1、第29卷第24期中國電機工程學報 V ol.29 No.24 Aug. 25, 2009混合勵磁雙凸極發(fā)電機的電樞反應戴衛(wèi)力1,嚴仰光2(1.河海大學計算機及信息工程學院,江蘇省常州市 213022;2.南京航空航天大學自動化學院,江蘇省南京市 210016Armature Reaction in Hybrid Excitation Doubly Salient GeneratorDAI Wei-li1, YAN Yang-guang2(1. College of Computer & Information Engineering, Hohai University, Changzh

2、ou 213022, Jiangsu Province, China;2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT: The structure of the hybrid excitation doubly salient generator (HEDSG with a parallel magnetic circuit is introduced, and the

3、 relative mathematical model is built. Meantime, inductance, EMF, and the output DC voltage of HEDSG at different exciting currents are simulated with the Finite Element Analysis (FEA software-Ansoft. The solution procedure is that the parameters of the permanent magnetic part (PM and the electro-ma

4、gnetic part (EM are calculated respectively first,then a calculation is performed based on the results of PM and EM as well as HEDSG, and the open circuit characteristic curve. Armature reaction under load is analyzed in detail based on the no-load analysis. Flux linkage and EMF of PM and EM parts a

5、re caculated by Ansoft, An important conclusion is drew based on the armature action analysis that the HEDSG with a parallel magnetic circuit have three working stages dual generating stages, single generating stage, and generating/motoring stages. Moreover, the boundary conditions among three worki

6、ng stages are solved. In the end, the open circuit characteristic of HEDSG and the characters of armature reaction in HEDSG are summarized briefly.KEY WORDS: hybrid excitation; doubly salient machine; armature reaction; parallel structure; finite element analysis摘要:闡述混合勵磁雙凸極發(fā)電機(hybrid excitation dou

7、bly salient generator,HEDSG的結構,建立了并列結構HEDSG 的數學模型。利用有限元分析軟件Ansoft對電機永磁(electro-magnetic,PM和電勵磁(electro-magnetic,EM部分的電磁參數采用先分別計算、后疊加合成的分析方法, 對并列結構HEDSG空載時不同勵磁電流下的電感、電勢與發(fā)電機整流輸出電壓進行了仿真計算與分析,并結合實驗基金項目:國家自然科學基金項目(50337030。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50337030.得出了發(fā)電機

8、的空載特性。在此基礎上,通過對PM和EM 部分磁鏈和電勢的仿真計算,對發(fā)電機負載下的電樞反應進行了深入分析,從中得出了并列結構HEDSG具有PM與EM雙發(fā)電、單PM發(fā)電以及PM發(fā)電/EM電動這3種工作模態(tài),同時結合電樞反應分析求解了不同工作模態(tài)之間的邊界條件。最后,對并列結構HEDSG的空載特性以及電樞反應的特點進行了歸納總結。關鍵詞:混合勵磁;雙凸極電機;電樞反應;并列結構;有限元分析0 引言雙凸極永磁電機(doubly salient permanent magnet,DSPM由于結構簡單、控制方便、功率密度高等優(yōu)點1在電動車2-5、風力發(fā)電6-7等領域得以研究應用。但DSPM也存在不足:

9、弱磁調速困難,發(fā)電時磁場不可調節(jié),只能利用開關變換器進行穩(wěn)壓8。而電勵磁雙凸極電機(double salient electro- magnetic,DSEM卻調節(jié)磁場方便,常被應用于發(fā)電系統(tǒng)9-10及航空起動/發(fā)電系統(tǒng)11-14。但DSEM由于存在勵磁繞組使得系統(tǒng)的效率較低。為了結合2種電機的優(yōu)勢,研究人員提出了混合勵磁雙凸極電機(hybrid excitation doubly salient machine, HEDSM15-18。本文主要研究的是并列結構的混合勵磁雙凸極發(fā)電機的空載特性和電樞反應。1 發(fā)電機的結構與數學模型1.1 HEDSG的結構圖1為12/8極HEDSG的三維裝配圖與

10、截面圖?？梢钥闯?電機由兩部分組成,左邊為DSEM,電機殼體與定子疊片之間無間隙,在定子槽內安放的勵磁繞組對稱分布于電機圓周上;右邊為DSPM,62 中 國 電 機 工 程 學 報 第29卷在電機殼體和定子之間裝有4塊瓦形磁鋼。兩部分的定、轉子均為凸極齒槽結構,兩部分定子共用同一電樞繞組。電勵磁部分與永磁部分的定子極寬相同,但極高不同,為方便放置勵磁繞組,DSEM 的極高稍大。HEDSG 的轉子如圖1(a所示:電勵磁與永磁之間的疊片長度比例為10:6,其有效轉子軸長分別為100和60 mm 。轉子上無繞組,兩部分轉子極寬、極高相同,均為斜槽結構,斜槽機械角度為7.5°。EM 與PM

