（电力电子与电力传动专业论文）组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究.pdf

组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 a b s t r a c t t h er o t a t i n gr e c t i f i e rb r u s h l e s sg e n e r a t o r ，ak i n do fe l e c t r i c a lm a g n e t i c s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，i sw i d e l yu s e di na i r c r a f tp o w e rs y s t e ma tp r e s e n t h o w e v e r ，t h i sk i n do fg e n e r a t o rh a sd i s a d v a n t a g e si ni t ss o m e w h a tc o m p l e x s t r u c t u r e i t sr e l i a b i l i t yi st h e r e f o r ea f f e c t e d m e a n w h i l e ，t h ea p p l i c a t i o n o ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，w h i c hi ss i m p l ei ns t r u c t u r e ， h i g hi ne f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ，i s1 i m i t e db yt h ed i f f i c u l t yt oa d j u s t it so u t p u tv o l t a g e h y b r i d e x c i t a t i o nr a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ， ( s i m p l i f i e da sh e s g ) ，c a nr e g u l a t et h eo u t p u tv o l t a g e o u rr e s e a r c hp r o j e c t a i m sa tt h ed e v e l o p m e n to ft h i sh y b r i de x c i t e dg e n e r a t o ri nc h i n aa n d t h e p o s s i b i l i t yo fi t sa p p l i c a t i o ni nt h ea i r c r a f tp o w e rs y s t e m f i r s t l y ，t h e s t r u c t u r ea n dt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co fh e s ga r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fh e s gi sp r e s e n t e da f t e r w a r d s t h ev o l t a g ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sf u l l yd i s c u s s e da n dt h er u l eo ft h ei n f l u e n c e o ft h ep e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ev o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c i sq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e d i nt h i sp a p e rt h ep r o b l e mh a sb e e ns o l v e dt o m a k et h ei n h e r e n tv o l t a g er e g u l a t i o nq u a n t i f i c a t i o n a l l yc o n t r o l l a b l ei nt h e g e n e r a t o rd e s i g n am e t h o dh a sa l s ob e e nf o u n dt or e d u c et h ei n h e r e n tv o lr a g e r e g u l a t i o na n dap r o t o t y p eg e n e r a t o rh a sb e e