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摘 要：目前，混合励磁风力发电机是风电发电机的主要研究方向之一，在传统永磁同步电机的基础上增加了一套励磁绕组，同时采用永磁材料和励磁绕组进行励磁。虽然混合励磁电机磁通的调节范围比纯永磁同步电机更大，但励磁绕组的引入也带来了损耗较大的问题。为解决此问题，本文提出了一种基于分裂磁钢的混合励磁风力发电机，该电机保持了传统混合励磁风力发电机的调磁特点，同时通过改变永磁体的用量和排布方式有效降低了混合励磁风力发电机的损耗。
关键词：风力发电机 混合励磁 定子永磁结构 开/闭口槽 永磁磁链
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0082-03
A New Kind of Hybrid Excitation Wind Turbine Based on Split Magnet
ZHANG Zhen
（China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd.， Nanjing，Jiangsu Province， 210000 China）
Abstract： Currently， hybrid excitation wind turbine is one of the main research directions of wind power generators， new kind of hybrid excitation wind turbine added a set of field windings compared with traditional permanent magnet synchronous motors， with permanent magnet materials and excitation windings for excitation. Although the adjustment range of the magnetic flux of the hybrid excitation motor is larger than that of the pure permanent magnet synchronous motor，but the excitation winding loss is also very prominent. To solve the problem， the paper proposes a new hybrid excitation wind generator based on split magnets， The motor maintains the magnetization characteristics of traditional hybrid excitation wind turbines，and reduce the loss of the hybrid excitation wind turbine by changing the amount and arrangement of permanent magnets.
Key Words： Wind power generator; Hybrid excitation; Stator permanent magnet structure; Opening/closing slot; Permanent magnet linkage
传统风能发电机主要应用双馈发电机，该类发电机结构简单、可靠、生产成本低，因而在风力发电早期得到了较大的应用，但随着风力发电技术的提高，双馈电机所带来的弊端也开始逐渐显现出来[1-2]。首先，双馈电机功率密度较低，因而对于风能的利用能力较差;其次，双馈电机功率因数较小，因此大容量双馈电机在并网发电时，需要接入同步发电机以提供励磁无功，但由于同步电机调压能力较弱，很容易导致电压崩溃[3]。近些年来，由于变频技术突飞猛进的发展，直驱式永磁电机开始在风力发电中得到应用[4]。该类电机根据永磁体位置不同可主要分为两类，即转子永磁型风力发电机与定子永磁型风力发电机[5]。
1 传统混合励磁风力发电机优缺点
目前，转子永磁型风力发电机研究和应用较广泛的是转子永磁型混合励磁风力发电机。与普通永磁同步发电机相比，转子永磁型混合励磁风力发电机可以有效调节气隙内的磁密强度，从而可灵活控制发电机的功率输出[6]。一般地，转子永磁型混合励磁风力发电机的混合励磁方式可以分为串联励磁和并联励磁两种[7-8]。串联励磁为电励磁产生的磁路与永磁磁路一致，串联分布;并联励磁为电励磁产生的磁路与永磁磁路并行分布。相比于串联型结构，并联型结构能够有效避免永磁体不可逆退磁的风险，磁场调节能力更强，但是由于电励磁磁通和永磁励磁磁通大小不同，易造成磁路不对称等问题。此外，由于转子永磁型混合励磁风力发电机的励磁绕组位于转子上，会造成转子结构过于复杂，因而降低转子的刚度以及鲁棒性。同时，该结构无法避免电刷滑环，使得整个电机的可靠性进一步降低。总之，该类电机的缺陷可总结为：（1）转子结构过于复杂，可靠性降低;（2）磁场调节能力弱;（3）容易产生不可逆退磁;（4）电励磁绕组热负荷较大，转子散热能力差;（5）由于励磁绕组的励磁能力远弱于永磁体，因而電机整体功率密度较低;（6）无法避免电枢滑环结构[9]。
