基于開放繞組的新型無刷諧波勵磁同步發(fā)電機

孫立志 高小龍 姚 飛 安群濤 Thomas A. Lipo

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基于開放繞組的新型無刷諧波勵磁同步發(fā)電機

孫立志1高小龍1姚 飛1安群濤1Thomas A. Lipo2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院 哈爾濱 150001 2.威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 麥迪遜 53706）

在開放式繞組發(fā)電機中，三相定子電流可以包含完全相同的諧波電流成分，例如3次諧波電流。本文據(jù)此提出了一種新型的無刷諧波勵磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)。與已有利用轉(zhuǎn)子磁場所包含的3次諧波磁場的勵磁技術(shù)不同，該原理利用定子開放繞組中的3次諧波電流成分或高頻單相電流成分或直流成分所產(chǎn)生的定子脈振磁場在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)整流后為轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供勵磁電流，從而在不采用獨立勵磁機的前提下實現(xiàn)無刷化的電勵磁同步發(fā)電機。本文對該諧波勵磁原理進(jìn)行了理論分析及電磁場有限元計算驗證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機實驗驗證，證明了該原理的可行性。該諧波勵磁原理的意義在于，提供了一種無刷勵磁的同步發(fā)電機方案，以期減少高性能發(fā)電機對日益昂貴的稀土永磁材料的依賴與消耗。

同步發(fā)電機 開放繞組 諧波勵磁 有限元分析

0 引言

稀土永磁發(fā)電機具有高效能及高功率密度等特點，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是其還存在許多問題。一方面，稀土永磁材料的價格不斷上漲，并且隨著稀土永磁材料的大量應(yīng)用，使得稀土資源必然面臨供應(yīng)緊張的問題。另一方面，由于永磁發(fā)電機勵磁磁場不能調(diào)節(jié)的固有特點，使得永磁發(fā)電機作為電動機運行時，恒功率區(qū)較窄，轉(zhuǎn)速范圍受到限制，高速運行時往往需要弱磁控制，控制復(fù)雜，并且會產(chǎn)生額外的損耗；而其作為發(fā)電機運行時，輸出電壓難以調(diào)節(jié)。尤其在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，如混合動力汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化范圍很寬，有時甚至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的十幾倍，因其勵磁不可調(diào)，發(fā)電機輸出電壓變化范圍很大，電壓峰值將會很高，顯然會對整流器的功率等級以及功率器件的電壓等級要求很高，顯著提高控制系統(tǒng)成本。

為解決永磁發(fā)電機氣隙磁場難以調(diào)節(jié)的問題，許多新型勵磁方式的發(fā)電機在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)。除了傳統(tǒng)的感應(yīng)發(fā)電機和磁阻發(fā)電機[1]，其中大部分發(fā)電機仍是采用永磁及電勵磁的混合勵磁發(fā)電機。Y. Amara等研究結(jié)果表明混合勵磁發(fā)電機相較于永磁發(fā)電機具有良好的弱磁能力，并且在車輛推進(jìn)系統(tǒng)中具有良好的節(jié)能效果[2]。E. Sulaiman等將永磁體和勵磁繞組均放在定子上構(gòu)成了一個新穎的混合勵磁開關(guān)磁阻同步發(fā)電機，實現(xiàn)了與內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機功率密度相同的性能[3]。趙朝會對串聯(lián)磁路混合勵磁爪極發(fā)電機進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性研究，結(jié)果表明相對永磁爪極發(fā)電機，其輸出電壓可調(diào)并且在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了輸出電壓的恒定[4]。王善銘等提出了一種利用齒諧波磁場的混合勵磁發(fā)電機[5-7]。這種發(fā)電機轉(zhuǎn)子除永磁體外還安裝了齒諧波繞組，可以利用發(fā)電機中固有的齒諧波磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)過整流應(yīng)用于勵磁系統(tǒng)中，構(gòu)成了一種新型的混合勵磁同步發(fā)電機。還有部分學(xué)者對混合勵磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，磁場調(diào)節(jié)特性及控制策略[8-10]等方面進(jìn)行了研究。在這些研究中，混合勵磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)可以顯著提高發(fā)電機的某些性能指標(biāo)，具有重要的研究與應(yīng)用價值，但是發(fā)電機中的永磁體仍具有關(guān)鍵作用且不可去除。因此，混合勵磁發(fā)電機許多特性依然與永磁發(fā)電機相近，亦存在永磁體的一些固有缺點，如成本高昂，高溫及強磁場下的失磁問題等。