nm a d e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h ec a l c u l a t i o n sa n dt h et e s t so ft w o p r o t o t y p e h e s g ss h o w e dt h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e li nt h i sp a p e ri sr e l i a b l ea sw e l la sp r a c t i c a l an e wm e t h o d ，w i t har e l e v a n t p r o g r a mw r i t t e n i na na d v a n c e dp r o g r a m l a n g u a g em a t l a b ，h a s b e e n b r o u g h t f o r w a r da n du s e di nt h e d e s i g n a n d c a l c u l a t i o no ft h eh e s gm e r i t i o n e di nt h i sp a p e r t h em e t h o di ss h o w e dr e li a b l e w i t ht h et e s tv e r i f i c a t i o no ft h ep r o t o t y p eh e s ga n dt h em e t h o di sa 1s o a d e q u a t e f o r t h e d e s i g n o far a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r w i t ht h er e l i a b l em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h r o u g ht h ee x a m p i ec a l c u l a t i o n o fs o m eg e n e r a t o r s ，t h ec o m p a r i s o no ft h eh e s gw i t ht h er o t a t i n gr e c t i f i e r b r u s h l e s sg e n e r a t o rh a sb e e nm a d et oa n a l y z et h ep r o s p e c t so ft h eh e s gu s e d i na i r c r a f tp o w e rs y s t e m t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ek i n do fh e s gh a so b v i o u s a d v a n t a g e si nt h ea s p e c to fe f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yi nt h ec o n s t a n ts p e e d i i 妻室堕窒塾丕查兰竖圭堂焦笙奎 a n dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( c s c f ) a i r c r a f tp o w e rs y s t e m h o w e v e r ，i t sv o l u m ei s b i g g e rt h a nt h er o t a t i n gr e c t i f i e r b r u s h l e s sg e n e r a t o ri ft h eo v e r l o a df a c t o r i sc o n s i d e r e d t h i sk i n do fh e s gi su n a b l et or e a l i s et h ev o l t a g er e g u l a t i o n i nt h ev a r i a b l es p e e da n dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( v s c f ) a i r c r a f tp o w e rs y s t e m m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a li sa l s ot h em a i n f a c t o rt oo b s t r u c tt h ea p p l i c a t i o no ft h eh e s gi na i r c r a f tp o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e te l e c t r i