11、部分之間相隔一段距離,以阻止永磁磁場與電勵磁磁場間的相互匝鏈。機殼永磁定子電勵磁定子 電機轉子永磁磁鋼(a HEDSG 三維裝配圖bca+EM 部分bca+PM 部分磁鋼(b HEDSG 截面圖圖1 并列式混合勵磁雙凸極電機結構 Fig. 1 Structure of the HEDSG1.2 HEDSG 的數學模型由于HEDSG 在磁路上屬于并列結構,PM 與EM 部分的磁鏈基本不交鏈,因此,對HEDSG 的分析可通過對PM 和EM 兩部分分別進行計算,然后再進行相關參量的疊加。當HEDSG 電樞繞組通以負載電流時,永磁部分的磁鏈可表示為pm pm pm0=+L I (1 式中:pma pm

12、 pmb pmc =;aa ab ac pm ba bb ca ac cb cc L L L L L L L L L =L ;=I T a b c ,i i i ;T pm0pma0pmb0pmc0,=。式中:L pm 為PM 部分繞組電感;I 為繞組中的電流;pm0為各相繞組的永磁磁鏈。電勵磁部分的磁鏈除了與電樞電流有關,還與勵磁電流I f 相關,可表示為em em f f I =+L I L (2式中:L f =L af , L bf , L cf T ,為發(fā)電機各相繞組的勵磁電感;繞組電感矩陣L em 的表達式在形式上同L pm 相同;I 為繞組中的電流。當發(fā)電機轉子轉動后,發(fā)電機PM

13、與EM 部分的電樞繞組所匝鏈的磁鏈會發(fā)生變化,電樞繞組中就產生感應電勢,其表達式為pm em =±e e e (3 式中:pm pm pm d d 2d d 60n =e 、emem d d =e em d 2d 60n分別為PM 與EM 部分的電勢。其中,、n 分別為電機轉子的旋轉角速度和轉速,為電機轉子位置角。式(3中的±號表示當EM 部分磁鏈與PM 部分磁鏈方向相同時,HEDSG 的電勢為兩者相加;EM 部分磁鏈與PM 部分磁鏈方向相反時,HEDSG 的電勢則為兩者相減。由于HEDSG 的電樞繞組由PM 與EM 部分兩者共用,兩部分電樞繞組中的電流始終相同。因此,HE

14、DSG 的電感為永磁部分電感和電勵磁部分電感之和,可表示為pm em =+L L L (4HEDSG 的繞組端電壓為繞組電勢與發(fā)電機繞組電感、電阻壓降之差,即=u e LI IR (5 式中a b c 000000R R R =R ,R a 、R b 、R c 分別為HEDSG的a 、b 、c 相繞組的阻值。2 發(fā)電機空載分析HEDSG 在發(fā)電時根據定子極與轉子極的相對位置狀態(tài)的不同,可分為開關磁阻發(fā)電機(switched reluctance generator ,SRG發(fā)電方式、雙凸極電機(doubly salient generator ,DSG DSG1發(fā)電方式及DSG2發(fā)電方式19-

15、20。本文主要研究的是DSG2發(fā)電方式,即三相繞組后接三相橋式整流電路的情況。此時,發(fā)電機轉子極滑入和滑出定子極所在的相繞組均發(fā)電,其中空載轉速n =4 200 r/min 。由1.2節(jié)數學模型可知,HEDSG 的空載電勢、自感和互感可由PM 和EM 部分的值進行疊加得到。圖2是按照上述思想將PM 和EM 部分進行仿真所得數據進行疊加后的HEDSG 仿真波形。由波形可看出:由于EM 部分的電勢與勵磁電流的正負相關,因此,第24期戴衛(wèi)力等: 混合勵磁雙凸極發(fā)電機的電樞反應 63L i i /m H0.50.0 0.00 0.04 0.08 100 0 100 200 100/(° (a

