基于感应励磁的混合励磁同步发电机性能
山东大学电气工程学院、聊城一君电机技术开发中心、国网江苏省电力公司检修分公司徐州运维分部的研究人员朱常青、王秀和、张一峰、姜博、李家鹏、沈一鸣，在《电工技术学报》2016增刊1上撰文，针对感应励磁发电机结构简单但励磁容量有限，永磁同步发电机磁场难以调节的问题，研究了一种将二者励磁功能相结合的混和励磁发电机。
气隙中大部分磁场由转子上的永磁体提供，当需要调磁时，通过定子直流绕组与转子上感应绕组的感应作用，在感应绕组上获得调节磁动势，实现发电机磁场的调节。转子上两种励磁源为并联关系，调磁磁路磁阻小，无电刷-集电环系统，保证了发电机的结构简单、可靠性。在原理分析的基础上，使用二维有限元法对电机的磁场调节能力和负载特性进行分析，并进行了样机实验。
有限元分析与实验结果都表明，与同结构参数的永磁同步发电机相比，混合励磁同步发电机具有灵活磁场调节能力；而相对于同一定子励磁磁动势的感应励磁发电机，该发电机输出容量大幅度提高，克服了感应励磁不适用于大容量发电的问题。
感应励磁同步发电机是一种无刷无励磁机的同步发电机，其利用感应原理产生磁动势作为励磁源，因而结构简单，维护方便，特别在小型水力风力电站及恶劣环境中具有广泛的应用前景[1,2]。但由于磁动势感应系数较低，所需定子直流绕组安匝数较大，会导致电机主绕组容量（即电机额定容量）下降过多[3,4]，因此限制了其在大功率发电领域的应用。
而近年来随着永磁材料性能的不断提高和成本的下降，永磁同步电机（Permanent Magnet Synch-ronous Motor, PMSM）以其结构简单、运行可靠、特别是具有其他电机所无法比拟的高效率而越来越受到人们的关注[5,6]。但同时由于永磁体本身的性质，当负载引起电枢电流变化或者转速发生变化时，永磁发电机无法像普通电励磁发电机那样通过调节励磁电流对励磁磁动势进行调节，影响负载的正常工作。
为解决永磁电机磁通不可调的问题，人们提出了多种解决方案，混合励磁是其主要方式[7,8]。按照磁动势源的磁路关系，有串联式和并联式两种。前者励磁绕组产生的磁路要经过永磁体，由于永磁体磁阻非常大，磁场调节需要的励磁电流很大，还可能使永磁体产生不可逆退磁。后者励磁绕组产生的磁体几乎不经过永磁体，较小的励磁电流就可以改变气隙磁通，永磁体也没有去磁危险。
其中，混合励磁爪极电机[9,10]保持了永磁电机的无刷特点，但属于串联方式，励磁电流大，降低了电机效率。而并联式混合励磁爪极电机[11,12]虽然是并联磁路，但附加气隙大、漏磁大的缺点并未得到改善。
在交替磁极式混合励磁中，励磁绕组放置在定子侧，不需要电刷和集电环，但定转子都存在铁心与铁轭之间的磁路连接，存在附加的气隙，增大了磁路磁阻，且电机结构也较复杂[13,14]。
在双凸极混合励磁方式下，电励磁绕组布置在定子上，实现了无刷化，但同样磁路复杂，功率密度不高，漏磁大[15,16]。同步/永磁混合励磁方式下，如文献[17-21]中所介绍的两种混合励磁方案，都需要电刷和集电环，因此都存在可靠性低、维护难的缺点。
综上所述，现有的混合励磁方式中，或者具有电刷-集电环结构，使系统整体可靠性降低；或虽然能实现无刷化，但磁路是串联方式，导致励磁损耗增大，电机效率下降。而一些新型结构虽能实现并联无刷，但结构复杂。如能将感应励磁的概念应用于混合励磁发电机的励磁绕组，不但能实现磁场的灵活调节，而且系统无刷、结构简单、可靠性高。
根据以上分析，本文研究了一种基于感应励磁的混合励磁无刷同步发电机，分析了电机的结构特点与磁场调节原理，利用二维有限元法研究了电机的磁场分布及负载特性，并在此基础上设计制造了样机。
有限元分析结果与样机实验结果都表明，采用该励磁结构后，相比永磁同步发电机，该发电机具有灵活的磁场调节能力；而相对于相同电励磁参数的感应励磁发电机，输出容量大大增加，解决了纯粹的感应励磁同步发电机输出容量过小、不能进行大容量发电的问题。
图12 混合励磁发电机样机
结论
本文研究了一种基于感应励磁的混合励磁无刷同步发电机，在理论分析的基础上，使用二维有限元法对电机的磁通调节性能和空载、负载特性进行了分析，并研制了样机，对分析结果进行了实验验证，得到如下结论。
1）由于转子感应磁动势是通过对定子励磁磁动势的倍极感应获得，取消了电刷-集电环结构，使得电机结构简单、性能可靠。
2）由于辅助绕组电流与转子感应电流的直流分量基本是线性关系，可以方便地通过控制定子励磁磁动势对气隙磁场进行调节。
3）相比单一的感应励磁发电机，采用混合励磁可以用较小的励磁磁动势对气隙磁通密度进行调节，大大降低了励磁损耗，提高了电机的励磁效率。
4）由于混合励磁发电机中永磁体的存在，混合励磁发电机比感应励磁发电机在同一励磁磁动势下有更大的功率输出，可以用于大容量发电领域，拓宽了感应励磁发电的应用空间。