稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的設計

吳亞麟

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稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的設計

吳亞麟

福州職業技術學院技術工程系

研究稀土永磁凸極同步發電機氣隙磁場的特點，結合典型規格樣機的實測空載氣隙磁場波形和電壓波形正弦性畸變率，闡述稀土永磁凸極同步發電機極靴的形狀對空載氣隙磁場的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩態電壓調整率的影響，探討稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的設計。

稀土永磁同步發電機 氣隙磁場 電壓波形正弦性畸變率

電機的氣隙磁場是由定子磁場和轉子磁場偶合而成的，它在電機進行機電能量轉換過程中起了主要的作用，決定了機電能量轉換的能力和運行的技術性能。因此，分析與研究電機氣隙磁場是電機設計者的重要研究的課題。

稀土永磁凸極同步發電機（以下簡稱稀土永磁發電機）的轉子磁場是由永磁體提供的，與電勵磁凸極同步發電機（以下簡稱電勵磁發電機）相比，無需勵磁電流，節省了勵磁損耗，具有效率高、結構簡單、運行可靠等優點。但是，凸極同步發電機的極靴形狀直接影響了氣隙磁場的分布波形，為了力求稀土永磁發電機的空載氣隙磁場接近于正弦形分布、降低電壓波形正弦性畸變率Ku、提高稀土永磁發電機的運行性能，對稀土永磁發電機的氣隙磁場進行分析與研究，探討稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的設計是非常必要的。

1 稀土永磁發電機氣隙磁場的特點

由于凸極永磁發電機的氣隙磁場性質與凸極電勵磁發電機的氣隙磁場性質不同，電樞反應產生的效果也有所不同，因此，磁極的極靴形狀的設計參數選擇也有所不同。

首先，電勵磁發電機的電樞反應是可逆的，當電機卸載后，氣隙磁場可以恢復到起始時的空載狀態，隨著電子技術的發展與應用，電勵磁發電機的勵磁可以采用電子電路可控勵磁，對負載的變化實現勵磁自動補償供給，而永磁發電機在運行過程中，隨著負載的變化，電樞反應使永磁體的工作點在磁化曲線的退磁回復線上變化，永磁體工作點的變化引起永磁體發出的磁能積隨之變化，因此，永磁體提供的氣隙磁場具有動態特性，當發電機卸載后（特別在突然短路狀態后），電樞反應可能會使永磁體造成不可逆的去磁反應。

其次，電勵磁發電機為了減小磁極間的漏磁，一般極弧系數αp（αp=bp/τ，bp為極弧長度，τ為極距）選取0.68～0.72為最佳值，而永磁發電機為了增強抵抗電樞的去磁反應能力，極弧系數要選得比電勵磁發電機的極弧系數大得多，這樣，就增大了磁極間的漏磁通，減少了氣隙有效磁通。

第三，電勵磁發電機極靴采用整塊鋼，或者在磁極表層增設阻尼繞組，可以起阻尼作用，而永磁發電機磁極表面如果帶有軟鐵極靴的結構也可以起阻尼作用，如果沒有帶軟鐵極靴的結構，永磁磁鋼直接面對著氣隙，電樞反應直接作用于永磁體，因此，磁極表面應采取形成阻尼作用的措施，這樣，就加長氣隙長度。

第四，在永磁發電機磁路計算中，計算磁位差的方法和計算公式與電勵磁發電機基本相似，但是，各個修正系數大小的選取，直接關系到磁路計算的準確與否。所以凸極永磁發電機與凸極電勵磁發電機的轉子極靴形狀的設計存在著異同點。

永磁體提供一個沿著磁極極靴表面是不隨時間變化的矩形波磁場，含有諧波分量比較大，氣隙長度與最小氣隙長度的比值、極弧系數、磁路飽和度、電樞齒槽效應、漏磁現象等等。為了力求空載氣隙磁場波形接近正弦分布，盡量削弱諧波分量，對凸極稀土永磁發電機極靴形狀的設計進行了探討。

2 極靴形狀設計方案

為了便于定性分析與研究永磁發電機氣隙磁場，假定電樞表面光滑，鐵的導磁率μFe為無窮大，忽略磁路飽和度等影響的因素。本文結合一臺2極、3kW稀土永磁發電機的典型樣機，采用不同磁極極靴形狀結構、不同極弧系數αp、均勻氣隙和不均勻氣隙情況，實測出氣隙磁場波形圖和實測出空載電壓波形正弦性畸變率，分析稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀對氣隙磁場波形分布的影響。樣機采用高矯頑力的稀土永磁（釹鐵硼）瓦片形永磁體，磁極表面不帶有軟鐵極靴的結構，磁極表面采取阻尼作用的措施。