cm a c h i n e ，p e r m a n e n tm a g n e ta l t e r n a t o r ( o r g e n e r a t o r ) ，e x c i t a t i o n ，h y b r i de x c i t a t i o n ，r a r e e a r t h p e r m a n e n tm a g n e t ， s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c ，i n h e r e n tv o l r a g er e g u l a t i o n ， a i r c r a f tp o w e rs y s t e m i j i 南京航空航天大学博士学位论文 第l 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等构成。 现代飞机主电源是直接或间接由航空发动机传动的发电机组成的发电系统，一台 航空发动机通常可传动一台或两台发电机。现代飞机主电源主要有低压直流电源、恒 频交流电源和混合电源三种，恒频交流电源又分恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y ，c s c f ) 交流电源和变速恒频( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y v s c f ) 交流电源两种。而待发展和完善的则还有高压直流( h i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ，h v d c ) 电源和高频环节交流电源。 随着科学技术的发展，飞机自动操纵、自动控制和性能的不断提高，对飞机电源 质量的要求越来越高。目前，许多大、中型飞机甚至小型飞机和无人飞机，均对电源 装置提出了简、轻、小、优供电电源的要求。而研究运行可靠、体积小、重量轻、效 率高、结构简单、可靠性高以及控制方便的飞机无刷恒压发电机，已成为现代飞机电 源的发展方向。 目前，在恒频交流电源系统中，已广泛采用由电励磁主发电机、交流励磁机、永 磁副励磁机和旋转整流器组成的三级无刷交流同步发电机，这种旋转整流器式无刷交 流发电机是一种电励磁同步发电机( e l e c t r i c a le x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 简称e e s g ) ，其好处是实现了无刷结构，另一方面，由于可以方便地通过调节直流电 流来调节发电机的磁场，故有励磁调节方便的优点，且调节磁场的直流励磁容量较小， 因此在磁场调节方面电励磁同步发电机具有永磁同步发电机达不到的优势。 自5 0 年代发明以来，无刷交流同步发电机得到了不断的发展和完善。但它也有 不足之处，由于它由三级电机组成并存在旋转整流器，故结构较复杂，导致可靠性降 低，另外由于励磁损耗造成了效率降低，且难以实现飞机电源系统所希望的起动发 电双功能等。 稀土永磁电机由于是永久磁钢励磁，可以方便地实现无刷化设计，且没有励磁损 耗，因此效率高于其它电励磁电机，此外它具有结构简单、可靠性高等一系列独特的 优点，从而在许多工业领域得到了应用。 稀土永磁体，尤其是8 0 年代第三代稀土钕铁硼( n d f e b ) 的问世，导致了永磁电机 的迅速发展，使稀土永磁电机得到了越来越多的应用。发电机在运行中为了保持电压 不变，需要进行电压调节，对于永磁发电机来说，转速的变化或负载电流的变化会造 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 成输出电压的波动，但由于永磁电机的气隙磁场是由磁钢和磁路磁导决定的，调节气 隙磁场困难，因此电压调节困难，从而阻碍了永磁发电机的发展和应用。 如果一种发电机能同时具有永磁发电机和电励磁发电机的优点，则它应该具有广 阔的应用前景。本论文提出了一种新型永磁同步发电机的方案，这种发电机气隙磁场 包括两部分：主要部分由稀土磁钢建立，称为永磁主发电机部分；电压调节所需要的 磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现，称为辅发电机或辅助电励磁部分，两部分 共有一套电枢绕组，电励磁磁场和永磁磁场的磁路基本上是独立的。这种结构的发电 机，我们称为组合励磁稀土永磁同步发电机( h y b r i de x c i t a t i o nr a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，简称h e s g ) 。它具有以下特点： ( 1 ) 实现了无刷化，免维护； ( 2 ) 辅助电励磁部分的损耗小，具有永磁发电机的高效率特点。 ( 3 ) 可以进行电压调节，解决了永磁发电机电压调节难的问题。 由于组合励磁稀土永磁同步发电机同时具有了永磁发电机和电励磁发电机的优 点，因此它具有推广应用的价值，本课题的研究对永磁发电机应用于移动电源系统是 有意义的。 本课题的目的就是在我国开发这种新型发电机，研究它的合理结构、性能、数学 模型和设计方法，并研究分析其用到飞机电源系统中去的可能性。 