- 頭條一種雙端混合勵磁的無刷直流發電機運行特性分析2021-02-23 作者：余俊月 曹煜 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語南京航空航天大學自動化學院的研究人員余俊月、曹煜、朱姝姝、劉闖，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，針對電勵磁發電機功率密度低，永磁發電機調磁困難等問題，提出一種新型雙端混合勵磁無刷直流發電機。研究結果表明勵磁電流可以調節發電機氣隙磁通，解決高效永磁發電機電壓難以調整的問題，適用于車輛的高壓直流供電系統。
電勵磁發電機結構簡單、成本低，通過改變勵磁繞組，控制電流能夠方便地調節氣隙磁場強度，實現寬范圍輸出電壓和調速特性；斷開勵磁回路能夠有效滅磁，實現發電機系統的短路和故障保護。但其存在勵磁繞組損耗使得系統效率相對較低，難以實現高功率密度，且由于使用電刷-集電環結構，可靠性不高。
永磁發電機取消了電刷-集電環結構，省去了產生磁場所需要的勵磁功率，因而效率更高，與同功率、同轉速的其他類型的電勵磁發電機相比較，通常效率可以提高3%～5%，且沒有勵磁線圈及磁極鐵心，能使電機體積減小，減輕質量。但永磁發電機電壓難以調節且故障時滅磁困難，在車輛中應用較少。
混合勵磁電機自出現以來，就引起了國內外專家學者的高度關注。前蘇聯學者最早提出混合勵磁發電機，此類電機有兩個磁動勢源：永磁磁動勢源和勵磁磁動勢源。兩種磁動勢源共同產生氣隙磁場，可以通過調節勵磁繞組電流實現氣隙磁場調節。
有學者研究了一種磁分路式切向磁鋼混合勵磁同步電機，在傳統徑向磁化結構永磁電機基礎上，N磁極組和S磁極組從同側沿軸向向外延伸，并在延伸端安裝導磁橋，勵磁繞組放在導磁橋開槽中，軸向磁路不經過機殼，利用磁分路結構調節勵磁電流控制氣隙磁場，實現無刷化。有學者提出了一種雙端調磁型混合勵磁電機，永磁體切向磁化，在軸向兩端各放置一個勵磁繞組，N磁極組和S磁極組從不同側沿軸向向外延伸，軸向磁路經過導磁橋、機殼和定子鐵心，電機為無刷結構。有學者研究了一種并聯式混合勵磁爪極電機，永磁體呈圓環型夾在爪極中間，在軸向兩端放置勵磁繞組，也可以用圓環型永磁體代替，減少了爪極間的漏磁通，電機實現無刷化。結合上述電機特點，南京航空航天大學自動化學院的研究人員余俊月、曹煜、朱姝姝、劉闖，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，提出了一種雙端混合勵磁無刷直流發電機，永磁磁路和勵磁磁路為并聯關系，其中永磁體是主要的勵磁源，勵磁繞組產生的磁場用來調節磁路的磁通。同時將勵磁繞組放在電機兩端，實現無刷結構，不存在因接觸不良和磨損等造成的勵磁不穩定問題，兼有電勵磁電機調磁方便和永磁電機功率密度高的優點。電機工作時，三相交流電通過二極管整流電路轉換成直流，從而實現無刷硅整流。
研究者考慮到發電機的非對稱性，利用JMAG軟件搭建發電機三維有限元靜態和瞬態模型并仿真分析了其不同勵磁磁動勢下的磁場分布和氣隙磁通密度變化及發電機的運行特性。制造了DC 900V、10kW實驗樣機，實驗結果與原理分析和有限元計算相符合，表明這種新型雙端混合勵磁無刷直流發電機具有如下特點：
1）該發電機主要由永磁體作用于主氣隙磁通，勵磁繞組起輔助調節作用，使發電機同時具備高功率密度和調節電壓的優點。2）將勵磁繞組放在軸向磁橋中，不僅實現了發電機的無刷化，還使得勵磁路徑和永磁路徑形成并聯磁路，實現無刷勵磁。3）采用集中式雙三相整流，相對集中式三相發電機提高了發電機的功率因數和功率容量，同時減小了輸出直流紋波，提高了發電機可靠性。
圖1 雙端HE-BLDCG結構
圖13 樣機組件
圖14 電機實驗平臺
