永磁同步发电机比较与分析

夏永洪，刘俊波，李梦茹，刘 冲，熊哲浩

(南昌大学，南昌 330031)

0 引 言

相较于传统电励磁同步发电机，永磁同步发电机以永磁体替代电励磁绕组建立电机主磁场，拥有高效率的特点；同时，引入永磁体可轻松实现电机的无刷化，故永磁电机具有运行可靠的特点；此外，随着近年来高性能稀土永磁材料的发展，永磁体的磁能积与矫顽力大幅提升，令永磁电机拥有高功率密度的特点。为此，永磁同步发电机在诸多领域中，特别在直驱式风力发电系统中应用广泛[1]。

虽然永磁体的低磁导率使得永磁同步发电机外特性较好，但永磁体不同于电励磁绕组，磁场无法直接调节，在一定程度上限制了永磁同步发电机的进一步推广。为了解决该问题，有学者提出了混合励磁电机的概念，在永磁电机的基础上保留部分励磁绕组用以解决调磁问题。其中气隙磁场主要由永磁体建立，电励磁绕组起辅助作用，以调节气隙磁场[2-3]。

电机内各种谐波磁场含量丰富，通过恰当布置谐波绕组，获取电机内谐波磁场作为励磁电源以解决永磁电机的调磁问题，是电机领域的一个新的研究方向[4-5]。相较于三次谐波励磁需要通过电刷或交流励磁机、五次谐波励磁通常需采用集中整距电枢绕组的布置方式，文献[5]提出的齿谐波励磁方案，其原理是利用电机内固有的齿谐波磁场，在转子齿谐波绕组中感应的谐波电动势整流后直接提供给发电机的励磁绕组，如图1所示。该电机在无交流励磁机的情况下，实现了电机的无刷化，且谐波励磁功率不受定子电枢绕组形式的影响。

图1 齿谐波励磁的混合励磁发电机原理图

齿谐波励磁的混合励磁发电机是一种新型的永磁发电机，该发电机定子与普通永磁发电机定子相同，转子有永磁体、励磁绕组和齿谐波绕组，永磁体形成的永磁磁极和电励磁绕组形成的铁磁磁极的数量，可以根据发电机的调磁范围设定。本文从运行效率、材料用量以及调磁能力3个方面与普通永磁同步发电机进行比较与分析。针对额定参数和主要尺寸相同的2台永磁同步发电机进行了仿真计算，并结合仿真计算结果进行比较与分析。

1 比较与分析

1.1 运行效率

效率是衡量电机性能的一个重要指标，额定工况下同步发电机效率可表示：

(1)

式中:PN为额定功率；∑p为发电机总损耗，对于齿谐波励磁的混合励磁发电机，∑p=pFe+pCua+pCufd+pCuth+pmec+pad，pFe为定子铁损耗，pCua为电枢绕组铜损耗，pCufd为励磁绕组铜损耗，pCuth为齿谐波绕组铜损耗，pmec为机械损耗，pad为附加损耗。对于普通永磁同步发电机，∑p=pFe+pCua+pmec+pad。铁损耗与频率、气隙磁密和电机重量有关，对于额定参数和主要尺寸相同的电机，其铁损耗看作相等。

齿谐波励磁的混合励磁发电机的铜损耗包括电枢绕组铜损耗pCua、励磁绕组铜损耗pCufd和齿谐波绕组铜损耗pCuth3部分，其铜损耗比普通永磁同步发电机大一些。但由于所需要的励磁功率较小，励磁绕组铜损耗和齿谐波绕组铜损耗的比例很小，对发电机的运行效率影响不大。

pmec和pad则主要取决于电机材质、结构、生产工艺等因素，可由参考经验公式、经验数据得出[6]，且对于同容量、构造相近的电机，其机械损耗与附加损耗基本相同。

1.2 材料用量

电机制造成本主要取决于各类材料的用量。对于齿谐波励磁的混合励磁发电机包括定转子硅钢片、永磁体、电枢绕组、励磁绕组和齿谐波绕组等材料；对于普通永磁同步发电机包括定转子硅钢片、永磁体、电枢绕组等材料。当发电机的额定参数和主要尺寸相同时，电枢绕组和定转子硅钢片的用量基本相同。与普通永磁同步发电机相比，齿谐波励磁的混合励磁发电机增加了励磁绕组和齿谐波绕组等用量，但减少了永磁体的用量，由于永磁体的价格大约为铜价格的10倍，因此其成本更低。