而對于電勵磁同步發(fā)電機，其勵磁磁場可以方便調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速特性，并且成本低廉。因此，其不存在上述永磁體所帶來的問題。但是，傳統(tǒng)同步發(fā)電機電勵磁的實現(xiàn)需要電刷集電環(huán)或者額外勵磁機。顯然，額外勵磁機的勵磁方式會使得中小型發(fā)電機的體積和成本增加；而電刷集電環(huán)會引起火花噪聲和壽命縮短等問題。這些問題使得傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機不適于寬范圍轉(zhuǎn)速運行，嚴(yán)重限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，問題的關(guān)鍵就是如何在不采用獨立勵磁機的前提條件下實現(xiàn)性能良好及可靠運行的無刷電勵磁同步發(fā)電機。而諧波勵磁技術(shù)是一種可行的解決方案。

現(xiàn)有諧波勵磁技術(shù)主要是指3次諧波勵磁技術(shù)，國內(nèi)各高校曾對該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析及實踐研究[11-13]。早期諧波勵磁技術(shù)仍為有刷方案，在定子槽中內(nèi)嵌一套節(jié)距約為1/3基波極距的諧波繞組。轉(zhuǎn)子磁極形狀經(jīng)過特殊設(shè)計后可以增強3次諧波磁場，因此主磁場的旋轉(zhuǎn)能使諧波繞組感應(yīng)出3次及3的奇數(shù)倍次的諧波電動勢，其經(jīng)整流后可以作為轉(zhuǎn)子勵磁繞組的勵磁電源，其基本原理如圖1所示。此類諧波勵磁同步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)勵能力及帶負(fù)載能力較強等特點，增強了小功率發(fā)電機在低成本農(nóng)業(yè)機器中的應(yīng)用。

現(xiàn)有無刷化的實現(xiàn)主要是在有刷諧波勵磁發(fā)電機的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)電樞式交流勵磁機。如圖2所示，將主發(fā)電機定子3次諧波繞組中感應(yīng)出的諧波電動勢經(jīng)整流送至勵磁機定子繞組，由勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組電流，從而取消了傳統(tǒng)的電刷滑環(huán)。無刷化諧波勵磁技術(shù)有效地消除了電刷帶來的各種問題，但是旋轉(zhuǎn)電樞交流勵磁機的增加使得發(fā)電機體積增加，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

近幾年關(guān)于3次諧波勵磁技術(shù)的研究并沒有太多進(jìn)展。大部分的研究主要集中在對諧波勵磁調(diào)節(jié)器的改進(jìn)、磁飽和對諧波勵磁發(fā)電機特性的影響分析等[14-16]。

綜上，現(xiàn)有3次諧波勵磁技術(shù)依然需要電刷滑環(huán)或者額外的勵磁機。而本文提出了一種新型諧波勵磁原理發(fā)電機，其可以利用定子開放繞組中的諧波電流成分實現(xiàn)電勵磁，從而完全消除了電刷和勵磁機。當(dāng)然，定子繞組中的諧波電流成分使得諧波勵磁同步發(fā)電機的功率密度和效率略有降低，但是這并不妨礙其在寬范圍轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域的特殊優(yōu)勢。