2 混合励磁风力发电机优化设计 为了解决上述转子永磁型混合励磁风力发电机的问题，本文提出了一种基于分裂磁钢的混合励磁风力发电机，该电机保持了传统混合励磁风力发电机的调磁特点，同时通过改变永磁体的用量和排布方式有效降低了混合励磁风力发电机的损耗。
一种基于分裂磁钢的混合励磁风力发电机，其结构包括定子、转子、电枢绕组、直流励磁绕组、定子槽、磁钢槽、上口磁钢、下口磁钢、转子斜齿、磁钢左定子以及磁钢右定子。该发电机为定子永磁型电机，将永磁体安装在定子侧，转子侧没有永磁体，定子永磁型混合励磁风力发电机将利用特定的拓扑结构在定子上设置永磁体和励磁绕组，从而实现气隙磁场的调节，具备无刷化的优势。
本文提出的定子永磁型混合励磁风力发电机具体结构如图1所示。该电机为定子永磁结构，以一台12槽10齿的分裂磁钢混合励磁风力发电机结构为例，为降低在同等永磁体用量下的磁钢损耗，每一个磁钢槽内的永磁体被分成两段，分别置放于磁钢槽的上端和下端，即为上口磁钢（7）和下口磁钢（8）。电枢绕组（3）位于定子槽（5）内，定子（1）则设计为模块式结构，整个定子由12个定子模块组成，且每个模块左右两边分别连接两组不同极性的由上口磁钢（7）和下口磁钢（8）组成的磁钢对。直流励磁绕组（4）位于磁钢槽（6）内，介于上下两块磁钢之间，定子永磁体磁钢以“N→S”的形式交替排布，即每两齿有一对极。由于励磁绕组磁路和永磁体磁路串联，因而可以通过调整励磁绕组中的电流大小从而调整气隙磁密幅值的大小。从而达到了混合励磁的目的。
本文提出的一种分裂磁钢的混合励磁风力发电机的电枢绕组以双层分数槽集中绕组的方式排布于定子槽内，其槽导体分布图如图2所示;励磁绕组以单层分数槽集中绕组的方式排布于磁鋼槽内，其槽导体分布图如图3所示。
该风力发电机的创新点在于：将传统的单一永磁体结构改进为分段永磁体结构，并在两段永磁体之间加入电励磁绕组，由励磁绕组和永磁体共同合成永磁磁链。其中，永磁磁通为主要磁通，励磁绕组磁通为辅助磁通，在电机正常工作时，通过调节励磁绕组的电流大小调节合成的永磁磁链，以达到增磁和弱磁的目的。
相比于传统转子永磁型混合励磁风力发电机，该风力发电机创新了一种新型的开/闭口槽混合结构。其中，电枢绕组采用嵌入式绕制方法，其所利用的槽类型为开口槽;而励磁绕组采用为入式绕制方法，其所利用的槽类型为闭口槽，通过新型的混合结构设计，既能够利用到开口槽的优势，同时也能够利用闭口槽的优势。
3 结语
本文提出的分裂磁钢混合励磁风力发电机能够将励磁绕组从转子侧转移到定子侧，从而消除电刷滑环结构，并且该结构使得整个电机结构易于安装和加工。该电机具备的优势可以总结为：（1）将永磁体分为上下两段，能够降低永磁体损耗、涡流损耗、磁滞损耗，同时使得定子铁芯利用率更大，平均磁导增加，增大了风力发电机的反电势幅值。（2）采用的双层分数槽集中绕组能够在保证绕组系数的前提下，使得风力发电机端部尽量小，最大程度地降低电枢铜耗。（3）直流励磁绕组的单层分数槽集中绕组设计不仅可以减小风力发电机的端部效应，同时能降低损耗;而且励磁绕组内通入的是直流，因此不会和电枢绕组产生耦合，不会影响风力发电机的反电势波形;此外磁钢槽的闭口槽设计能够有效降低漏磁，提高永磁体的利用率。（4）由于该类风力发电机的磁路为径向互补结构，电机在“永磁励磁+电励磁”的双励磁情况下，能够在不同电励磁程度下保证输出反电势的正弦度，即能够提供较好的供电质量。
参考文献
[1] 马宏忠，李思源.双馈风力发电机转子绕组不平衡故障诊断[J].电机与控制学报，2020，24（2）：138-143.
[2] 刘凌，马一山.面向最大风能捕获的双馈电机新型非线性积分滑模控制[J].西安交通大学学报，2020，54（5）：101-107.
[3] 胡志帅.一种用于双馈风力发电机的新型统一电能质量调节器研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2017.
[4] 熊英英，谢检生.永磁直驱风力发电机转子永磁体的装配技术[J].科技视界，2020（19）：143-144.
[5] 朱孝勇，程明，赵文祥，等.混合励磁电机技术综述与发展展望[J].电工技术学报， 2008，23（1）：30-39.
[6] 宁银行，赵朝会，刘闯.混合励磁电机的技术现状及新进展[J].电机与控制应用，2017，44（5）：1-12.
[7] NEDJAR B，HLIOUI S，AMARA Y，et al.A new patallel double excitation synchronous machine[J].IEEE Trans on Magnetics，2011，47（9）：2252-2260.
