摘要：對cPPM混合勵磁外轉子風力同步發電機進行了二維和三維磁場有限元分析，研究了電機軸向磁場的飽和問題，為電機優化設計以及擬定系統控制策略提供依據。

    關鍵詞：cPPM；混合勵磁；風力發電機；有限元分析；軸向磁場

O引  言

混合勵磁同步電機氣隙磁場由永磁極產生的恒定磁場和直流勵磁繞組產生的可變磁場合成，使電機同時具有永磁同步電機高效率和電勵磁同步電機磁場連續可調的優點。本文將此結構用于風力同步發電機(以下簡稱cPPM發電機)，可在比較寬的范圍內調節氣隙磁通，以達到調節發電機輸出電壓的目的。

    cPPM發電機在內定子鐵心中問增加了直流勵磁繞組，三相繞組和勵磁繞組引線從軸孔中引出，省去了電刷和滑環裝置；外轉子鐵心(導磁機殼)內側貼有磁鋼和鐵極，磁極容易固定。cPPM發電機的電流勵磁磁通不通過永磁極而走鐵極，勵磁磁路磁阻小，且可實現增磁或弱磁，磁場調節能力強，永磁體也沒有退磁風險。

    由于CPPM發電機內定子直流勵磁繞組和外轉子鐵極的加入，使電機內磁場呈現三維分布，特別是軸向磁場的存在，導致磁路容易出現飽和問題，給電機分析、設計乃至控制都帶來一定的困難。本文采用有限元方法對cPPM混合勵磁外轉子風力同步發電機的二維和三維磁場進行分析，在此基礎上研究電機軸向磁場的影響問題，為電機優化設計以及系統控制策略提供依據。

    1二維磁場有限元分析

考慮CPPM發電機的結構特點，可以分別取軸向一對相鄰的鐵極和永磁極來分析。圖2為軸向一對相鄰鐵極等效勵磁磁路。勵磁磁通經過氣隙、鐵極、外轉子、內定子鐵心和內定子軸形成閉合磁路。這里為了減小計算量，采用二維磁場有限元分析。圖3中虛線為永磁極分析面，認為軸向一對相鄰鐵極(或永磁極)處在同一平面上，并假設勵磁磁動勢完全作用在氣隙處，不考慮外轉子和內定子軸的軸向磁路的磁壓降，如圖4所示，電機空載鐵極二維磁場等效分析模型，永磁極二維磁場等效分析模型類似，圖5、圖6分別為永磁極、鐵極下的氣隙磁密二維磁場仿真結果。

 

    根據上圖仿真結果，對其進行傅里葉分析，得到電機空載氣隙基波磁密峰值，如表1所示。

 

    可見，cPPM發電機勵磁繞組增磁和弱磁時，永磁極下宅載氣隙基波磁密峰值有較小變化，增磁時有弱磁作用，弱磁時有增磁作用；增磁和弱磁時鐵極下的空載氣隙基波磁密基本對稱，表明電機磁路沒有飽和影響。

    需要說明的是，cPPM發電機負載時的氣隙磁場，特別是鐵極下氣隙磁場會發生畸變，需要取電機整個場域來進行分析。

    2三維磁場有限元分析

采用二維磁場有限元分析忽略了 cPPM發電機軸向磁場的影響，因此分析結果會存在一定誤差。

    為了研究電機軸向磁場的影響，在同樣邊界條件下對cPPM發電機進行三維磁場仿真，圖7～圖11給出r cPPM發電機空載時的三維磁場仿真結果，增磁和弱磁時的勵磁磁勢為1000 A·T。

 

    圖7、圖8為cPPM發電機空載時的磁場矢量圖。勵磁電流為增磁時，每極下永磁體產生氣隙磁通和鐵極氣隙磁通方向相同，兩者經內定子鐵心進入軸形成回路，如圖7a、圖8a中所示；無直流勵磁時，鐵極存在少量的感應磁通，永磁極磁通經內定子鐵心進入軸形成回路，如圖7b、圖8b所示；勵磁電流為弱磁時，每極下永磁極磁通與鐵極磁通方向相反，上半部內定子鐵心磁通全部流人鐵心，下半部內定子鐵心磁通全部流向氣隙，軸向磁通與增磁時的方向相反，如圖7c、罔8c所示。

 

    圖8～圖11為cPPM發電機空載時的氣隙磁密分布圖，其中圖lO、圖11分別是從電機軸向和徑向觀察到的氣隙磁密分布曲線。從中可以看出：一是與無勵磁相比，增磁和弱磁時永磁極下氣隙磁密波幅值有較小變化，增磁時對永磁極有弱磁作用，弱磁時對永磁極有增磁作用；二是無勵磁時鐵極處的氣隙磁密并不為零；三是同樣勵磁安匝下增磁和弱磁時鐵板處的磁密大小不一樣，前者大于后者，這是弱磁時軸向磁場會出現飽和，勵磁磁路磁阻比增磁時大的緣故。

    采用二維有限元方法計算水磁極以及增磁時鐵極處的氣隙磁場，與三維有限元方法計算出的結果偏差很小，然而對于弱磁時鐵極處的氣隙磁場，兩種方法計算結果偏差很大，二維計算結果偏大。因此，對于弱磁時鐵極鐵極處的氣隙磁場，采用三維有限元方法汁算比較合適。

    3軸向磁場的影響

可見，弱磁時內定子鐵心(圖中垂直方向為電機軸向)所在軸區域相當飽和，同樣勵磁安匝增磁時軸部磁密極低，無勵磁時介于兩者之間。

    隨著弱磁電流的增大，導磁機殼磁密迅速上升，很快進入飽和；增磁電流逐漸增大時，導磁機殼磁密隨之下降，當增磁電流為2．5A左右時，導磁機殼磁密降至零，爾后再反向增大。

    內定子軸與導磁機殼的情況基本相同。

    可見，cPPM發電機弱磁和增磁時磁路和飽和程度并不一致。由于弱磁時存在較大的軸向磁動勢，導磁機殼和內定子軸很快進入飽和，弱磁區間的寬度會比較窄；增磁時導磁機殼和內定子軸磁密逐漸下降，使增磁區間加寬。因此，應充分利用cPPM發電機增磁時的這一特點來實現寬范圍增磁和相對弱磁，并降低電機鐵耗。

    4結論

    (1)應用等效分析模型計算cPPM發電機二維磁場，無勵磁和增磁情況下的磁場仿真結果基本準確，弱磁情況下的磁場仿真結果存在較大偏差；

    (2)鑒于c PPM發電機的軸向勵磁和鐵極結構，必須對其進行三維磁場有限元分析才能比較準確計算出電機的磁場分布，特別是在容易出現軸向磁路飽和的弱磁情況；

    (3)增磁和弱磁時cPPM發電機軸向磁場存在。