齿谐波辅助励磁的混合励磁永磁同步发电机系统研究

Overcoming the shortcomings of the difficult air-gap magnetic field adjustment, while maintaining the advantages of permanent magnet machine, is an important research direction. This project utilizes skillfully and moderately the inherent tooth harmonic magnetic to achieve the air-gap magnetic field adjustment for permanent magnet machine, and proposes a new hybrid excitation scheme.The research includes: (1) The match theory for tooth harmonic and excitation and the accurate design method are studied, and the relationship between the tooth harmonic output in different operating states and the corresponding excitation input is mastered, the exist design problems are solved to make it possesse stable operating state and good compounding characteristic. (2) The mathematical models of the machine system are established for the simplified nonlinear magnetic circuit, the key paraments relevant to the system characteristic and theirs accurate calculation method are obtained to carry out the fast simulation for the machine system performance. (3) The steady-state and transient performance of the machine system are studied to realize performance optimization of the permanent magnet synchronous generator utilizing tooth harmonic for auxiliary excitation. (4) The output field current of the tooth harmonic excitation system is controled to maintain constant voltage under the variable power factor for the generator. Therefore, the research is of great academic value for the perfect of the tooth harmonic theory and the permanent magnet machine theory, but of important engineering value.

在保持永磁电机优点的同时，克服其气隙磁场调节困难的缺点是永磁电机的一个重要研究方向。本项目巧妙地将电机中固有的齿谐波磁场适度地加以利用，以实现永磁电机气隙磁场的调节，形成了一种新型的混合励磁方式。研究内容包括：（1）齿谐波与励磁匹配的理论和准确设计方法的研究，把握各种运行状态下齿谐波输出与所需励磁输入之间的关系，解决该类电机在设计中存在的问题，以保证其具有稳定的工作点和良好的相复励特性；（2）建立电机系统的磁路线性化数学模型，找出表征系统特性的关键参数及其准确的计算方法，以实现对电机系统性能的快速仿真；（3）电机系统稳态和瞬态性能的研究，以实现齿谐波辅助励磁的永磁同步发电机的性能优化；（4）齿谐波励磁系统的控制研究，以实现对励磁电流的控制，使发电机在不同功率因数下均能保持端电压恒定。因此，本项目的研究不仅是对齿谐波理论和永磁电机理论的完善，具有较高的学术价值，而且具有重要的工程应用价值。

项目将定子开槽产生的齿谐波磁场应用于永磁电机，形成了一种新型的齿谐波辅助励磁的混合励磁发电机，该发电机不仅保持了永磁电机的无刷无励磁机等优点，而且实现了对永磁电机气隙磁场的调节，具有重要的学术价值和较好的应用前景。项目围绕该电机的匹配理论、设计方法、数学模型、性能计算与分析，以及励磁电流控制等进行了深入研究。.通过大量电磁场的计算与分析，得到了齿谐波励磁系统输出的励磁电流与定子槽口宽度和气隙长度的拟合公式，提出了一种实现发电机恒压输出的齿谐波绕组设计方法。在无电压调节器的情况下，针对发电机带不同功率因数负载，实现了其端电压的恒定输出。.推导了齿谐波辅助励磁的混合励磁发电机系统数学模型以及磁路线性时的电感参数，该模型包含了电枢绕组、励磁绕组、阻尼绕组、永磁体，以及特有的齿谐波绕组，模型参数计及了定子齿谐波磁导和转子磁极结构等因素，具有通用性强的特点。.针对发电机空载和负载、磁路线性和磁路非线性等多种情况的电磁场计算，得到了转子齿谐波的饱和系数，借助等效磁路法的基本思路，提出了一种快速计算转子齿谐波电动势的方法；采用场路耦合时步有限元法，仿真了永磁体厚度、齿谐波绕组漏抗以及阻尼绕组等对电机系统运行性能影响。.实现了定子侧的控制信号以无线非接触的方式传递到转子侧，解决了对转子齿谐波励磁系统输出的励磁电流控制，以及发电机端电压调节的问题。基于形成的齿谐波励磁理论，研制了齿谐波自励恒压混合励磁永磁发电机，样机实验验证了理论的正确性，具有较好的应用前景。