1 新型無刷諧波勵磁發(fā)電機的原理

前述諧波勵磁技術(shù)主要是利用轉(zhuǎn)子主磁場中的3次諧波成分，而本文所研究的諧波勵磁技術(shù)與之不同，其利用的是定子開放繞組中的諧波電流成分產(chǎn)生的諧波磁場。由于定子繞組為開放式繞組，可以控制定子三相繞組中含有幅值、相位完全相同的電流成分，例如3次諧波電流。這種電流成分產(chǎn)生的脈振磁場可以在轉(zhuǎn)子特殊設(shè)計的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)過整流后可以給轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供直流。

發(fā)電機系統(tǒng)的基本構(gòu)成原理如圖3所示。諧波繞組直接安裝在轉(zhuǎn)子之上，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器與主勵磁繞組直接相連接，定子電樞上只存在三相交流開放繞組。采用雙功率變換器控制定子電流波形，以利用定子電流中3次諧波電流、高頻單相電流以及直流等成分所產(chǎn)生的3次諧波磁場在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在發(fā)電機發(fā)電運行時，功率變換器直流側(cè)電容需要有初始電壓，以產(chǎn)生初始的勵磁電流而進(jìn)行起勵。

設(shè)定子三相開放繞組為三相對稱集中整距繞組，如果每相通入電流A、B和C，由于單相整距線圈產(chǎn)生的磁動勢為周期性矩形波，只考慮基波與3次諧波成分，則每相繞組的磁動勢為

式中，s為空間電角度；φ1=2/π，為繞組匝數(shù)。

如前所述，定子三相開放繞組電流除基波電流外可以包含完全相同的其他電流成分，如式（2）所示。

式中1——基波電流幅值；

n——所包含的電流成分；

——電氣角頻率。

將式（2）代入式（1）并且將三相繞組磁動勢相加，可得電樞合成磁動勢

通過式（3）可以看出電樞合成磁動勢包括兩部分：基波合成旋轉(zhuǎn)磁動勢和空間位置固定的3次諧波磁動勢。兩者不相耦合，而且3次諧波磁場的極距在空間表現(xiàn)為定子繞組極距的1/3，則在轉(zhuǎn)子上安裝同等極距的諧波繞組，如圖4所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，忽略開槽影響，由于基波合成旋轉(zhuǎn)磁動勢與轉(zhuǎn)子上的諧波繞組同速，且幅值不變，其不會在諧波繞組中產(chǎn)生電動勢，同理也不會在勵磁繞組中產(chǎn)生電動勢。對于3次諧波磁動勢由于其空間位置固定，因而諧波繞組以相對同步速切割磁場，且除定子電流含有直流成分外3次諧波磁場幅值作正弦變化，故其在諧波繞組中會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢和變壓器電動勢。而在勵磁繞組中，由于轉(zhuǎn)子極弧可以設(shè)計成2倍或3倍的諧波繞組極距，同一極下的兩勵磁繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互抵消，因此3次諧波磁場也不會在勵磁繞組中產(chǎn)生電動勢。

轉(zhuǎn)子諧波繞組中的感應(yīng)電動勢可以理論計算。假設(shè)諧波繞組初始位置角為0，轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)，則任一時刻諧波繞組空間位置s=+0，忽略定、轉(zhuǎn)子開槽以及轉(zhuǎn)子凸極引起的諧波磁導(dǎo)影響，可以假設(shè)發(fā)電機氣隙均勻，則諧波繞組的一個線圈組中的磁鏈為

式中h——諧波繞組匝數(shù)；

——平均氣隙磁導(dǎo)。

考慮到圖4所示的繞組拓?fù)洌捎谥C波繞組在空間位置上相差π/3電角度，與3次諧波磁場的極距一致。將諧波繞組串聯(lián)，那么總諧波繞組電動勢為諧波繞組的一個線圈組電動勢的6倍。由于定子電流中可以包含不同類型的諧波電流成分以進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，因此根據(jù)電流成分n的類型分為三種情況予以研究。