[8] 张卓然，耿伟伟，戴冀，等.新型混合励磁电机技术研究与进展[J].南京航空航天大学学报，2014， 46（1）：27-36.
[9] 姜博.基于感应励磁的混合励磁同步发电机的基础研究[D].济南：山东大学，2016.
关键词：风力发电机 混合励磁 定子永磁结构 开/闭口槽 永磁磁链
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0082-03
A New Kind of Hybrid Excitation Wind Turbine Based on Split Magnet
ZHANG Zhen
（China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd.， Nanjing，Jiangsu Province， 210000 China）
Abstract： Currently， hybrid excitation wind turbine is one of the main research directions of wind power generators， new kind of hybrid excitation wind turbine added a set of field windings compared with traditional permanent magnet synchronous motors， with permanent magnet materials and excitation windings for excitation. Although the adjustment range of the magnetic flux of the hybrid excitation motor is larger than that of the pure permanent magnet synchronous motor，but the excitation winding loss is also very prominent. To solve the problem， the paper proposes a new hybrid excitation wind generator based on split magnets， The motor maintains the magnetization characteristics of traditional hybrid excitation wind turbines，and reduce the loss of the hybrid excitation wind turbine by changing the amount and arrangement of permanent magnets.
Key Words： Wind power generator; Hybrid excitation; Stator permanent magnet structure; Opening/closing slot; Permanent magnet linkage
传统风能发电机主要应用双馈发电机，该类发电机结构简单、可靠、生产成本低，因而在风力发电早期得到了较大的应用，但随着风力发电技术的提高，双馈电机所带来的弊端也开始逐渐显现出来[1-2]。首先，双馈电机功率密度较低，因而对于风能的利用能力较差;其次，双馈电机功率因数较小，因此大容量双馈电机在并网发电时，需要接入同步发电机以提供励磁无功，但由于同步电机调压能力较弱，很容易导致电压崩溃[3]。近些年来，由于变频技术突飞猛进的发展，直驱式永磁电机开始在风力发电中得到应用[4]。该类电机根据永磁体位置不同可主要分为两类，即转子永磁型风力发电机与定子永磁型风力发电机[5]。
1 传统混合励磁风力发电机优缺点
目前，转子永磁型风力发电机研究和应用较广泛的是转子永磁型混合励磁风力发电机。与普通永磁同步发电机相比，转子永磁型混合励磁风力发电机可以有效调节气隙内的磁密强度，从而可灵活控制发电机的功率输出[6]。一般地，转子永磁型混合励磁风力发电机的混合励磁方式可以分为串联励磁和并联励磁两种[7-8]。串联励磁为电励磁产生的磁路与永磁磁路一致，串联分布;并联励磁为电励磁产生的磁路与永磁磁路并行分布。相比于串联型结构，并联型结构能够有效避免永磁体不可逆退磁的风险，磁场调节能力更强，但是由于电励磁磁通和永磁励磁磁通大小不同，易造成磁路不对称等问题。此外，由于转子永磁型混合励磁风力发电机的励磁绕组位于转子上，会造成转子结构过于复杂，因而降低转子的刚度以及鲁棒性。同时，该结构无法避免电刷滑环，使得整个电机的可靠性进一步降低。总之，该类电机的缺陷可总结为：（1）转子结构过于复杂，可靠性降低;（2）磁场调节能力弱;（3）容易产生不可逆退磁;（4）电励磁绕组热负荷较大，转子散热能力差;（5）由于励磁绕组的励磁能力远弱于永磁体，因而電机整体功率密度较低;（6）无法避免电枢滑环结构[9]。