1 2 国内外研究进展情况 我们对组合励磁( 或混合励磁) 永磁发电机进行了文献检索，根据对美国工程索 引( e 1 ) 数据库、英国科学文摘( s a ) 数据库( i n s p e c ) 和中国期刊网( c n k i ) 数据 库以及中国航空航天数据库等光盘或网上的检索可知，国际国内对永磁发电机中加入 电励磁绕组调节磁场的这一类新型发电机的研究很少。根据我们目前掌握的资料，俄 罗斯和日本有这类发电机 的研究报道，在俄罗斯这 种发电机已经形成小功率 ( 至4 0 k w ) 系列，在民用移 动电源方面获得应用。 从资料上看，俄罗斯 和日本的这种发电机大都 采用永磁磁场和电励磁磁 场偶合的形式来进行磁场 调节，发电机结构比较复 杂。我们把这种磁场偶合 2 r 褫裔 图1 1 俄罗斯磁场偶合式永磁发电机的结构示意简圈 l 一转轴2 一n 极3 一导磁支架4 s 极 5 一励磁绕组6 一定子铁芯7 一磁钢8 一非磁性材料9 一极靴 l o 一转子磁轭6 l 、62 一附加气隙 南京航空航天大学博士学位论文 式的发电机暂且称为混合励磁永磁发电机，这种发电机的工作机理是采用调节电励磁 绕组的电流以改变整个气隙磁场的大小，从而达到调节发电机电压的目的。图1 1 是俄罗斯的混合励磁永磁发电机的一种结构示意简图。 目前还没有检索到日本在应用方面的报道，仅有的资料阪蚓表明日本m e i d e n s h a 公司的研究小组在t a k a y u k im i z u n o 博士的带领下，研制了一种混合励磁永磁同步发 电机，这种发电机同样采用永磁磁场 和电励磁磁场偶合的结构，定子结构 基本上和电励磁发电机相同，但分成 两半，电励磁绕组安放在两半定子中 间，如图1 2 所示，转子上的磁极也 分成两半，有一半磁极是永磁体，另 一半是导磁铁芯，如图1 3 所示。 从国外资料介绍的情况看，混合 励磁永磁发电机由于采用了磁场偶 合的结构，用调节总磁场的方法来调 节电压，其磁路结构比较复杂，如果 考虑用这种发电机在飞机电源系统 中替代电励磁发电机，则永磁电机结 构简单的优势将得不到充分发挥。 国内对这种新型发电机的开发 和研究尚未引起注意，从检索情况 看，目前除了南京航空航天大学外， 沈阳工业大学也在研究【文献6 8 1 ，沈阳工 业大学研究的电机结构和日本的混 合式永磁发电机基本相同。 本课题提出了一种新的将永磁 主磁场和电励磁辅助磁场分开的结 构型式，即组合励磁稀土永磁同步发 图1 2 混合励磁永磁发电机剖面结构简图 图1 3 混合励磁永磁发电机转子结构简图 电机( h e s g ) ，并已研制加工过两台1 5 k v a 容量的这种发电机样机，样机结构请参见 下一章的2 2 节。h e s g 由永磁主发电机部分和辅助电励磁部分组成，我们的两台样 机采用了主磁路独立式的结构，即将发电机分成两部分，以稀土永磁磁场为主和电励 磁磁场为辅，两部分共有一个电枢绕组，辅助电励磁部分的作用是稳定电压，调节电 压的工作机理是通过单独调节电励磁部分的磁场来改变电励磁部分电枢绕组的感应 电势，从而改变整个电枢绕组电压，最后达到稳定输出电压的目的。h e s g 的结构比 较简单，也易于设计计算。 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 本论文建立了h e s g 的数学计算模型，对样机进行了设计计算和加工，并对样机 作了实验验证，在验证数学模型可靠的基础上，将这种发电机与飞机电源系统中现有 的电励磁发电机作了比较，分析了其应用于飞机电源系统的可能性。 1 3论文的研究过程 稀土永磁体具有很高的矫顽力，因此电机气隙可以取大，且永磁体充磁方向可以 做簿，便于构成新型磁路，目前国内外对稀土永磁电机的结构研究，主要集中在转子 结构方面，采用的磁路结构多样化，其目的主要是追求最大限度地利用稀土永磁材料， 提高功率密度和效率，改善运行性能。 我们采用了主磁路互相独立的组合励磁方式来对h e s g 进行研究。这种发电机结 构由于辅助电励磁部分主磁路和永磁主发电机部分主磁路是独立的，因此便于单独对 永磁发电机的转子结构进行研究，找出永磁发电机转子结构参数与其性能参数之间的 关系规律，从而可以利用永磁电机磁路结构多样化的特点，有效地调控发电机的性能 参数，设计出性能指标较高的组合励磁发电机。 要研究和开发组合励磁稀土永磁同步发电机，研究其在飞机电源系统中应用的可 能性，在缺少资料的情况下，有必要先建立起组合励磁稀土永磁同步发电机的数学模 型，即首先必须研究出一套可靠实用的组合励磁稀土永磁同步发电机的设计分析软 件，这套软件应具有两个基本的功能，一是对于给定的设计方案，即已知发电机的结 构和材料特性，软件能以工程上允许的精度计算出发电机的各项技术性能指标和经济 指标；二是对于给定的技术要求，能生成发电机电磁设计的初始方案和符合技术要求 的较合理的方案。其次，研制出的软件必须经过样机的实验验证，以保证数学模型的 正确和可靠，因此，需要设计加工供实验用的样机。 本论文围绕h e s g 在飞机电源系统中应用的可能性分析这个中心，完成了h e s g 的数学建模和软件编制工作。