16、 I f =4 AL i j /m He a , e a , e c /Vu o /V L cL aL bL abL acL cac 相a 相b 相L i i /m H 0.50.0 0.00 0.04 0.08 100 0100 150 75 00 20 40 60/(° (b I f =4 AL i j /m He a , e a , e c /V u o /VL cL aL bL abL acL caL cL aL bL i i /m H0.50.0 0.00 0.05 0.10 150 0150 250 125 00 20 40 60/(° (c I f =8 AL

17、 i j /m He a , e a , e c /V u o /V L cL aL bL abL acL cac 相b 相a 相L i i /m H0.50.0 0.00 0.04 0.08 60 060 120 60 00 20 40 60/(°(d I f =8 AL i j /m He a , e a , e c /V u o /V L cL aL bL abL ac L cac 相b 相a 相圖2 HEDSG 空載仿真波形(n =4 200 r/min Fig. 2 Simulation waveforms of HEDSG at no loadI f >0時,HED

18、SG 的電勢得到增強,I f <0時,HEDSG 的電勢被削弱;而HEDSG 的自感和互感卻與勵磁電流的正負無關,與勵磁電流為零相比,自感和互感都得到了增大。對于PM 部分而言,由于磁阻大、自感較小,因此,HEDSG 的自感主要取決于EM 部分,當定、轉子完全重合時,自感數值最大;但隨著勵磁電流的增大,EM 部分由于磁場飽和自感減小,PM 部分自感比例增加,因此,HEDSG 的自感逐漸呈鞍形。圖3為HEDSG 在DSG2發(fā)電方式下的空載電勢和輸出直流電壓波形。由于實際電機中EM 和PM 部分的轉子為分別壓裝,可能存在定位偏差,且為斜槽結構,因此,在相同條件下,發(fā)電機的三相電勢實際值要比仿

19、真數值小,且電勢正弦度相對較好。圖4為并列式HEDSG 在DSG2發(fā)電方式下的空載特性,與DSEG 不同的是:由于PM 部分的存在,其空載電勢在I f =0時并不為零。當勵磁電流增加時,輸出電壓隨著勵磁電流的增加而逐漸趨于飽t (200 s/格 (a I f =4 Au o (100 V /格u ou cu au bu a , u b , u c (40 A /格t (200 s/格 (b I f =4 Au o (100 V /格u o u cu au bu a , u b , u c (20 V /格t (200 s/格 (c I f =8 Au o (100 V /格u o u cu a

20、u bu a , u b , u c (40 V /格64中 國 電 機 工 程 學 報 第29卷 t (200 s/格 (d I f =8 Au o (100 V /格u ou cu au bu a , u b , u c (20 V /格 圖3 HEDSG 空載實驗波形Fig. 3 Experimental Waveforms of HEDSG at no loadu o /V 160 0 16 80 8 16 I f /A圖4 HEDSG 空載特性Fig. 4 Output Character of HEDSG at no load和;而I f 負向增加時,輸出電壓隨勵磁電流的增加而迅速

21、減小。發(fā)電機空載特性為一、二象限工作。 3 發(fā)電機的電樞反應分析 同前分析HEDSG 的電樞反應也可分為PM 和EM 兩部分考慮。對于PM 部分,與DSEM 的電樞反應相同,SRG 發(fā)電方式下為增磁效應13;DSG1發(fā)電方式下為去磁效應;當工作在DSG2發(fā)電方式時,發(fā)電機為兩相導通工作(若不考慮換相過程,如圖1(b所示:當b 相處于轉子極滑出狀態(tài)時(SRG 發(fā)電方式,c 相則處于轉子極滑入狀態(tài)(DSG1發(fā)電方式;相應的電樞反應b 相為增磁,c 相為去磁,如圖5(a中t =19.6 ms 時刻的磁鏈。為了更清晰地認識DSG2發(fā)電方式下HEDSG 的電樞反應,可通過有限元仿真計算來進行分析。 圖5

22、為HEDSG 在DSG2發(fā)電方式,不同負載下的電樞磁鏈仿真波形。圖5(a為PM 部分的仿真波形?？梢钥闯?PM 部分各相仿真磁鏈值在時間區(qū)域19.419.6 ms 內,b 相為增磁,c 相為去磁,且去磁量大于增磁量。因此,發(fā)電機PM 部分整體表現為去磁作用。圖5(b(d為不同勵磁電流下,EM/W b 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6t /msa (I o =0 A a (I o =50 A b (I o =0 A b (I o =50 A c (I o =0 A c (I o =50 Ae /Vt /ms1002010020 e a (I o =0 Ae a (I o =50

