南京航空航天大学自动化学院的研究人员余俊月、曹煜、朱姝姝、刘闯,在2019年第22期《电工技术学报》上撰文,针对电励磁发电机功率密度低,永磁发电机调磁困难等问题,提出一种新型双端混合励磁无刷直流发电机。研究结果表明励磁电流可以调节发电机气隙磁通,解决高效永磁发电机电压难以调整的问题,适用于车辆的高压直流供电系统。

  电励磁发电机结构简单、成本低,通过改变励磁绕组,控制电流能够方便地调节气隙磁场强度,实现宽范围输出电压和调速特性;断开励磁回路能够有效灭磁,实现发电机系统的短路和故障保护。但其存在励磁绕组损耗使得系统效率相对较低,难以实现高功率密度,且由于使用电刷-集电环结构,可靠性不高。

  永磁发电机取消了电刷-集电环结构,省去了产生磁场所需要的励磁功率,因而效率更高,与同功率、同转速的其他类型的电励磁发电机相比较,通常效率可以提高3%~5%,且没有励磁线圈及磁极铁心,能使电机体积减小,减轻质量。但永磁发电机电压难以调节且故障时灭磁困难,在车辆中应用较少。

  混合励磁电机自出现以来,就引起了国内外专家学者的高度关注。前苏联学者最早提出混合励磁发电机,此类电机有两个磁动势源:永磁磁动势源和励磁磁动势源。两种磁动势源共同产生气隙磁场,可以通过调节励磁绕组电流实现气隙磁场调节。

  有学者研究了一种磁分路式切向磁钢混合励磁同步电机,在传统径向磁化结构永磁电机基础上,N磁极组和S磁极组从同侧沿轴向向外延伸,并在延伸端安装导磁桥,励磁绕组放在导磁桥开槽中,轴向磁路不经过机壳,利用磁分路结构调节励磁电流控制气隙磁场,实现无刷化。有学者提出了一种双端调磁型混合励磁电机,永磁体切向磁化,在轴向两端各放置一个励磁绕组,N磁极组和S磁极组从不同侧沿轴向向外延伸,轴向磁路经过导磁桥、机壳和定子铁心,电机为无刷结构。有学者研究了一种并联式混合励磁爪极电机,永磁体呈圆环型夹在爪极中间,在轴向两端放置励磁绕组,也可以用圆环型永磁体代替,减少了爪极间的漏磁通,电机实现无刷化。结合上述电机特点,南京航空航天大学自动化学院的研究人员余俊月、曹煜、朱姝姝、刘闯,在2019年第22期《电工技术学报》上撰文,提出了一种双端混合励磁无刷直流发电机,永磁磁路和励磁磁路为并联关系,其中永磁体是主要的励磁源,励磁绕组产生的磁场用来调节磁路的磁通。同时将励磁绕组放在电机两端,实现无刷结构,不存在因接触不良和磨损等造成的励磁不稳定问题,兼有电励磁电机调磁方便和永磁电机功率密度高的优点。电机工作时,三相交流电通过二极管整流电路转换成直流,从而实现无刷硅整流。

  研究者考虑到发电机的非对称性,利用JMAG软件搭建发电机三维有限元静态和瞬态模型并仿真分析了其不同励磁磁动势下的磁场分布和气隙磁通密度变化及发电机的运行特性。制造了DC 900V、10kW实验样机,实验结果与原理分析和有限元计算相符合,表明这种新型双端混合励磁无刷直流发电机具有如下特点:

  1)该发电机主要由永磁体作用于主气隙磁通,励磁绕组起辅助调节作用,使发电机同时具备高功率密度和调节电压的优点。2)将励磁绕组放在轴向磁桥中,不仅实现了发电机的无刷化,还使得励磁路径和永磁路径形成并联磁路,实现无刷励磁。3)采用集中式双三相整流,相对集中式三相发电机提高了发电机的功率因数和功率容量,同时减小了输出直流纹波,提高了发电机可靠性。

  图1 双端HE-BLDCG结构图13 样机组件图14 电机实验平台举报/反馈

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