關(guān)于復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)相關(guān)問(wèn)題的探究

摘 要： 復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)屬于一種新型的雙電壓輸出，其中，定子采用了簡(jiǎn)單可靠的雙繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用了永磁體和輔助電勵(lì)磁相結(jié)合的符合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，該發(fā)電機(jī)做到了同時(shí)兼顧永磁同步發(fā)電機(jī)和電磁同步發(fā)電機(jī)，本文從闡述復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)分析了其性能特點(diǎn)以及永磁體部分的相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并探究一系列復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)下的數(shù)學(xué)模型，從而為我國(guó)以后發(fā)電機(jī)的研究提供了重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合勵(lì)磁；稀土永磁同步發(fā)電機(jī)；性能特點(diǎn)；數(shù)學(xué)模型

在現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的大背景下，經(jīng)濟(jì)社會(huì)生產(chǎn)對(duì)移動(dòng)電站的需求日益增加，不管是城市化建設(shè)，還是國(guó)防政治，在各個(gè)方面的移動(dòng)作業(yè)中，都迫切需要移動(dòng)電站發(fā)揮其強(qiáng)大的供電性能，從而滿足整個(gè)國(guó)家的電源供電要求。但是，目前的移動(dòng)電站系統(tǒng)主要依靠發(fā)電機(jī)組、配電與設(shè)備之間協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中常規(guī)的電勵(lì)磁和永磁發(fā)電機(jī)面臨著體積大、調(diào)壓困難等系列難題，無(wú)法使移動(dòng)電站系統(tǒng)真正滿足移動(dòng)作業(yè)要求的多電源輸出、高功率、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊等相關(guān)特性，因此，在如此嚴(yán)峻的形勢(shì)下，研究出了相對(duì)先進(jìn)的新型同步發(fā)電機(jī)——復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)。

一、復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹

1.永磁體部分

由永磁發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁兩部分組成的復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，它的電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)又分別是由永磁體和電勵(lì)磁繞組形成，并使得發(fā)電機(jī)的主磁場(chǎng)與調(diào)節(jié)電壓的輔助磁場(chǎng)在電磁路中聯(lián)合起來(lái)。其中，復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)兩者是相同的，而轉(zhuǎn)子則利用了切向槽楔結(jié)構(gòu)，使得永磁體呈現(xiàn)出并聯(lián)的狀態(tài)，這時(shí)兩塊稀土永磁體就會(huì)向發(fā)電機(jī)提供每極磁通，且每塊稀土永磁體的磁勢(shì)會(huì)提供每隊(duì)極磁勢(shì)。

其實(shí)，永磁體切向結(jié)構(gòu)只是簡(jiǎn)單的一種聚磁結(jié)構(gòu)，它能夠做到提高發(fā)電機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。其與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)相同，兩者使用共同的電樞，在電流隨著外電壓的變化而發(fā)生變化的過(guò)程中，發(fā)揮著不斷調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小和方向的重要作用。

2輔助電勵(lì)磁部分

輔助電勵(lì)磁部分進(jìn)行的無(wú)刷化處理是由于復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)主體部分采用無(wú)刷處理造成的，并且在此基礎(chǔ)上，電勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子部分也應(yīng)該通過(guò)爪極結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化。

二、永磁體部分的相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題

復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)是通過(guò)永磁體與電勵(lì)磁分別設(shè)計(jì)共同組成的，盡量做到減小電勵(lì)磁部分的體積的同時(shí)，發(fā)揮出永磁發(fā)電機(jī)體積小的性能，防止出現(xiàn)因永磁體過(guò)長(zhǎng)或過(guò)寬造成的氣隙磁通飽和狀態(tài)。因此，在永磁體部分的相關(guān)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)整率，避免電壓調(diào)整率過(guò)大過(guò)小出現(xiàn)需要輔助電勵(lì)磁根據(jù)實(shí)際情況控制空載感應(yīng)電勢(shì)，以下幾方面是永磁體部分設(shè)計(jì)主要考慮的關(guān)鍵。

1.有效改善電壓波形

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波形的正弦性設(shè)置嚴(yán)格的要求，當(dāng)電壓波形隨著每次諧波的次數(shù)增高，幅值就會(huì)呈下降趨勢(shì)，而影響波形變化主要是5次和7次諧波，其中為了更加有效的削弱這兩種諧波，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@組槽節(jié)距來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了有效的改善波形，大幅度的降低齒諧波的影響，可以使發(fā)電機(jī)的定子鐵心采用如斜槽、半斜槽結(jié)構(gòu)，并利用分?jǐn)?shù)槽繞組，通過(guò)改善磁場(chǎng)波形，從而大大保證減少電壓波形正弦畸形變率。

2.永磁體存在的工作點(diǎn)

在復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最大磁能的磁場(chǎng)的建立，可以通過(guò)利用永磁材料，并縮小永磁體和整個(gè)發(fā)電機(jī)的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)仍然受到各種因素的制約，甚至在運(yùn)用時(shí)偏離了最佳的工作點(diǎn)，造成永磁體產(chǎn)生不可逆退磁現(xiàn)象。