23、Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(a PM 部分/W bt /msa (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o =50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /Vt /ms701050e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(b EM 部分(I f =10 A/Wbt /msa (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o

24、=50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /V18.018.418.8 19.2 19.6t /ms501070 e a (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(c EM 部分(I f =5 A/W bt /ms0.0250.0050.0150.025a (I o =0 Aa (I o =50 Ab (I o =0 Ab (I o =50 Ac (I o =0 Ac (I o =50 Ae /V18.018.418.8 19.2 19.6t /ms80080 e a

25、 (I o =0 Ae a (I o =50 Ae b (I o =0 Ae b (I o =50 Ae c (I o =0 Ac (I o =50 A(d EM 部分(I f =5 A圖5 HEDSG 在DSG2下的電樞反應波形 Fig. 5 Flux and EMF Waveforms ofHEDSG in DSG2 mode第24期 戴衛(wèi)力等: 混合勵磁雙凸極發(fā)電機的電樞反應 65 部分的磁鏈、電勢仿真波形。當I f >0時,勵磁磁勢F f 與轉子極滑出定子極所在相的電樞磁勢F b(c同向,而與轉子極滑入定子極所在相的電樞磁勢反向。因此,當I f >0時,轉子極滑出定子極所在

26、相的電樞反應表現為增磁;而轉子極滑入定子極所在相的電樞反應表現為去磁,見圖5(b中19.419.6 ms 內的b 相和c 相?？梢钥闯?同一時刻下,加50 A 負載后,在I f =10 A 時,c 相磁鏈減小的幅度大于b 相磁鏈增加的幅度,因此,發(fā)電機磁路飽和時,總的電樞反應還是去磁。作為特例,當I f 開始小于5 A 、I o =50 A 時,F f 開始小于F b(c(電機勵磁繞組匝數N f =240,電樞繞組匝數N b(c=24。如圖6(a所示,對于c 相而言,氣隙磁場開始反向,與電樞磁勢方向一致。當I f = 5 A 、I o =50 A 時,c 相的磁鏈值減小至零,如圖5(c所示。同

27、理,當I f =5 A 、I o =50 A 時,b 相的磁鏈值負向減小至零,如圖5(d所示,且輸出電壓e b e c <0,EM 部分工作在電動狀態(tài)。在I f =±5 A 時,總有一相磁鏈接近于零,相電勢為零,EM 部分由兩相串聯發(fā)電退化為單相發(fā)電。相對于空載,發(fā)電機加載后的電勢總體來說是減小的。因此,對于HEDSG 而言,DSG2發(fā)電方式下,電樞反應總體呈現去磁作用,如圖5(c、(d所示。當I f =0時,整個EM 部分只受電樞磁勢的作用,基本上不發(fā)電,HEDSG 僅靠PM 部分發(fā)電,發(fā)電機工作在單發(fā)電狀態(tài)。因此,由前面分析可知:由于HEDSG 既有PM 部分,又有EM 部

28、分,在發(fā)電運行時,PM 部分始終處于發(fā)電狀態(tài),與HEDSG 的發(fā)電方式無關;而EM 部分卻會隨著電樞磁勢F b(c和F f 之間關系的變化而呈現不同的工作狀態(tài),既有發(fā)電狀態(tài)也有電動狀態(tài)。根據PM 和EM 部分所處狀態(tài)的不同可將HEDSG 的工作狀態(tài)分為雙發(fā)電模態(tài)、單發(fā)電模態(tài)和發(fā)電/電動模態(tài)。雙發(fā)電模態(tài)為PM 與EM 都處于發(fā)電狀態(tài);單發(fā)電模態(tài)為只有PM(a I f >0F fF fF fF fF b(cABC ABCABC A +(b I f <0F fF fF fF fF b(cABC ABCABC A +圖6 DSHEG 在EM 部分電樞反應示意圖Fig. 6 Armature action illustrating diagram of EM part部分處于發(fā)電狀態(tài),發(fā)電/電動模態(tài)為PM 部分處于發(fā)電狀態(tài),EM 部分處于電動狀態(tài)。在DSG2發(fā)電方式下,當I f >0時,HEDSG 工作在雙發(fā)電工作模態(tài);I f =0時,HEDSG 工作在單發(fā)電工作模態(tài);I f <0時,HEDSG 工作在發(fā)電/電動工作模態(tài)。根據以上分析可得出DSG2發(fā)電方式下的模態(tài)邊界示意圖,如圖7所示。I f圖7 HEDSG 在DSG2下的工作