新型并列转子结构无刷混合励磁同步发电机研究

Hybrid excitation generator becomes a hot research field because of the advantages of both high efficiency, high power density of permanent magnet generator and the ability of adjusting magnetic field of electrical excitation machine. It is attractive in the field of ships, aviation, new energy power generation, etc. The hybrid excitation generator with parallel rotor structure has a strong ability of adjusting magnetic field. However the brush is still used or the complex structure design is used to achieve brushless in the some existing hybrid excitation generator with parallel rotor, which leads to reduced reliability of high-speed operation and ability of adjusting magnetic field. Therefore, the new hybrid excitation brushless synchronous generator with parallel rotor structure is proposed in this project, which has a simple structure, strong ability of adjusting magnetic field and high reliability. The design method for the hybrid excitation generator with parallel rotor structure is studied, and the analytical calculation model of airgap magnetic field on the condition of new rotor structure is build for improving the accuracy of no-load electromotive force and armature reaction reactance. The coordinate design of permanent magnet part, electrical excitation part and AC exciter is carried out, that provide a theoretical reference for optimizing the structure of generator. The operating performances of the hybrid excitation generator are analyzed by the 3-dimensions coupled magnetic-circuit finite element method, and the experimental researches are performed to verify the veracity of the design method. The research results have important reference value to the further research and development applications for the generator with parallel rotor structure in this project.

混合励磁发电机既具有永磁发电机高效率、高功率密度的优点，又具备电励磁电机磁场调节的能力，是电机领域的研究热点，在舰船、航空、新能源发电等领域极具吸引力。并列转子结构混合励磁电机磁场调节能力较强，但现有结构有的仍为有刷形式，或者通过复杂的结构设计实现无刷化，导致高速运行可靠性降低及调节能力减弱。因此，本项目提出一种新型并列转子结构无刷混合励磁同步发电机，具有结构简单、磁场调节能力强以及可靠性高等特点。本项目拟针对该结构混合励磁发电机的电磁设计方法进行深入研究，建立新型转子结构下气隙磁场的解析模型，以提高空载反电动势和电枢反应电抗计算的准确性；针对永磁部分、电励磁部分以及交流励磁机进行协调设计，为发电机结构优化提供理论参考依据；建立3D场路耦合有限元模型，系统分析电机的运行性能，并进行相关的试验研究，验证设计方法的正确性。本项目研究成果对促进该类电机的进一步深入研究和开发应用具有重要参考价值。

混合励磁发电机既具有永磁发电机高效率、高功率密度的优点，又具备电励磁电机磁场调节的能力，是电机领域的研究热点，在舰船、航空、新能源发电等领域极具吸引力。并列转子结构混合励磁电机磁场调节能力较强，但现有结构有的仍为有刷形式，或者通过复杂的结构设计实现无刷化，导致高速运行可靠性降低及调节能力减弱。因此，本项目提出了一种新型并列转子结构无刷混合励磁同步发电机，该电机的永磁转子采用离散halbach结构，电励磁转子采用隐极结构，交流励磁机及旋转整流桥分别放置在两个端部空间。该电机具有结构简单紧凑、磁场调节能力强以及可靠性高等特点。在此基础上，研究了改进的电励磁转子磁极结构；建立了气隙磁场的解析模型，进一步地针对该结构混合励磁发电机的电磁设计方法、转子磁极匹配设计方法进行了深入研究；采用3D有限元法进行了仿真计算，并试制了2台样机进行了试验验证。研究结果表明：（1）提出的端部铁心磁极结构，可使电机定子铁心长度降低7.6%，进一步提高了功率密度；（2）额定转速下，当永磁转子单独作用产生的空载反电动势等于额定输出电压时，以此为限制条件来确定永磁转子轴向长度，既可以满足负载恒压输出的要求，同时也具备较低的励磁电流；（3）基于谐波相抵的转子磁极结构匹配方法，通过对比两种转子气隙磁密主要谐波含量大小及相位是否相反，能够准确判断所选转子组合是否有利于提高电压波形正弦度。（4）样机的仿真及试验结果基本一致。基于轴向长度匹配方法得到的转子结构能够满足负载恒压输出的性能要求；基于转子磁极结构匹配方法确定的典型转子组合，与永磁转子单独发电相比，混合励磁发电时输出电压的17次谐波幅值及波形畸变率均降低，实现了电压波形优化。. 本项目的研究成果一方面能够为并列转子混合励磁同步发电机的轴向长度匹配设计、改善输出电压特性提供重要的理论参考，另一方面也可为进一步提高功率密度提供了有效的结构改进方向。