重点研究了h e s g 外特性和电压变化率与性能参数和结 构参数的关系规律，研究了可以定量调控永磁同步发电机电压变化率的设计方法并开 发了相应的软件。通过对已有样机实例的验证，保证了数学模型和软件的正确可靠。 结合本课题前面的工作成果，本文对一台已有的h e s g 样机进行了改进设计：保 持原样机的定子结构不变，改变了电枢绕组和转子部分的结构参数，设计并加工出了 一台新样机，对新样机进行了实验，验证结果表明本文对发电机电压变化率定量调控 的分析以及相应的数学模型和设计计算软件是正确可靠的，可以定量调控外特性的方 法对设计出满足电压调节要求的h e s g 也是非常重要的。 最后，用可靠的数学计算模型，设计出和目前飞机电源系统上电励磁发电机同样 容量的组合励磁发电机方案，通过方案的比较，说明组合励磁发电机在飞机电源系统 上应用的可行性，完成了h e s g 在飞机电源系统上应用可能性的分析研究。 4 南京航空航天大学博士学位论文 第2 章组合励磁稀土永磁同步发电机的基本原理 及数学计算模型 2 1概述 组合励磁稀土永磁同步发电机( h e s g ) 是一种同时具有永磁发电机和电励磁发电 机特点的新型发电机，它主要由两部分组成，其中主发电机部分和一般的永磁发电机 相同，气隙磁场由永久磁钢建立；另一部分为辅助电励磁( 或辅发电机) 部分，起电 压调节的作用，其气隙磁场的建立由电励磁绕组来实现。因此，组合励磁永磁发电机 既具有永磁发电机无刷、效率高、结构简单和可靠性高等优点，又具有电励磁发电机 电压调节方便的优点。 本章除阐述这种发电机的结构、基本原理和基本特性外，还将提出这种发电机的 数学分析模型，为后面对它的设计研究打下基础。 2 2 基本结构 h e s g 的结构简图如图2 1 所示，永磁主发电机部分和辅助电励磁部分共有一个电 枢绕组，电枢绕组感应电势有两个部分，分别由永磁磁场和电励磁磁场感应产生，相 应的励磁磁势分别为：主发电机部分是永久磁钢产生的磁势，调节电压所需的辅助磁 场靠辅助电励磁绕组产生的磁势来建立，两部分磁势基本上单独地作用于各自的磁 路，形成各自的气隙磁场。 h e s g 的定子结构和传统的电励磁发电机定子结构相同，主发电机的转子结构和普 通的永磁同步发电机结构相同。 土! 三三= ；：! ： 1电励磁主磁通路径r 一一u 一j 一 图2 1 组合励磁稀土永磁同步发电机的结构简图 卜转轴2 一非导磁隔板3 一励磁绕组支架 4 一励磁绕组5 一水平磁极6 一导磁轴套7 一垂直 8 一定子铁芯9 一隔磁板1 0 一磁钢l l 一转子铁 黪 r 1 卜再 _ 至 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 辅助电励磁部分的主要零部件为图2 1 的2 7 。 图2 2 为电励磁绕组支架部分的实物 照片，左边为电励磁绕组支架和电励磁绕 组部分，包括图2 1 中支架3 和励磁绕组4 。 支架的内圆筒通过气隙和转子轴配合， 支架底部通过非导磁隔板固定在定子端盖 上，支架外圆筒通过气隙和水平磁极配合， 励磁绕组则安放在内外圆筒之间的空间 里。 支架材料为导磁材料，如1 0 号钢，支 图2 2 电励磁绕组支架部分 架的作用是构成电励磁的一部分磁路和固定励磁绕组，励磁绕组材料为普通的电磁 线。 励磁绕组电源来自主发电机电枢绕组，经过电压调节电路，使励磁绕组中的电流 随主发电机端电压的改变而变化，达到调节电励磁磁场的大小和方向的作用。 图2 2 右边为非导磁隔板2 ，由硬铝材料制成，其作用是将电励磁部分固定在定 子上。 图2 3 为转子实物照片( 图中非导磁隔板和励磁绕组部分固定在定子上) ，其中 的圆筒水平磁极一端为圆筒形状，另一端为极弧系数和主发电机相同的水平磁极，来 自电励磁支架部分的磁通先轴向经过圆筒水平磁极，再径向经过气隙进入定子铁芯。 图2 3 转子实物照片 垂直磁极构成径向磁路，其极弧系数和水平磁极相同，且都是同一种导磁材料， 如1 0 号钢。 水平磁极和垂直磁极是电励磁磁路的一部分，构成辅助电励磁部分的磁极，两种 磁极都通过一块非导磁的连接板与主发电机转子固定在一起。 辅助电励磁部分的主磁通路径包含轴向磁路和径向磁路两部分，图2 1 中的轴向 和径向剖面图中示意了主磁通中的路径，具体如下： 南京航空航天大学博士学位论文 励磁绕组内圆筒( 轴向) _ 励磁绕组底部( 径向) _ 励磁绕组外圆筒( 轴向) 哼 气隙( 径向) 专水平磁极( 轴向) 斗气隙( 径向) 哼定子铁芯齿部( 径向) 哼定子铁 芯轭部( 径向) 斗定子铁芯齿部( 径向) _ 气隙( 径向) 寸垂直磁极( 径向) 一导磁 轴套( 轴向) _ 气隙( 径向) - - 9 励磁绕组内圆筒。 辅助电励磁部分将整个电励磁绕组支架固定在定子上，通过两个附加气隙的磁路 安排，实现了电励磁部分的无刷结构。由于主发电机部分是永久磁钢励磁，因此，整 个组合励磁永磁同步发电机是无刷的。 与国外介绍的磁场偶合式混合励磁永磁发电机比较，上述结构有如下的特点： ( 1 ) 主发电机部分和辅助电励磁部分共用一个定子绕组，但在磁路上两部分基 本上是独立的。 ( 2 ) 永磁主发电机部分的转子结构可以采用常见的结构，也可以采用新型的结 构，通过改变转子结构改善发电机性能的灵活性较大。 ( 3 ) 由于主发电机部分和辅助电励磁部分的磁路基本上独立，简化了设计计算 的数学模型。 2 3空载运行 2 3 1 空载电动势 组合励磁稀土永磁同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，定子绕组开路时称 为空载运行。空载运行时，电机气隙中的磁场由主发电机部分的永磁磁动势和辅发电 机部分的电励磁磁动势共同产生。定子绕组可以看成由两部分组成：一部分是主发电 机定子绕组：一部分是辅发电机定子绕组。根据前面介绍的结构安排，由于主发电机 部分和辅发电机部分转子磁极的轴线重舍，极弧系数相同，所以空载时由永磁磁动势 和电励磁磁动势分别产生的两部分定子绕组感应电动势没有相差，在数量上是代数相 加的关系，即定子绕组的总的空载感应电势为主发电机部分和辅发电机部分定子感应 电势的代数和。即有 e o = 巳o + e ( 2 - 1 ) 式中e o 为总的空载电动势，e 。o 为主发电机部分的空载电动势，e 。0 为辅发电机 部分的空载电动势。 2 3 2 漏磁导 分析表明，主发电机部分和辅发电机部分存在轴向的漏磁，正向励磁时，主辅两 部分相邻的磁极为同极性，由于磁场同性相斥的缘故，轴向漏磁的影响较小；反向励 7 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 磁时，主辅两部分相邻的磁极为异极性，磁场异性相吸，轴向漏磁的影响较大，结果 会使正负励磁对应的空载感应电动势出现不对称的现象，由于轴向漏磁，主辅发电机 部分的磁路就相互关联了，因此在计算空载电动势时，应该将两部分磁路统一考虑。 2 3 2 1轴向漏磁导 如图2 4 所示，主辅发电机之间的轴向漏磁导主 要包括两部分，其一是对应相邻磁极间漏磁中。的气 隙漏磁导g 。s ：其二是对应相邻转子轴部分漏磁巾。： 的轴漏磁导g 根据磁导的定义，有 g = g 以= ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 式中，a 。a 。分别为气隙漏磁导和轴漏磁 导的计算面积；6 。为主辅发电机部分的隔磁板 厚度；u f e 为轴材料的磁导率；k 。l 、k 畦为漏磁 计算系数，是考虑未计及的漏磁及其它误差而引 入的，本文在1 0 1 1 0 5 范围取值。 样机轴的材料是4 5 号钢，虽然导磁性能差， 但比非导磁的隔磁板磁导率大得多，故这部分的 漏磁导g 。：要远远大于气隙漏磁导g 。e 。 2 3 2 2辅助电励磁部分的漏磁导 辅助电励磁部分的漏磁导主要有三个： ( 1 ) 磁极侧面的漏磁导g c 。l 3 4 5 图2 4轴向漏磁示意图 】一定子铁心2 一电励磁磁极 3 一磁钢4 一隔磁板5 一轴 图2 5 水平磁极和垂直磁极间的漏磁 】一水平磁极2 一垂直磁极 如图2 5 所示，这部分磁导对应辅助电励磁水平磁极和垂直磁极侧面漏磁通中。l ， 磁导g 。l 的计算公式如下： e 。l = 胁- d l e o 1 ( 2 4 ) l p 口i 式中，氏。l 为侧面计算面积；。为平均漏磁计算长度。 ( 2 ) 水平磁极圆筒部分和垂直磁极轴向端面的漏磁导g 。2 如图2 5 所示，这部分磁导对应辅助电励磁水平磁极圆筒部分和垂直磁极轴向端 面漏磁通o 。2 ，磁导g 。2 的计算公式如下： q 。2 = 1 t o 孚堕 ( 2 - 5 ) l e e r 2 式中，a 。2 为端面计算面积：o 。为两部分轴向端面的间隙长度。 k一以如一 = 呈 如 缸 伽 南京航空航天大学博士学位论文 ( 3 ) 励磁绕组支架的漏磁 励磁绕组支架的漏磁比较复杂，是三维磁场，图2 6 为其中的一个部分，要准确 计算这部分磁导需要采用三维电磁场的数值计算，考虑到这部分磁导数值不大，本文 采用估算的方法来处理，在前面两部分漏磁导基础上，乘一个经验系数k ，经过和 样机实测数据的比较，k 取值范围为1 0 5 1 3 。 辅助电励磁部分总的漏磁导g 。为： g 。= p x ( 2 g 。l + g e 。2 ) x k ， ( 2 - 6 ) 式中p 为极对数。 主发电机部分的漏磁导计算公式和一般的稀土 永磁同步发电机相同，请参见文献 1 、 2 和文献 3 中有关章节。 2 3 3 等效磁路模型图及计算方法 2 3 3 1等效磁路 图2 6 电励磁绕组支架漏磁示意 1 一外圆筒2 一内圆筒 考虑了轴向漏磁，主辅发电机部分在磁路上就有关联了，图2 7 是整个组合励磁 发电机的等效磁路模型简图。 图中，下标e 表示电励磁部分， 下标m 表示主发电机部分。g 。为 辅助电励磁部分的漏磁导；g 。l 为 辅助电励磁电枢部分主磁路的等 效磁导；g c 2 为辅助电励磁磁极、 励磁绕组支架等部分主磁路的等 效磁导：g 。o 为磁钢等效内磁导： g 。为主发电机部分等效漏磁导； g 。，为主发电机电枢部分主磁路的 等效磁导；g 。6 为等效轴向气隙漏磁 导；g 。：为等效轴漏磁导；f 。为电 图2 7 磁路计算模型 励磁等效磁势，c = ，n j ，i f 为电励磁电流，n f 为电励磁绕组匝数；f m 为磁钢等 效磁势。 