定子参数计算结果

由表2计算结果可见，额定负载运行时定子三相交流负序电源所需能量比正序小很多，而且有功部分占比较大；同时定子电压、定子电流、定子电密也小，这样可以降低定子绕组发热并降低电机成本。

4.2 单相交流电源供电

三相电机的电源应为三相电源，但实际上常会遇到只有单相电源的问题，特别是在家用电器上。因此必须对定子绕组做适当的改接，以使三相电机适应于单相电源而正常工作。

当三相绕组串联时，定子通入单相交流电时磁场是脉动磁场,每相磁势相同，因此在转子每相绕组中感应的电压基本相同，使得电势差近似为零，在转子绕组中无感应电流产生，无法达到要求。因此定子绕组接线要保证内部两个绕组的位置有空间角度差，使两相电流在时间上有一定的相位差。

图9 整流后转子输出电流波形

接线方法：可将无刷励磁机定子绕组中的任意两相绕组首先串联，然后再与另一相绕组并联接入电源，此时定子电流在时间上产生相位差。计算得到额定负载运行下,定子单相交流电源电压的有效值为7.8V，定子绕组最大电流有效值为9.98A，其对应电密为4.72A/mm2。额定负载运行单相交流电源供电时，定子电密分布不均匀，最大电密大约为三相交流负序电源供电时的2倍；同时经整流后转子输出电流波动较大，如图9所示，波动范围大概在4%左右。

4.3 直流电源供电

直流电源供电与单相交流电源原理相同，因此也采用4.2中采取的接线方法。计算得到额定负载运行下定子直流电源电压为1.33V，定子绕组最大电流有效值为11.98A，其对应电密为5.67A/ mm2。定子电密大约为三相交流负序电源供电时的2.5倍；经整流后转子输出电流波动很小。

4.4 定子电流特性

下面无刷励磁机特性计算都是在负序三相交流电源供电下进行的。

4.4.1 转子输出功率不变时

保持转子输出功率不变（80W），此时转子整流输出电流为4.5，对不同转速运行下的性能进行了计算，结果见表3。

表3 不同转速运行下电机参数计算结果

由表3计算结果可见，转子转速越低，即转差率越低，所需定子能量越大，定子电流越大。定子电流1随转速变化曲线如图10所示。

图10 定子电流随转速变化曲线I1=f(n)

4.4.2 转子输出功率变化时

转子输出功率变化时，保持电机转速不变（3000r/min），定子电流1与转子输出功率2之间的关系如图11。随着负荷增大，定子电流逐渐增大。

图11 定子电流随输出功率变化曲线I1=f(P2)

4.5 转矩特性

4.5.1 转子输出功率不变时

转子输出功率不变(80W)时，电磁转矩T与转子转速之间的关系如图12所示。随着转速增大，电磁转矩逐渐减小。

图12 电磁转矩随转速变化曲线Te=f(n)

4.5.2 转子输出功率变化时

图13 电磁转矩随输出功率变化曲线Te=f(P2)

转子输出功率变化时，保持电机转速不变（3000r/min），电磁转矩T与转子输出功率2之间的关系如图13所示。随着负荷增大，电磁转矩逐渐增大。

5 结论

本文针对新型混合励磁发电系统要求，对供给混合励磁发电机励磁的无刷励磁机进行了设计，同时对其性能进行了计算与分析。

本文无刷励磁机定、转子均采用三相绕组，其转子绕组感应的交流三相电动势，经过整流为混合励磁发电机提供励磁。通过电磁场有限元法获得无刷励磁机性能如下：

（1）采用三相交流负序电源定子电密比正序电源、单相交流电和直流电要小很多，可以降低定子绕组发热并降低电机成本。

（2）转子输出功率不变时，转速越低，所需定子能量越大，定子电流越大；转子输出功率变化时，随着负荷增大，定子电流逐渐增大。

（3）转子输出功率不变时，随着转速增大，电磁转矩逐渐减小；转子输出功率变化时，保持电机转速不变，随着负荷增大，电磁转矩逐渐增大。

本研究成果对掌握无刷励磁机运行特性及同类产品的开发具有重要作用。

[1] 陈世坤.电机设计[M]. 机械工业出版社, 1992.