2 混合励磁风力发电机优化设计 为了解决上述转子永磁型混合励磁风力发电机的问题，本文提出了一种基于分裂磁钢的混合励磁风力发电机，该电机保持了传统混合励磁风力发电机的调磁特点，同时通过改变永磁体的用量和排布方式有效降低了混合励磁风力发电机的损耗。
一种基于分裂磁钢的混合励磁风力发电机，其结构包括定子、转子、电枢绕组、直流励磁绕组、定子槽、磁钢槽、上口磁钢、下口磁钢、转子斜齿、磁钢左定子以及磁钢右定子。该发电机为定子永磁型电机，将永磁体安装在定子侧，转子侧没有永磁体，定子永磁型混合励磁风力发电机将利用特定的拓扑结构在定子上设置永磁体和励磁绕组，从而实现气隙磁场的调节，具备无刷化的优势。
本文提出的定子永磁型混合励磁风力发电机具体结构如图1所示。该电机为定子永磁结构，以一台12槽10齿的分裂磁钢混合励磁风力发电机结构为例，为降低在同等永磁体用量下的磁钢损耗，每一个磁钢槽内的永磁体被分成两段，分别置放于磁钢槽的上端和下端，即为上口磁钢（7）和下口磁钢（8）。电枢绕组（3）位于定子槽（5）内，定子（1）则设计为模块式结构，整个定子由12个定子模块组成，且每个模块左右两边分别连接两组不同极性的由上口磁钢（7）和下口磁钢（8）组成的磁钢对。直流励磁绕组（4）位于磁钢槽（6）内，介于上下两块磁钢之间，定子永磁体磁钢以“N→S”的形式交替排布，即每两齿有一对极。由于励磁绕组磁路和永磁体磁路串联，因而可以通过调整励磁绕组中的电流大小从而调整气隙磁密幅值的大小。从而达到了混合励磁的目的。
本文提出的一种分裂磁钢的混合励磁风力发电机的电枢绕组以双层分数槽集中绕组的方式排布于定子槽内，其槽导体分布图如图2所示;励磁绕组以单层分数槽集中绕组的方式排布于磁鋼槽内，其槽导体分布图如图3所示。
该风力发电机的创新点在于：将传统的单一永磁体结构改进为分段永磁体结构，并在两段永磁体之间加入电励磁绕组，由励磁绕组和永磁体共同合成永磁磁链。其中，永磁磁通为主要磁通，励磁绕组磁通为辅助磁通，在电机正常工作时，通过调节励磁绕组的电流大小调节合成的永磁磁链，以达到增磁和弱磁的目的。
相比于传统转子永磁型混合励磁风力发电机，该风力发电机创新了一种新型的开/闭口槽混合结构。其中，电枢绕组采用嵌入式绕制方法，其所利用的槽类型为开口槽;而励磁绕组采用为入式绕制方法，其所利用的槽类型为闭口槽，通过新型的混合结构设计，既能够利用到开口槽的优势，同时也能够利用闭口槽的优势。
3 结语
本文提出的分裂磁钢混合励磁风力发电机能够将励磁绕组从转子侧转移到定子侧，从而消除电刷滑环结构，并且该结构使得整个电机结构易于安装和加工。该电机具备的优势可以总结为：（1）将永磁体分为上下两段，能够降低永磁体损耗、涡流损耗、磁滞损耗，同时使得定子铁芯利用率更大，平均磁导增加，增大了风力发电机的反电势幅值。（2）采用的双层分数槽集中绕组能够在保证绕组系数的前提下，使得风力发电机端部尽量小，最大程度地降低电枢铜耗。（3）直流励磁绕组的单层分数槽集中绕组设计不仅可以减小风力发电机的端部效应，同时能降低损耗;而且励磁绕组内通入的是直流，因此不会和电枢绕组产生耦合，不会影响风力发电机的反电势波形;此外磁钢槽的闭口槽设计能够有效降低漏磁，提高永磁体的利用率。（4）由于该类风力发电机的磁路为径向互补结构，电机在“永磁励磁+电励磁”的双励磁情况下，能够在不同电励磁程度下保证输出反电势的正弦度，即能够提供较好的供电质量。
参考文献
[1] 马宏忠，李思源.双馈风力发电机转子绕组不平衡故障诊断[J].电机与控制学报，2020，24（2）：138-143.
[2] 刘凌，马一山.面向最大风能捕获的双馈电机新型非线性积分滑模控制[J].西安交通大学学报，2020，54（5）：101-107.
[3] 胡志帅.一种用于双馈风力发电机的新型统一电能质量调节器研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2017.
[4] 熊英英，谢检生.永磁直驱风力发电机转子永磁体的装配技术[J].科技视界，2020（19）：143-144.
[5] 朱孝勇，程明，赵文祥，等.混合励磁电机技术综述与发展展望[J].电工技术学报， 2008，23（1）：30-39.
[6] 宁银行，赵朝会，刘闯.混合励磁电机的技术现状及新进展[J].电机与控制应用，2017，44（5）：1-12.
[7] NEDJAR B，HLIOUI S，AMARA Y，et al.A new patallel double excitation synchronous machine[J].IEEE Trans on Magnetics，2011，47（9）：2252-2260.
[8] 张卓然，耿伟伟，戴冀，等.新型混合励磁电机技术研究与进展[J].南京航空航天大学学报，2014， 46（1）：27-36.
[9] 姜博.基于感应励磁的混合励磁同步发电机的基础研究[D].济南：山东大学，2016.