当主辅发电机的相邻磁极为异极性时，轴向漏磁路径为： 辅发电机极_ 轴向气隙磁导_ 主发电机舷0 ( 分两路) 寸 扯三圭垄皇避! 型哩窟垄霎銎堕上蔓型塑擞- + 辅发电机磁路斗辅发电机丰及 i2 专轴漏磁导 。 一 (；|一荨 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 2 3 3 2 等效磁路模型的计算方法 图2 7 的磁路模型是非线性的，传统的解法是先建立磁路的节点方程，然后用非 线性方程组的迭代方法来求解，这种方法的迭代收敛性往往不好掌握。本文提出一种 磁路端口特性法来求解图2 7 的磁路模型，这种方法避免了一般非线性迭代过程中迭 代数据没有规律，容易发散的缺点，实际应用效 果比较好。厂 1 _ j 中出 ! 把图2 7 的磁路按辅助电励磁部分和主发电厂主_i i 机部分切开，即以图2 7 中节点l 和节点0 为界i g 。厂_ “r 上= i ” 1 分成两部分，如图2 8 和图2 9 所示，分别求出：亡ii| 两部分的端口特性曲线： f t丁 | 中= ，c ， c z ， j 。 ；中“j 中”中j 式中，中为端口磁通，即轴向每极磁通；f 为端。_ j 。一 呈登墨璧：。要三霍端曼萼兰苎譬要：。要妻出两端j 虱2 8 电励磁部分端口特性计算模型 口特性曲线的交点，即是图2 7 模型的解。 ”一 图2 7 中每条非线性磁路磁压降与磁 通的关系曲线按一般磁路计算的方法进 行，即给定一个磁通值中，计算磁路各部 分的磁位降，各部分磁位降的和便是支路 磁压降的大小。 如图2 8 中，电励磁部分端口特性的计 算步骤如下： ( 1 ) 磁路计算，求出主磁路电根部分 的特性o “= 丘( f ) ； ( 2 ) 求出漏磁路的特性m 。= f g 。； ( 3 ) 求出主磁路磁极和励磁支架等部 分的特性o 。：= 丘：( c ：) ； 二卜b 一 i j 啊_ g 。 1 。哇一 g 唑_ _ g m 生! g 。o f f ” 【i ，产t i 寸i，厂l o 。，中m ：旦i j z ：一，_ g ”1 3 图2 9 主发电机部分端口特性计算模型 ( 4 ) 求出端1 ：3 特性考虑到c ：= f c = f 一，电励磁部分的端口特性为 中= o 。，+ “+ o 。2 = f g 。+ 正l ( f ) + 丘2 ( 只2 ) = 以( f ) i i 。 如图2 9 中，主发电机部分端口特性的计算步骤如下： ( 1 ) 磁路计算，求出主磁路电枢部分的特性中。= 厶( e ，) ；其中f 2 3 为节点2 和节点3 的磁位降； ( 2 ) 求出漏磁路特性西，。= 民g 。， ( 3 ) 求出磁钢等效磁势支路的特性m 卅。= ( 3 一巴) g 卅。： 南京航空航天大学搏士学位论文 ( 4 ) 求出端口特性：根据图2 9 有： f 2 3 = f + d p g 面+ 中( g 。+ g ) 和 m = 一( m 。i + 中，。+ m 。o ) = 一( 厶i ( e 3 ) + 最3 x g 。+ ( 足3 一r ) g 。o ) 将上面两式消去f 2 3 就可以得到主发电机部分的端口特性= 厶( f ) 。 解方程组 三：曼暑，求出两个端口特性曲线的交点，即是图2 7 磁路模型的解 ( 巾，f ) ，各条支路的磁位和磁通值也就可以求出来了。 2 3 4 空载特性 我们定义组合励磁永磁同步发电机的空载特性为：保持发电机的转速不变，且电 枢绕组开路( 空载) 时的电励磁绕组电流i ，与发电机每相端电压u o 的函数。即 u o = f ( 1 r ) ( 2 - 8 ) 其中u o = e o = e 。o + e 。0 。 h e s g 的空载特性实质上反映了辅助电励磁部分的空载感应电势e c o 与电励磁绕 组电流i f 之间的关系。由于主发电机部分是永磁发电机，实际测量时无法将主发电机 部分的空载感应电势e 。0 与e e 0 分开，所以u o 是两部分的感应电势之和，但不同的励 磁电流主要影响辅助电励磁部分的空载感应电势e 。o 的大小，空载感应电势e 。o 在转 速一定时受i f 的影响很小，基本上为常数。 为了保证发电机端电压的线性调节，要求空载特性为线性，考虑到电压调节时， 励磁电流的双向调节，在发电机要求的电压调节范围内，电励磁电流i ，与感应电势 e e 0 的关系最好为线性，线性范围最大励磁电流对应的空载电动势是电励磁部分设计 的重要参数。 对不同的电励磁磁势f f ，解图2 7 的磁路模型，得到相应的气隙磁通值，便可以 求出组合励磁发电机的空载特性。 辅助电励磁部分的空载感应电动势e 。o 为： e o = 4 4 4 豫。l 中。l ( 2 - 9 ) 式中，f 为频率；w 为每相电枢绕组串联匝数；k ，为绕组系数：巾。为电励磁部分的 每极气隙磁通值。 主发电机部分的空载感应电动势e 。o 为： e m o = 4 4 4 f l y k 中。1 ( 2 一l o ) 式中，中。l 为主发电机部分的每极气隙磁通值。 则总的空载感应电动势e o 为式( 2 1 ) 所示。 