[2] M. Machmoum. Steady-state analysis of a doubly-fed asynchronous machine supplied by a current-controlled cycloconverter in the rotor[J]. PIEE-B. 1992, 139(2): 114-122.

[3] 汤蕴璆, 史乃, 等. 电机学[M]. 西安交通大学出版社, 1993.

[4] 许善椿, 等. 交流励磁双馈发电机的原理、能量关系和应用[J]. 哈尔滨电工学院学报, 1995(1): 24-33.

[5] ALAN WALLACE etc. Rotor Modeling and development for Brushless Doubly-Fed Machines[J]. Electric Machinces&Power systems, 1995, 23(6):703-715.

[6] 黄文新，等.混合励磁永磁发电机及其设计[J].微特电机,1996(5):9-12.

[7] 张玮，等. 无刷双馈电机的电磁设计研究[J].浙江大学学报, 2000, 34(5):507-510.

[8] 杨顺昌. 无刷双馈电机的电磁设计特点[J].中国电机工程学报，2001，21(7): 107-110.

[9] 邓先明, 等. 无刷双馈电机工作原理及电磁设计[J].中国电机工程学报, 2003, 23(11): 126-132.

[10] 陈兴卫, 等. 同步电动机无刷励磁系统组成与设计[J]. 防爆电机, 2003(4): 21-24.

[11] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 机械工业出版社, 2004.

[12] 何东霞, 等. 无刷同步发电机交流励磁机电磁设计软件开发[J]. 电机技术, 2006(4):14-16.

[13] 何东霞，等. 无刷交流励磁机电磁设计软件开发及有限元分析[J]. 微特电机, 2006, 34(2):8-10.

[14] X Wang etc. Design of the Brushless Doubly-Fed (Induction) Machine[C]. IEEE International Electric Machines and Drives Conferences, 2007, 2:1508-1513.

[15] 张经纬，等. 无刷双馈电机等效电路及运行状态分析[J]. 微电机, 2009, 42(12):9-12.

[16] 张春莉, 孙玉田. 同步电动机用无刷励磁机电磁设计研究[J].大电机技术, 2013(6):1-4.

Performance Analysis of Brushless Exciter in a Novel Hybrid Excitation Power System

Zhang Chunli1, GONG Hailong1,2,WANG Liang1, ZHANG Yanzhu1, SONG Minhui1

（1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040,China;2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China）

A novel hybrid excitation power system is presented in this paper. It is consist of hybrid excitation generator, brushless exciter and rotating rectifier. The rotor of hybrid generator is made of permanent magnet (PM) and electro-exciting similar with the rotor of non-salient synchronous machine. The stator core of hybrid generator is divided into three parts, corresponding to the PM, electro-exciting and parts between them separately. Only brushless exciter in the system is analyzed. The structure of the exciter is similar with the wounded rotor induction machine, and the rotor windings are connected to the electro-exciting of the hybrid generator by the rectifier. The theory and performance of exciter are calculated using the finite element method (FEM), which include the type of power supply, stator current characteristics, and electromagnetic torque characteristics.

power generating system; brushless exciter；hybrid excitation generator；electromagnetic performance；finite element method(FEM)

TM301.4.+4

A

1000-3983(2017)04-0029-05

国家自然科学基金项目(51407040)

2017-01-24

张春莉（1975-），1997年毕业于哈尔滨工业大学微特电机及控制电器专业，主要从事电机电磁场的理论研究与分析工作，高级工程师。

宫海龙（1981-），2011年毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业，博士，目前主要从事永磁电机研发与设计，高级工程师。（通讯作者）