當(dāng)n為3次諧波電流成分時，n=3sin3，此時諧波繞組電動勢為

當(dāng)n為直流成分時，n=0，此時諧波繞組電動勢為

當(dāng)n為高頻單相電流成分時，n=Isin，其中＞3，此時諧波繞組電動勢為

由式（5）～式（7）可以看出，諧波繞組電動勢僅與定子電流中所包含的完全相同的勵磁電流成分n有關(guān)。當(dāng)其為3次諧波電流時，產(chǎn)生6倍同步角頻率的諧波繞組電動勢；當(dāng)其為直流時產(chǎn)生3倍同步角頻率的諧波繞組電動勢；當(dāng)其為高頻單相電流時，產(chǎn)生+3倍和-3倍的同步角頻率的諧波繞組電動勢。諧波繞組電動勢經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器可以供給主勵磁繞組直流電流，從而實現(xiàn)無刷化勵磁。

2 諧波勵磁原理的有限元分析驗證

根據(jù)上述原理建立發(fā)電機計算模型，定子上安裝三相對稱集中整距繞組，可以使得3次諧波繞組系數(shù)最大，轉(zhuǎn)子上安裝勵磁繞組和諧波繞組，轉(zhuǎn)子為凸極式結(jié)構(gòu)，極弧長度為2倍的諧波繞組節(jié)距。如圖5a所示，發(fā)電機采用4極12槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)通入基波電流時，發(fā)電機的磁力線分布如圖5b所示。對于圖5所示發(fā)電機模型，其發(fā)電機參數(shù)見下表。

表 發(fā)電機樣機參數(shù)

為了分析不同類型電流下的諧波繞組感應(yīng)電動勢，如圖6a所示，在定子繞組中分別通入不同類型的電流進(jìn)行有限元仿真分析以驗證理論推導(dǎo)，其中基波電流為A=2sin(100π)A，直流為n=2A，3次諧波電流為n=2sin(300π)A，高頻單相電流為n= 2sin(1 000π)A。仿真結(jié)果如圖6b所示。

由圖6b可以看出，通入基波電流時，諧波繞組中仍會存在感應(yīng)電動勢，其中主要含有6次和12次諧波，與每對極下的定子槽數(shù)一致，表明這種諧波電動勢主要由定子開槽等因素引起。

當(dāng)定子電流為3次諧波電流時，諧波繞組電動勢的頻率為6倍的同步角頻率，與理論分析一致。

當(dāng)通入直流時，諧波繞組電動勢頻率主要為3倍的同步角頻率，并且呈平頂波。傅里葉分析顯示其還包含9次、15次等諧波。

當(dāng)通入高頻單相電流時，諧波繞組電動勢的傅里葉分析如圖7所示。可以看出，通入10倍同步角頻率的單相電流時產(chǎn)生的諧波電動勢頻率主要為7倍和13倍的同步角頻率，驗證了理論分析的正確性。

對發(fā)電機進(jìn)行進(jìn)一步有限元仿真，通入合成電流進(jìn)行分析，如圖8a所示。合成電流即在定子基波電流中注入一定含量的諧波電流。在本次計算中，諧波電流幅值固定為15%的基波電流幅值。可以觀察到，圖8b所示的諧波繞組電動勢與圖6b相似。這表明定子繞組中的勵磁電流成分是單獨起作用的，即定子基波電流所產(chǎn)生的磁場與定子中勵磁電流成分所產(chǎn)生的磁場是相互解耦的。這也使得通過控制定子中勵磁電流成分含量可方便地控制諧波繞組電動勢。

按照圖3所示電路搭建電路模塊，將諧波繞組與勵磁繞組通過二極管不控整流器連接起來，以三相定子電流中包含基波電流和15%含量的3次諧波電流成分為例進(jìn)行瞬態(tài)過程仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

通過圖9可以看出諧波繞組中的感應(yīng)電動勢經(jīng)過整流后可以使得勵磁繞組中含有較穩(wěn)定的勵磁電流，這也進(jìn)一步證明了本文所提出的新型無刷諧波勵磁同步發(fā)電機原理的可行性。

