关于复合励磁稀土永磁同步发电机相关问题的探究

摘 要： 复合励磁稀土永磁同步发电机属于一种新型的双电压输出，其中，定子采用了简单可靠的双绕组结构，转子采用了永磁体和辅助电励磁相结合的符合励磁结构，该发电机做到了同时兼顾永磁同步发电机和电磁同步发电机，本文从阐述复合励磁稀土永磁同步发电机的结构出发，详细分析了其性能特点以及永磁体部分的相关设计问题，并探究一系列复合励磁稀土永磁同步发电机基础下的数学模型，从而为我国以后发电机的研究提供了重要的借鉴意义。

关键词： 复合励磁；稀土永磁同步发电机；性能特点；数学模型

在现代化建设的飞速发展和科学技术不断进步的大背景下，经济社会生产对移动电站的需求日益增加，不管是城市化建设，还是国防政治，在各个方面的移动作业中，都迫切需要移动电站发挥其强大的供电性能，从而满足整个国家的电源供电要求。但是，目前的移动电站系统主要依靠发电机组、配电与设备之间协调控制来实现，其中常规的电励磁和永磁发电机面临着体积大、调压困难等系列难题，无法使移动电站系统真正满足移动作业要求的多电源输出、高功率、高效率、结构紧凑等相关特性，因此，在如此严峻的形势下，研究出了相对先进的新型同步发电机——复合励磁稀土永磁同步发电机。

一、复合励磁稀土永磁同步发电机的结构介绍

1.永磁体部分

由永磁发电机和电励磁两部分组成的复合励磁稀土永磁同步发电机，它的电枢绕组感应电势又分别是由永磁体和电励磁绕组形成，并使得发电机的主磁场与调节电压的辅助磁场在电磁路中联合起来。其中，复合励磁稀土永磁同步发电机的定子结构与传统的电励磁发电机的定子结构两者是相同的，而转子则利用了切向槽楔结构，使得永磁体呈现出并联的状态，这时两块稀土永磁体就会向发电机提供每极磁通，且每块稀土永磁体的磁势会提供每队极磁势。

其实，永磁体切向结构只是简单的一种聚磁结构，它能够做到提高发电机的气隙磁感应强度。其与电励磁发电机的励磁绕组结构相同，两者使用共同的电枢，在电流随着外电压的变化而发生变化的过程中，发挥着不断调节磁场大小和方向的重要作用。

2辅助电励磁部分

辅助电励磁部分进行的无刷化处理是由于复合励磁稀土永磁同步发电机主体部分采用无刷处理造成的，并且在此基础上，电励磁绕组结构的转子部分也应该通过爪极结构来实现无刷化。

二、永磁体部分的相关设计问题

复合励磁稀土永磁同步发电机设计是通过永磁体与电励磁分别设计共同组成的，尽量做到减小电励磁部分的体积的同时，发挥出永磁发电机体积小的性能，防止出现因永磁体过长或过宽造成的气隙磁通饱和状态。因此，在永磁体部分的相关设计中，应该选择适当的电压调整率，避免电压调整率过大过小出现需要辅助电励磁根据实际情况控制空载感应电势，以下几方面是永磁体部分设计主要考虑的关键。

1.有效改善电压波形

在实际的工业生产中，需要对复合励磁稀土永磁同步发电机产生的电压波形的正弦性设置严格的要求，当电压波形随着每次谐波的次数增高，幅值就会呈下降趋势，而影响波形变化主要是5次和7次谐波，其中为了更加有效的削弱这两种谐波，可以通过适当的绕组槽节距来实现。

为了有效的改善波形，大幅度的降低齿谐波的影响，可以使发电机的定子铁心采用如斜槽、半斜槽结构，并利用分数槽绕组，通过改善磁场波形，从而大大保证减少电压波形正弦畸形变率。

2.永磁体存在的工作点

在复合励磁稀土永磁同步发电机设计的过程中，最大磁能的磁场的建立，可以通过利用永磁材料，并缩小永磁体和整个发电机的体积来实现。但是，在实际应用中复合励磁稀土永磁同步发电机仍然受到各种因素的制约，甚至在运用时偏离了最佳的工作点，造成永磁体产生不可逆退磁现象。