1.3 调磁能力

对于普通永磁同步发电机，气隙磁场由永磁磁动势和电枢磁动势共同产生。由于永磁磁动势取决于永磁体的性能，而电枢磁动势随负载电流变化而变化，因此发电机端电压难以保持恒定。对于齿谐波励磁的混合励磁永磁发电机，气隙磁场由永磁磁动势、电励磁磁动势和电枢磁动势共同产生。当发电机负载发生变化时，可以调节电励磁磁动势实现端电压的恒定。在不考虑磁路饱和的情况下，该发电机的调磁能力可表示：

(2)

式中:pFe为铁磁磁极数;pPM为永磁磁极数。

2 仿真计算与分析

2.1 电机结构与参数

为了验证理论分析的正确性，针对2台永磁同步发电机进行了仿真计算，其截面图如图2所示，永磁体为内置式，呈V字型布置，电机主要参数如表1所示。

表1 永磁电机主要参数

2台永磁同步发电机电枢绕组均Y接，并联支路数为1，每相串联匝数为195匝。

为了便于对比，仅将普通永磁同步发电机的相对的2个永磁磁极改为铁磁磁极，在铁磁磁极极身布置电励磁绕组，每极电励磁绕组为230匝，在永磁磁极布置齿谐波绕组，每极谐波绕组为36匝，共108匝。

(a) 普通永磁电机

(b) 齿谐波励磁的混合励磁电机

2.2 仿真计算

采用电磁场有限元法针对这2台永磁同步发电机进行仿真计算。额定工况下，2台电机定子铁耗如图3所示。

图3 电机定子铁耗波形图

表2为2台永磁同步发电机运行于额定工况下的各项损耗与效率比较，其中机械损耗和附加损耗采用经验公式计算[6]。

表2 2台永磁发电机损耗和效率比较

由表2可知，对于额定参数和主要尺寸相同的2台永磁同步发电机，当其运行工况相同时，2台发电机的定子电枢绕组铜损耗和定子铁损耗基本相等，与前面的理论分析一致。对于齿谐波励磁的混合励磁发电机，尽管存在励磁损耗和齿谐波绕组损耗，但其比例很小，因此其运行效率较普通永磁同步发电机略有下降。

表3为2台永磁同步发电机主要材料用量比较。电枢绕组线径为1.4 mm，谐波绕组与励磁绕组线径为1.18 mm。

表3 材料用量比较

由表3可知，2台永磁发电机的用铁量基本相同。普通永磁同步发电机的永磁体用量比齿谐波励磁的混合励磁多0.72 kg，而绕组用铜量少2.48 kg。但永磁体的价格为铜价格的10倍左右，因此，齿谐波励磁的混合励磁发电机的成本更低。

图4为齿谐波励磁的混合励磁发电机空载特性曲线。

图4 齿谐波励磁的混合励磁发电机空载特性曲线

由图4可知，当齿谐波励磁的混合励磁发电机的励磁电流从0增加到4.5 A时，空载线电压从347.87 V升至434.1 V，调压幅度为86.23 V，调压范围为24.7%。根据式(2)，其调压范围理论上应为1/3，主要是由于磁路饱和造成的。

普通永磁同步发电机外特性和齿谐波励磁的混合励磁发电机调整特性，如图5所示。

(a) 永磁电机外特性曲线

(b) 齿谐波励磁的混合励磁

随着负载电流的增大，电枢反应去磁作用增强，永磁同步发电机输出电压下降，电压调整率为8.76%，如图5(a)所示；而齿谐波励磁的混合励磁发电机可通过调节铁磁磁极的气隙磁场，保持输出电压恒定，调节特性曲线如图5(b)所示，有效地解决了永磁同步发电机的调磁问题。

3 结 语

齿谐波励磁的混合励磁发电机是一种新型的永磁同步发电机，针对该新型永磁同步发电机和普通永磁同步发电机进行了对比和分析。当2台永磁同步发电机的额定参数和主要尺寸相同时，新型永磁同步发电机的运行效率略有下降，仅降低了1.2%，但其具有较宽气隙磁场调节范围，且永磁体用量较少，制造成本更低。

[1] 樊名迪，林辉，米月星.2MW直驱式风电机组的建模与仿真[J].微特电机，2012，40(7):26-29.

[2] 赵朝会,秦海鸿,严仰光.混合励磁同步电机发展现状及应用前景[J].电机与控制学报,2006,10(2):113-117.

[3] 张琪,黄苏融,谢国栋,等.独立磁路混合励磁电机的矩阵分析[J].中国电机工程学报,2009,29(18):106-112.

[4] 夏永洪，王善铭，邱阿瑞，等.新型混合励磁永磁同步电机齿谐波电动势的协调控制[J].电工技术学报，2012，27(3):56-61.

[5] 夏永洪，王善铭，黄劭刚，等.齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机[J].清华大学学报(自然科学版)，2011，51(11):1557-1561.

[6] 戴文进，杨莉.电机设计理论与实践[M].北京:清华大学出版社，2013:208-267.