寬范圍穩壓的組合轉子同步發電機
陽朝輝，黃守道，劉嬌
(湖南大學，湖南長沙410082)
摘要：研究了一種寬轉速范圍內穩壓的組合轉子同步發電機。該發電機的定子結構與普通發電機相同，轉子由起主發電用的永磁部分和調壓用的電勵磁部分組成，他們同軸安裝，共用同一套電樞繞組。電勵磁部分采用內勵磁無刷爪板結構，通過調節其勵磁電流來改變氣隙磁通大小，從而達到穩壓目的。對電機的結構特點、運行原理和電磁設計進行了分析。樣機實驗分析證明了該種電機在寬轉速變化范圍內穩壓性良好的特點。
關鍵詞：組合轉子；爪極結構；電勵磁部分；寬轉速范圍
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)08-0026—03
0前言
永磁同步發電機結構簡單、運行可靠，但電機制成后氣隙磁場無法調節。當轉速或負載變化時，發電機保持恒壓是比較困難的，對于穩定性要求較高的場合，必須采用電力電子變換器調壓、雙轉子或雙定子調壓等方法，這會增加成本，降低動態性能。本文研究的組合轉子發電機有效地解決永磁同步發電機調壓困難的難題，在寬轉速變化范圍內實現了電壓的穩定輸出。該發電機的定子與普通同步發電機定子結構相同，轉子由兩部分組成：永磁部分和輔助電勵磁部分。當轉速變化時，通過調節輔助電勵磁部分的磁場就可以調節輸出電壓，從而使發電機的輸出電壓保持恒定。
輔助電勵磁部分采用內勵磁爪極結構，與永磁體部分同軸安裝。兩個相互交錯咬合的法蘭盤將勵磁線圈產生的軸向磁通轉化為徑向磁通，實現了整個電機的無刷化。由于解決了永磁發電機電壓調節難的問題，這種組合轉子同步發電機能廣泛應用于各種不同的領域。
1發電機基本結構與原理
本文研究的組合轉子同步發電機是通過二極管不可控整流后給負載供電的，因此只需考慮轉速變化時穩定電壓大小的問題，其結構簡圖如圖1所示。定子結構與普通同步發電機相同，轉子由永磁段和電勵磁段組成。永磁部分采用切向槽楔式結構，電勵磁部分采用無刷爪極結構，從而實現整個電機的無刷化，提高了電機的可靠性。
當發電機在額定轉速下運行時，通過與發電機配套設計的數字勵磁調節器自動調節勵磁電流Ie，且使Ie=0，此時只有永磁部分發電，輸出額定電壓。當發電機在低速區運行時，調節勵磁電流大小，且使Ie>O，此時電勵磁部分產生的氣隙磁通與永磁部分產生的氣隙磁通同向，使得發電機氣隙總磁通增加，從而保證發電機輸出電壓穩定。這時整臺發電機可以看成是一臺永磁發電機與一臺電勵磁爪極發電機串聯發電，只是他們問的電壓串聯是在電樞繞組中的每根導條中實現的。當發電機運行在高速區時，調節Ie且使Ie<O，此時電勵磁部分產生的氣隙磁通與永磁部分產生的氣隙磁通方向相反，使得發電機氣隙總磁通減少，從而維持發電機輸出電壓恒定。這時仍然可把發電機分成兩部分來分析，永磁部分仍作發電機運行，但電勵磁部分作電動機運行。這時做發電機運行的永磁部分一方面給負載供電，另一方面給作電動機運行的電勵磁部分供電。而作電動機運行的電勵磁部分又反過來與外部輸入轉矩一起驅動永磁部分發電。
當電機在對稱負載下運行時，根據雙反應理論與疊加原理可寫出電壓平衡方程：
式中：E。——空載電動勢，
E0=4．44fNKdp(Φδ0m+Φδ0e)；
u——發電機輸出電壓；
R——電樞繞組電阻；
Id、Iq——電樞電流直軸與交軸分量；
Xad、Xaq——直軸、交軸電樞反應電抗；
X1、N——漏抗與每相串聯匝數；
Φδ0m——永磁部分提供的氣隙基波磁通；
Φδe——電勵磁部分提供的氣隙基波磁通。
從上述式子可以看出，當轉速變化時，調節電勵磁部分的磁通， |
