混合励磁双凸极发电机的电枢反应

　　0 引言

　　双 凸 极 永 磁 电 机 (doubly salient permanentmagnet，DSPM)由于结构简单、控制方便、功率密度高等优点[1]在电动车[2-5]、风力发电[6-7]等领域得以研究应用。但 DSPM 也存在不足：弱磁调速困难，发电时磁场不可调节，只能利用开关变换器进行稳压[8]。而电励磁双凸极电机(double salient electro-magnetic，DSEM)却调节磁场方便，常被应用于发电系统[9-10]及航空起动/发电系统[11-14]。但 DSEM 由于存在励磁绕组使得系统的效率较低。为了结合 2种电机的优势，研究人员提出了混合励磁双凸极电机 (hybrid excitation doubly salient machine ，HEDSM)[15-18]。本文主要研究的是并列结构的混合励磁双凸极发电机的空载特性和电枢反应。

　　1 发电机的结构与数学模型

　　1.1 HEDSG 的结构

　　图1为12/8极HEDSG的三维装配图与截面图。可以看出：电机由两部分组成，左边为 DSEM，电机壳体与定子叠片之间无间隙，在定子槽内安放的励磁绕组对称分布于电机圆周上;右边为 DSPM，在电机壳体和定子之间装有 4 块瓦形磁钢。两部分的定、转子均为凸极齿槽结构，两部分定子共用同一电枢绕组。电励磁部分与永磁部分的定子极宽相同，但极高不同，为方便放置励磁绕组，DSEM 的极高稍大。HEDSG 的转子如图 1(a)所示：电励磁与永磁之间的叠片长度比例为 10:6，其有效转子轴长分别为 100 和 60 mm。转子上无绕组，两部分转子极宽、极高相同，均为斜槽结构，斜槽机械角度为 7.5°。EM 与 PM 部分之间相隔一段距离，以阻止永磁磁场与电励磁磁场间的相互匝链。

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　　1.2 HEDSG 的数学模型

　　由于 HEDSG 在磁路上属于并列结构，PM 与EM 部分的磁链基本不交链，因此，对 HEDSG 的分析可通过对 PM 和 EM 两部分分别进行计算，然后再进行相关参量的叠加。当 HEDSG 电枢绕组通以负载电流时，永磁部分的磁链可表示为

　　电励磁部分的磁链除了与电枢电流有关，还与励磁电流 If相关，可表示为

　　其中，ω、n 分别为电机转子的旋转角速度和转速，θ 为电机转子位置角。式(3)中的±号表示当EM 部分磁链与 PM 部分磁链方向相同时，HEDSG的电势为两者相加;EM 部分磁链与 PM 部分磁链方向相反时，HEDSG 的电势则为两者相减。由于 HEDSG 的电枢绕组由 PM 与 EM 部分两者共用，两部分电枢绕组中的电流始终相同。因此，HEDSG 的电感为永磁部分电感和电励磁部分电感之和，可表示为

　　2 发电机空载分析

　　HEDSG 在发电时根据定子极与转子极的相对位置状态的不同，可分为开关磁阻发电机(switchedreluctance generator，SRG)发电方式、双凸极电机(doubly salient generator，DSG) DSG1 发电方式及DSG2 发电方式[19-20]。本文主要研究的是 DSG2 发电方式，即三相绕组后接三相桥式整流电路的情况。此时，发电机转子极滑入和滑出定子极所在的相绕组均发电，其中空载转速 n=4200r/min。由 1.2节数学模型可知，HEDSG 的空载电势、自感和互感可由 PM 和 EM 部分的值进行叠加得到。图 2 是按照上述思想将 PM 和 EM 部分进行仿真所得数据进行叠加后的 HEDSG 仿真波形。由波形可看出：由于EM 部分的电势与励磁电流的正负相关，因此，If>0 时，HEDSG 的电势得到增强，If<0 时，HEDSG的电势被削弱;而 HEDSG 的自感和互感却与励磁电流的正负无关，与励磁电流为零相比，自感和互感都得到了增大。对于 PM 部分而言，由于磁阻大、自感较小，因此，HEDSG 的自感主要取决于 EM部分，当定、转子完全重合时，自感数值最大;但随着励磁电流的增大，EM 部分由于磁场饱和自感减小，PM 部分自感比例增加，因此，HEDSG 的自感逐渐呈鞍形。