寬范圍穩壓的組合轉子同步發電機
陽朝輝，黃守道，劉嬌
(湖南大學，湖南長沙410082)
摘要：研究了一種寬轉速范圍內穩壓的組合轉子同步發電機。該發電機的定子結構與普通發電機相同，轉子由起主發電用的永磁部分和調壓用的電勵磁部分組成，他們同軸安裝，共用同一套電樞繞組。電勵磁部分采用內勵磁無刷爪板結構，通過調節其勵磁電流來改變氣隙磁通大小，從而達到穩壓目的。對電機的結構特點、運行原理和電磁設計進行了分析。樣機實驗分析證明了該種電機在寬轉速變化范圍內穩壓性良好的特點。
關鍵詞：組合轉子；爪極結構；電勵磁部分；寬轉速范圍
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)08-0026—03
0前言
永磁同步發電機結構簡單、運行可靠，但電機制成后氣隙磁場無法調節。當轉速或負載變化時，發電機保持恒壓是比較困難的，對于穩定性要求較高的場合，必須采用電力電子變換器調壓、雙轉子或雙定子調壓等方法，這會增加成本，降低動態性能。本文研究的組合轉子發電機有效地解決永磁同步發電機調壓困難的難題，在寬轉速變化范圍內實現了電壓的穩定輸出。該發電機的定子與普通同步發電機定子結構相同，轉子由兩部分組成：永磁部分和輔助電勵磁部分。當轉速變化時，通過調節輔助電勵磁部分的磁場就可以調節輸出電壓，從而使發電機的輸出電壓保持恒定。
輔助電勵磁部分采用內勵磁爪極結構，與永磁體部分同軸安裝。兩個相互交錯咬合的法蘭盤將勵磁線圈產生的軸向磁通轉化為徑向磁通，實現了整個電機的無刷化。由于解決了永磁發電機電壓調節難的問題，這種組合轉子同步發電機能廣泛應用于各種不同的領域。
1發電機基本結構與原理
本文研究的組合轉子同步發電機是通過二極管不可控整流后給負載供電的，因此只需考慮轉速變化時穩定電壓大小的問題，其結構簡圖如圖1所示。定子結構與普通同步發電機相同，轉子由永磁段和電勵磁段組成。永磁部分采用切向槽楔式結構，電勵磁部分采用無刷爪極結構，從而實現整個電機的無刷化，提高了電機的可靠性。
當發電機在額定轉速下運行時，通過與發電機配套設計的數字勵磁調節器自動調節勵磁電流Ie，且使Ie=0，此時只有永磁部分發電，輸出額定電壓。當發電機在低速區運行時，調節勵磁電流大小，且使Ie>O，此時電勵磁部分產生的氣隙磁通與永磁部分產生的氣隙磁通同向，使得發電機氣隙總磁通增加，從而保證發電機輸出電壓穩定。這時整臺發電機可以看成是一臺永磁發電機與一臺電勵磁爪極發電機串聯發電，只是他們問的電壓串聯是在電樞繞組中的每根導條中實現的。當發電機運行在高速區時，調節Ie且使Ie<O，此時電勵磁部分產生的氣隙磁通與永磁部分產生的氣隙磁通方向相反，使得發電機氣隙總磁通減少，從而維持發電機輸出電壓恒定。這時仍然可把發電機分成兩部分來分析，永磁部分仍作發電機運行，但電勵磁部分作電動機運行。這時做發電機運行的永磁部分一方面給負載供電，另一方面給作電動機運行的電勵磁部分供電。而作電動機運行的電勵磁部分又反過來與外部輸入轉矩一起驅動永磁部分發電。
當電機在對稱負載下運行時，根據雙反應理論與疊加原理可寫出電壓平衡方程：
式中：E。——空載電動勢，
E0=4．44fNKdp(Φδ0m+Φδ0e)；
u——發電機輸出電壓；
R——電樞繞組電阻；
Id、Iq——電樞電流直軸與交軸分量；
Xad、Xaq——直軸、交軸電樞反應電抗；
X1、N——漏抗與每相串聯匝數；
Φδ0m——永磁部分提供的氣隙基波磁通；
Φδe——電勵磁部分提供的氣隙基波磁通。
從上述式子可以看出，當轉速變化時，調節電勵磁部分的磁通，就可維持輸出電壓的恒定。
2電磁設計
由上述分析可知：整臺電機可以看成是一臺永磁同步發電機與一臺電勵磁爪極發電機的串聯運行，設計時也可以把它分成兩臺電機來單獨設計。由于起主發電的是永磁部分，且在額定轉速時只有永磁部分發電，所以可先根據額定參數設計永磁部分，然后由已確定的定子結構和高、低速時穩壓所需補償電壓大小來設計電勵磁部分。