三、復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的性能特點(diǎn)

1.具有良好的穩(wěn)定性能

因?yàn)榇欧€(wěn)定性能比較良好，所以應(yīng)用稀土鈷磁性材料對(duì)復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性具有很大程度的推動(dòng)作用，以下是對(duì)復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)，通過(guò)觀察轉(zhuǎn)子及空載電壓的變化幅度，來(lái)判定突然短路前后空載電壓數(shù)據(jù)的特性。

從上述表中，可以觀察到空載電壓在突然短路前是每分3000轉(zhuǎn)，電壓為176.4伏，而在突然短路后的電壓變成了176伏，由此可以看出在突然短路的實(shí)驗(yàn)中，空載電壓的變化幅度很小，具有良好的穩(wěn)定性能，更有利于發(fā)電機(jī)作業(yè)時(shí)的整體穩(wěn)定性。

2.具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、容易維護(hù)的特點(diǎn)

復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，完全克服了頻發(fā)感應(yīng)子自勵(lì)恒壓環(huán)節(jié)的故障、定子與轉(zhuǎn)子間間隙的變化引起電流的變化，造成了建立正常工作電壓的困難且影響發(fā)電機(jī)升壓并網(wǎng)時(shí)間等系列不足，它通過(guò)永磁體代替了勵(lì)磁線卷，從而減少了自勵(lì)恒壓環(huán)節(jié)和蓄電池直流電池裝置，與感應(yīng)子中頻發(fā)電機(jī)相比，其具有運(yùn)行可靠性高、結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)易方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.具有較大的經(jīng)濟(jì)性

從表中可以得出，在復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)材料分析中，使用稀土鈷作為永磁材料的耗費(fèi)價(jià)值明顯低于鋁鎳鈷作為永磁材料，并且鈷元素作為戰(zhàn)略物資，比較短缺，因此，無(wú)論從哪個(gè)角度，都是采用稀土鈷永磁材料在經(jīng)濟(jì)上具有較大的意義。

四、復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

1基本工作原理

永磁體和電勵(lì)磁繞組聯(lián)合產(chǎn)生磁勢(shì)，且并聯(lián)提供一定的磁通在氣隙中合成，共同推動(dòng)復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。接著，為了盡量減少電壓波形正弦性畸變率的影響程度，通過(guò)采用非均勻氣隙，選取合適的極弧系數(shù)，從而使的氣隙磁場(chǎng)波形的分布極可能接近于正弦波，保證發(fā)電機(jī)在實(shí)際的操作中發(fā)揮正常的功能。

2.雙反應(yīng)理論和電壓之間的平衡關(guān)系

通過(guò)利用Blondel提出的雙反應(yīng)理論，將電樞磁動(dòng)勢(shì)在不與直軸和交軸重合的情況下，對(duì)直軸分量和交軸分量進(jìn)行分解分析，并把兩者產(chǎn)生的效果相疊加起來(lái)，從而有效的解決不均與氣隙同步發(fā)電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在不同的位置上所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)和每極磁通量不一致的現(xiàn)象。

下面假設(shè)永磁體感應(yīng)的空載電勢(shì)為Eom，電勵(lì)磁繞組部分感應(yīng)的空載電勢(shì)為Eoe，則復(fù)合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)感應(yīng)的電勢(shì)Eo為Eom和Eoe的矢量和，即Eo=Eom+Eoe。

因?yàn)閮烧吖灿靡惶桌@組，具有相同的負(fù)載，因此，對(duì)應(yīng)于永磁體的定子繞組的阻抗以及內(nèi)功率因數(shù)角都和對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁部分的定子繞組部分相同，當(dāng)發(fā)電機(jī)磁路出現(xiàn)不飽和時(shí)，可利用雙反應(yīng)理論和疊加原理分別得到各自的電壓平衡方程式，最終得到復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的總電壓方程式。

3.復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性

復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性U和負(fù)載電流I之間具有一定負(fù)相關(guān)，為了保證發(fā)電機(jī)負(fù)載電流I變化，而電壓不變，只能通過(guò)發(fā)電機(jī)電勵(lì)磁部分的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)橛来挪糠值碾姶艌?chǎng)是固定不變的。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)有效的利用了永磁發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化、無(wú)旋轉(zhuǎn)整流器、無(wú)集電環(huán)，保證了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，大大降低了故障的發(fā)生率，并且電勵(lì)磁部分電流小，使得復(fù)合勵(lì)磁的損耗較小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率運(yùn)作，從而在一定程度上解決了永磁發(fā)電機(jī)調(diào)壓困難的問(wèn)題。但是，現(xiàn)行的復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)仍存在不完善的地方，需要我國(guó)不斷加大科學(xué)技術(shù)的投入力度，進(jìn)一步研究出更高效便捷的復(fù)合勵(lì)磁稀土永磁同步發(fā)電機(jī)。

作者簡(jiǎn)介：梁波（1996-），男，貴州貴陽(yáng)人，現(xiàn)本科在讀貴州理工學(xué)院。endprint