混合励磁发电机原理及励磁调节电路设计

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1、http://www.paper.edu.cn混合励磁发电机原理及励磁调节电路设计齐文娟，邹继斌哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨(150001)E-mail:hit-qq@163.com摘要：混合励磁发电机HEG(HybridExcitingGenerator)可以通过调节励磁绕组的电流来调节发电机的输出电压。本文介绍了一种新型混合励磁发电机的结构和原理，针对样机设计了结构简单的励磁调节电路，实验结果显示这种电机在负载较大范围变化时可以维持输出电压稳定。关键词：混合励磁发电机；电压调节；励磁调节电路中图分类号：TM35

2、11.引言混合励磁发电机是电机内有两种磁源的发电机，永磁体和励磁绕组。具有永磁发电机的高效率、小体积的优点，并且可以通过调节励磁绕组的电流来调节发电机的输出电压，因而[1]具有很好的发展前景。国内外研究的混合励磁电机大体包括7种结构，这类电机的结构虽[2][3]各有不同，但本质上讲，都是永磁体提供主磁场，励磁电流产生的磁场起调节作用，在电机转速和负载一定范围内变化时维持输出电压稳定。由于电机内有两种磁源，电机的结构[4][5]和磁路都比较复杂。本文提到的混合励磁发电机具有结构和励磁控制简单，永磁磁路和电励磁磁路独立且不

3、会使永磁体退磁的特点。本文介绍了这种发电机的结构原理，并针对此种混合励磁发电机设计了励磁调节电路，实现了发电机输出电压的闭环控制。2.混合励磁发电机原理2.1混合励磁发电机结构混合励磁发电机结构见图1。由图可以看到，转子由两部分组成，中间是永磁体部分，结构与表贴式无刷直流电机的转子结构完全相同，瓦片形的磁钢直接贴在转子表面。两头是凸极部分，形状类似于开关磁阻电机的转子，见图3。防止永磁体被短路，凸极部分和永磁体部分留出一定间距。凸极数与永磁体极对数相同，凸极的位置对应于永磁体N极或S极。转子永磁部分和凸极部分共用一个定

4、子绕组。定子绕组为常规三相对称绕组。励磁线圈绕在与定转子同轴的圆筒状支架上。支架固定在定子外壳上，支架内壁与转子之间有一附加气隙。图1混合励磁发电机结构简图Fig.1StructureofHEG-1-http://www.paper.edu.cn图2混合励磁发电机转子结构示意图Fig.2StructureoftherotorofHEG图3四对极混合励磁发电机电励磁部分转子凸极形状示意图Fig.3RotorcrosssectionoftheelectricexcitingpartofaHEGwith4pairsofpol

5、es2.2混合励磁发电机电压调节原理2.2.1混合励磁发电机磁路混合励磁发电机内有两个磁源，永磁体和励磁绕组。永磁部分和电励磁部分的磁路是不同的。永磁部分的磁路为径向磁路，即永磁体N极产生的磁通，穿过气隙，进入定子齿，经过定子轭，再经过S极对应的齿，再次穿过气隙进入S极，形成闭合回路。对于电励磁部分，给励磁线圈通电后，产生的磁势是轴向的。定子电流方向一定时，产生的磁势方向是一定的。绕组通电后产生的轴向磁通在凸极部分改变方向，穿过气隙进入定子铁心与定子绕组交链，之后在定子外壳转为轴向，在支架处再次变为径向行走，穿过附加气

6、隙进入转轴闭合，见图4。由于凸极部分的气隙比永磁部分的气隙小得多，加之永磁体的相对磁导率接近空气，电励磁部分的磁力线不走永磁体，两部分磁路独立，永磁体无退磁危险。可以看出，对于定子绕组，合成的电势为永磁部分电势和电励磁部分电势的和。可以分开来看两部分的电势，然后将其合成。由于凸极数等于极对数，凸极部分对应永磁体N极或S极，故电励磁部分的反电势与永磁部分的反电势相位相同或相反，相位相同时总的合成电势增加；相位相反时，总的合成电势减小。若发电机带载后，调节励磁线圈电流的方向和大小，就可以调节合成电势，进而调节发电机输出电压

7、的大小。-2-http://www.paper.edu.cn励磁绕组凸极气隙附加气隙图4电励磁部分磁路图Fig.4Magneticcircuitofelectricexcitingpart2.2.2电励磁部分反电势对于永磁部分的反电势与永磁同步电机的反电势相同。对于电励磁部分的反电势由于凸极转子的气隙磁场的不同而不同。励磁绕组通电后产生的磁通是单一方向的，即磁力线沿转子轴向行走，在凸极部分散开，由四个转子凸极进入定子齿，或由定子齿进入转子凸极。励磁绕组通单向电流的情况下，转子转一个电周期，对一个固定的线圈而言，磁通不反

8、向，只有大小的变化。永磁部分则不同，转子转一个电周期，对一个固定的线圈而言，它在N极下和在S极下的磁通方向相反，磁通是反向的。电机为8极9槽三相对称绕组，每相占三个槽三个齿，见图6。红色和绿色为A相绕组中间的一个线圈，以这一个单独的线圈为例说明电励磁部分反电势的产生。由于凸极部分对应气隙均匀，气隙磁密波形接近方波，图5为不考虑齿槽