3 樣機實驗

如圖10所示，發(fā)電機樣機和雙三相橋功率變換器已經(jīng)制作出來，為后續(xù)進(jìn)一步的研究奠定硬件實驗基礎(chǔ)。

進(jìn)行了初步實驗以驗證無刷諧波勵磁原理，將樣機發(fā)電機拖動到1 500r/min，控制基波電流頻率為50Hz，在定子開放繞組中分別產(chǎn)生基波、3次諧波電流以及二者合成電流，測取轉(zhuǎn)子諧波繞組感應(yīng)電動勢，并在合成電流情形下接通勵磁回路，測取勵磁繞組電流，所得波形如圖11所示。可以驗證，在三相定子開放繞組中含有3次諧波電流時，諧波繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該諧波電動勢可以經(jīng)整流后產(chǎn)生勵磁電流，從而證實了該諧波勵磁原理的正確性。

另一方面，該發(fā)電機原理還存在許多技術(shù)問題需要解決，包括初始狀態(tài)建立、齒諧波磁場影響和定子電流的控制策略等，以后將在這些問題上展開進(jìn)一步的理論分析和仿真實驗分析。

4 結(jié)論

在開放式繞組發(fā)電機中，三相定子電流可以包含完全相同的諧波電流成分，可以利用該電流成分所產(chǎn)生的定子脈振磁場在轉(zhuǎn)子諧波繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)整流后為轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供勵磁電流，從而在不采用獨立勵磁機的前提下實現(xiàn)無刷化的電勵磁同步發(fā)電機。本文對該諧波勵磁原理進(jìn)行了理論分析及電磁場有限元計算和實驗驗證，結(jié)果證明了所提出的發(fā)電機原理的正確性及發(fā)電機結(jié)構(gòu)的合理性，為進(jìn)一步研究該新型無刷諧波勵磁同步發(fā)電機奠定了基礎(chǔ)。

該諧波勵磁原理的意義在于，其提供了一種新型的無刷電勵磁同步發(fā)電機方案。相比永磁發(fā)電機，雖然該新型發(fā)電機的功率密度和效率略低，但是其可以在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機輸出電壓維持在一個固定的電壓等級內(nèi)，此時雖然用到雙功率變換器，但是整流器功率等級和功率器件電壓等級的降低仍會使得系統(tǒng)成本降低許多。因此，在許多類似應(yīng)用領(lǐng)域中，其可以替代昂貴的永磁發(fā)電機，并具有自身獨特的優(yōu)勢。

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A New Type of Harmonic-Current-Excited Brushless Synchronous Machine with Open Windings

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（1. Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. University of Wisconsin-Madison Madison WI 53706 USA）

In an open-winding machine, the three-phase stator currents can be controlled to contain the same harmonic current components like the third harmonics. This paper introduces a new harmonic current excitation principle in synchronous machines based on open winding controls. Unlike existing harmonic excitation technologies which utilizing the third harmonic components of rotor magnetic fields, this brushless harmonic excitation principle is realized by injecting the third harmonic current component or high frequency single-phase current component or DC component into the three phase stator open windings, to generate a time pulsating magnetic field which can induce back-EMFs in the specially designed rotor harmonic coils. Through rectification, the induced back-EMFs are used to supply DC current to the rotor excitation winding. To verify the above principle, magnetic field calculations and prototyping tests were carried on. The significance of this harmonic excitation principle is to provide a new brushless machine option to reduce the consumption of increasingly expensive rare earth permanent magnetic material by machines in some applications.

Synchronous machine, open-winding, harmonic excitation, finite element analysis

TM341

孫立志 男，1970年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為永磁電機及控制、特種電機及能量變換和新能源發(fā)電技術(shù)。

高小龍 男，1990年生，碩士研究生，研究方向為電機及其控制。

2014-01-02 改稿日期 2014-04-08

國家自然科學(xué)基金資助項目（51277040）。