三、复合励磁稀土永磁同步发电机的性能特点

1.具有良好的稳定性能

因为磁稳定性能比较良好，所以应用稀土钴磁性材料对复合励磁稀土永磁同步发电机的稳定性具有很大程度的推动作用，以下是对复合励磁稀土永磁同步发电机进行的试验，通过观察转子及空载电压的变化幅度，来判定突然短路前后空载电压数据的特性。

从上述表中，可以观察到空载电压在突然短路前是每分3000转，电压为176.4伏，而在突然短路后的电压变成了176伏，由此可以看出在突然短路的实验中，空载电压的变化幅度很小，具有良好的稳定性能，更有利于发电机作业时的整体稳定性。

2.具有结构简单、运行可靠、容易维护的特点

复合励磁稀土永磁同步发电机的设计，完全克服了频发感应子自励恒压环节的故障、定子與转子间间隙的变化引起电流的变化，造成了建立正常工作电压的困难且影响发电机升压并网时间等系列不足，它通过永磁体代替了励磁线卷，从而减少了自励恒压环节和蓄电池直流电池装置，与感应子中频发电机相比，其具有运行可靠性高、结构操作简单、维护简易方便等优点。

3.具有较大的经济性

从表中可以得出，在复合励磁稀土永磁同步发电机的设计材料分析中，使用稀土钴作为永磁材料的耗费价值明显低于铝镍钴作为永磁材料，并且钴元素作为战略物资，比较短缺，因此，无论从哪个角度，都是采用稀土钴永磁材料在经济上具有较大的意义。

四、复合励磁稀土永磁同步发电机的数学模型

1基本工作原理

永磁体和电励磁绕组联合产生磁势，且并联提供一定的磁通在气隙中合成，共同推动复合励磁稀土永磁同步发电机的运行。接着，为了尽量减少电压波形正弦性畸变率的影响程度，通过采用非均匀气隙，选取合适的极弧系数，从而使的气隙磁场波形的分布极可能接近于正弦波，保证发电机在实际的操作中发挥正常的功能。

2.双反应理论和电压之间的平衡关系

通过利用Blondel提出的双反应理论，将电枢磁动势在不与直轴和交轴重合的情况下，对直轴分量和交轴分量进行分解分析，并把两者产生的效果相叠加起来，从而有效的解决不均与气隙同步发电机的电枢磁动势作用在不同的位置上所产生的电枢磁场和每极磁通量不一致的现象。

下面假设永磁体感应的空载电势为Eom，电励磁绕组部分感应的空载电势为Eoe，则复合励磁同步发电机空载运行时感应的电势Eo为Eom和Eoe的矢量和，即Eo=Eom+Eoe。

因为两者共用一套绕组，具有相同的负载，因此，对应于永磁体的定子绕组的阻抗以及内功率因数角都和对应于励磁部分的定子绕组部分相同，当发电机磁路出现不饱和时，可利用双反应理论和叠加原理分别得到各自的电压平衡方程式，最终得到复合励磁稀土永磁同步发电机的总电压方程式。

3.复合励磁稀土永磁同步发电机的调整特性

复合励磁稀土永磁同步发电机的外特性U和负载电流I之间具有一定负相关，为了保证发电机负载电流I变化，而电压不变，只能通过发电机电励磁部分的励磁电流进行调节，因为永磁部分的电磁场是固定不变的。

结束语：

综上所述，复合励磁稀土永磁同步发电机有效的利用了永磁发电机和电励磁同步发电机各自的优点，通过实现无刷化、无旋转整流器、无集电环，保证了发电机的稳定运行，大大降低了故障的发生率，并且电励磁部分电流小，使得复合励磁的损耗较小，同时实现了高效率运作，从而在一定程度上解决了永磁发电机调压困难的问题。但是，现行的复合励磁稀土永磁同步发电机仍存在不完善的地方，需要我国不断加大科学技术的投入力度，进一步研究出更高效便捷的复合励磁稀土永磁同步发电机。

作者简介：梁波（1996-），男，贵州贵阳人，现本科在读贵州理工学院。endprint