2．1永磁部分的設計
由于這類發電機要求在一定的轉速范圍內穩壓，而沒有固定的額定轉速。所以在設計時，可自行選擇額定轉速。發電機在此速度下運行時，只有永磁部分發電且輸出額定電壓和額定功率。當轉速降低時，電勵磁部分發電進行補償，維持發電機端電壓不變。同理，在高于額定轉速時，改變勵磁電流方向與大小，電勵磁部分產生負電壓，使發電機總的輸出電壓保持穩定。
為了使發電機在整個轉速范圍內維持輸出電壓穩定，并在****轉速與****轉速時****化地利用電勵磁部分的補償能力，我們必須合理選擇額定轉速。假設整個轉速范圍內發電機提供額定功率，可由下面推導確定額定轉速：
式中：E1e、E2e——電勵磁部分在****轉速、****轉速時的空載電動勢；
n1、n2——****轉速與****轉速；
EoN——永磁部分的額定空載電勢；
nx——所選額定轉速。
選擇好了額定轉速后，可按磁路法對永磁部分進行設計。在整個設計過程中，交軸電樞反應電抗的求取比較困難，但它的計算準確程度直接關系到負載計算過程的正確與否。在具有切向轉子結構的永磁發電機的設計中，由于永磁體的磁阻很大，交軸電樞反應磁通主要經極靴閉合，交軸電樞反應的作用與電勵磁同步發電機基本相同，因而可采用電勵磁同步發電機的公式來近似估算Xaq：
式中：Fa——每極電樞磁動勢；
Kaq——交軸電樞磁動勢折算系數；
Fδ——空載每極氣隙磁壓降；
IN——額定電流。
考慮交軸磁路飽和的影響，任意轉速下永磁部分在額定負載時的輸出電壓可采用如圖2所示的循
環迭代的方法求解：
采用上述循環迭代方法求得的電樞反應電抗與輸出電壓接近實驗值。
2．2電勵磁部分的設計
輔助電勵磁部分的轉子采用無刷爪極式結構，如圖3所示。爪極式轉子由前爪和后爪組成，它們的爪數相等，為電機極數的一半，并且互相錯開，沿圓周均勻分布，兩個爪之間通過非導磁材料相連，固定在轉子上。在兩塊爪極的空腔內裝有磁軛，其上套有電勵磁繞組，當有電流通過時，產生軸向磁通，使得一塊爪極被磁化為N極，另一塊被磁化為s極,形成極性相異、相互錯開的多極轉子。
輔助電勵磁部分磁路的計算方法和一般的電勵磁電機磁路計算基本相同，都是以等值磁路圖為基礎的。通過分析電勵磁部分定、轉子結構的磁場分布，建立了如圖4所示的磁路分析模型的等值磁路圖。其中，FM為電勵磁線圈產生的磁動勢；Gδ4、Gδ2為內附加氣隙與外附加氣隙磁導；Gc為爪極磁導；G。為主氣隙磁導；G。、G．為定子齒與定子軛磁導；Gf為法蘭盤每極磁導；Gn為爪極轉子心柱磁導；Φsc為爪極總漏磁通，Gsc是與Φsc對應的漏磁導；ΦM為勵磁線圈產生的每極總磁通；Φm為交鏈定子繞組的磁通。
根據電勵磁部分所需提供的****補償電壓求出每極氣隙磁通，然后根據等值磁路圖求出電勵磁線圈應產生的磁動勢Fm,又:
先確定勵磁匝數Ⅳ，由式(4)估算所需勵磁電流If值，然后由式(5)可得外加直流勵磁電源電壓應不小于If。
3實驗結果分析
本文設計了一臺30 kw的樣機，額定電壓為230 V，穩壓范圍為2000 r／min～6000r／min。采用六相雙Y移30。繞組，選定額定轉速為3000r／min。當負載為額定負載時，改變發電機轉速，調節電勵磁部分的勵磁電流，得到的實驗結果如圖5所示。
從圖5可見，通過改變輔助電勵磁的勵磁電流的大小和方向，能夠有效地控制氣隙磁場的大小，從而使發電機在寬轉速變化范圍內維持輸出電壓基本恒定。
4結語
本文設計的組合轉子永磁同步發電機既具有結構簡單、功率密度高、運行可靠等特點，還能方便地調節氣隙磁通大小，從而具有寬范圍內穩壓的功能。轉子結構中的輔助電勵磁部分采用無刷爪極式結構，實現了整個電機的無刷化，提高了發電機的運行可靠性，這種組合轉子永磁同步發電機在車載電源和移動電站等諸多領域具有很好的發展與應用前景。
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