2 3 5 空载特性算例 作为算例，下面对一台1 5 k v a 的组合励磁稀永磁同步发电机样机的空载特性 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 进行计算和分析，本文还对该样机作了实验验证，计算和实测的比较请参见后面第4 章4 6 3 节有关内容。该样机的主要结构参数如表2 1 所示，其空载等效磁路如图 2 7 所示。 表2 1 1 5 k y ah e s g 样机的主要技术和结构参数 容量k v a 1 5 电压v 2 3 0 功率因数0 8转速r m i n - 11 5 0 0 极对数 2 定子齿数2 4 相数 3绕组相带6 0 电枢外径m m 1 6 7 电枢内径m m 1 0 4 定子铁心材料d r 5 1 0 5 0转子材料1 0 # 钢 导体并绕根数 1每元件匝数3 3 电枢导体线径m m0 7 1磁极磁化方向长度m8 7 极弧系数0 6 8 6气隙长度m m1 9 磁极宽度m m 5 1 4 主发电机铁心长度= m 1 0 6 磁钢b ，t1 0 7磁钢i c a m 。8 2 7 6 e + 5 辅助电励磁部分数据 电枢长= m 1 6 绕组支架外径m m9 0 支架轴向长度m m 5 3 绕组支架内径m m 8 2 8 水平磁极长度m m 8 2 绕组支架内部长度m m4 1 2 水平磁极内径m m 9 1 支架内圆筒外径m m 4 3 9 水平磁极外径m m 1 0 2 3支架内圆筒内径m2 8 1 隔磁板厚度6 。帅 4 0 轴材料4 5 # 钢 经计算，图2 7 等效磁路中的线性磁导如表2 2 所示，非线性磁路段的磁路特性如 图2 1 0 图2 1 2 所示，图2 1 3 图2 1 5 为图2 8 和图2 9 的端口特性。 表2 2样机等效磁路图中的线性磁导值 主发电机部分等效漏磁导 6 。h1 8 8 8 x 1 0 8 磁钢等效内磁导g m h 4 0 4 9 x 1 0 1 等效轴向气隙漏磁导 g 。s h1 6 2 1 x 1 0 8 等效轴向轴部分漏磁导 g 。h2 8 0 7 x1 0 。4 辅助电励磁部分的漏磁导 。h2 5 7 4 x 1 0 南京航空航天大学博士学位论文 图2 1 0 辅发电机部分g 。，的特性 图2 1 2 主发电机部分g - 的特性 图2 1 4 辅发电机部分的端口特性 图2 i i 辅发电机部分g 。的特性 圈2 1 3 主发电机部分端口2 3 的特性 f a x 1 萨 图2 1 5 主发电机部分的端口特性 样机的空载特性曲线如图2 1 6 和图2 1 7 所示，空载特性计算数据参见附录4 的 表4 2 。 图2 1 6 中曲线i 是考虑轴向漏磁影响，用图2 7 磁路模型计算出的空载特性 组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究 曲线1 和实验结果吻合。为了说明轴向漏磁对空载电动势和空载特性的影响，本文还 计算了不计轴向漏磁导时的空载特性，如图2 1 6 中的曲线2 所示。如果不计轴向漏 磁，则认为主辅发电机两部分磁路完全独立，辅发电机正负励磁对应的空载特性具有 对称性，即同样大小的正负励磁电流对应的辅发电机部分感应电动势相等。 图2 1 6 空载特性曲线 1 一计及轴向漏磁2 一不计轴向漏磁 图2 1 7 电励磁和主发电机部分的空载特性 1 一主发电机特性2 一辅发电机特性 从图2 1 7 中可以看出，励磁电流对主发电机部分的空载感应电动势几乎没有影 响，这是可以理解的，因为电励磁部分的主磁路与主发电机部分的主磁路基本上是相 互独立的。 计算表明，励磁电流在一0 2 a + 0 2 a 之间的空载特性是线性的，相应的辅发电 机电动势的变化量为- 1 0 2 5 v + 1 2 5 7 v ，总感应电动势e 。的变化为2 5 6 1 1 v 2 7 9 3 4 v 。当励磁电流大于0 2 a 时，由于辅发电机部分磁路饱和，励磁电流变化时， 空载感应电动势变化很小，也就是当励磁电流大于0 2 a 时，电励磁电流调节发电机 端电压的作用将大大降低。对样机的计算和分析可知，辅发电机部分磁路饱和主要是 由于其主磁路上有导磁性能较差的4 5 号钢造成的。 2 3 6 空载特性改进的方法 设计h e s g 时，希望电励磁部分的空载特性对应原点对称，即同样大小的正负励 磁电流对应的感应电动势相等，这样采用同样的材料可以达到更大的电压调节范围； 同时希望线性范围比较大。为此应该尽量减小轴向的漏磁，减小主磁路的磁饱和程度。 原样机正负励磁时，空载特性不对称和磁饱和现象是由于初期设计样机时经验不 足和考虑不周造成的，针对上述不足，下面提出几点改进的方法。 2 3 6 i在主发电机部分的轴上加隔磁轴套 由于轴材料为4 5 号钢，从表2 2 可以看出，漏磁导g 。：要远远大于轴向气隙漏磁 导g 在主发电机部分的轴上加上一个隔磁轴套，将轴部分的漏磁路径阻断，这时 1 4 ，0，士奄蒋掣旃摹“撙痒，缚h d寐嚣掣型曹一* 南京航空航天大学博士学位论文 磁路模型图2 7 中轴部分的漏磁导可以近似为g 。m 0 。下面对加隔磁轴套前后空载 特性变化情况作进一步分析。 表2 3 是励磁电流为o 2 a 时辅助电励磁部分k 和主发电机部分k 在不同情况 下的数据表。表中y 。为电励磁部分感应电动势对应同样大小正负