2.1 均勻氣隙

定子電樞內徑與轉子磁極極靴表面直徑為同心圓，極靴表面到電樞表面之間的氣隙長度δ為恒值，稱為均勻氣隙，如圖1所示，由于極靴表面氣隙磁導相等，永磁體提供的磁場在氣隙中產生的磁感應分布規律B=f（x）是一個矩形波，如圖2所示，均勻氣隙中非正弦規律分布的磁感應B（x）含有較大的諧波分量。圖3為一臺2極、3kW均勻氣隙的稀土永磁發電機樣機的磁極結構截面示意圖，磁極表面不帶有軟鐵，由于定子沖片單邊齒槽效應，使得齒和槽下的氣隙磁導不一樣，空載氣隙磁場分布為鋸齒形波，圖4所示為利用示波器測出極弧系數αp分別為0.64和0.81時，樣機的空載氣隙磁場分布實際波形曲線，用波形畸變率測量儀測出電壓波形正弦性畸變率Ku見表1。

圖1

圖2

圖3

圖4

2.2 非均勻氣隙

轉子磁極極靴表面到電樞表面之間的氣隙長度不均勻，磁極中心處氣隙長度最小，沿著磁極兩邊氣隙長度δ（x）按一定規律連續增大，磁極兩端氣隙長度最大δmax，稱為非均勻氣隙。此時由于極靴表面氣隙長度不相等，故氣隙磁導也不相等。為了力求永磁體提供的磁場在氣隙中分布規律B=f（x）接近于正弦形波，采用合適的非均勻氣隙的轉子磁極極靴形式，有利于減小諧波分量，改善永磁發電機的電壓波形，降低電壓波形正弦性畸變率Ku。

2.2.1偏心圓弧形極靴

采用偏心圓弧形極靴，稀土永磁發電機轉子磁極極靴表面為磁極直徑DP與定子內徑Di成偏心的偏心圓弧形結構，磁極中心處氣隙長度最小為δ，磁極兩端氣隙長度最大δmax，極靴偏心距H為；

由于非均勻氣隙中極靴表面氣隙磁導不相等，永磁體提供的磁場在氣隙中產生的磁感應分布規律B=f（x）是一個接近于正弦形波，利用電勵磁凸極發電機推薦的最佳氣隙長度比系數 δmax÷δ=1.5，圖5所示為一臺2極、3kW偏心圓弧形結構的稀土永磁發電機樣機的磁極極靴截面示意圖，磁極表面不帶有軟鐵，圖6所示為利用示波器測出極弧系數αp分別為0.64和0.81時，樣機的空載氣隙磁場實際波形曲線，用波形畸變率測量儀測出電壓波形正弦性畸變率Ku見表1。

圖5

圖6

2.2.2氣隙長度按正弦規律變化

采用氣隙長度按正弦規律變化的偏心圓弧形極靴，在磁極中心處氣隙長度最小為δ，沿著磁極兩邊氣隙長度按正弦規律變化，磁極兩端氣隙長度最大δmax，轉子磁極極靴表面到電樞表面之間的氣隙長度不均勻。

空載氣隙磁場分布；

空載氣隙磁場基波幅值；

把（4）代入（3）可以求出；

當極弧系數αp選0.64和0.81時，磁極兩端氣隙長度分別為δmax=1.45δ和δmax= 1.48δ。此時非均勻氣隙中正弦規律變化的磁感應B（x）波形如圖7所示。一臺2極、3kW稀土永磁發電機樣機的磁極極靴表面結構與圖5所示相似，磁極表面不帶有軟鐵，利用示波器測出極弧系數αp為0.81時的空載氣隙磁場實際波形曲線如圖8所示，用波形畸變率測量儀測出電壓波形正弦性畸變率Ku見表1。

圖7

圖8

表1 2極3kW稀土永磁發電機樣機實測數據表

2.3 不同設計方案性能分析

從不同設計方案樣機的實測空載氣隙磁場的波形圖和實測數據表可以看出，稀土永磁發電機的空載氣隙磁場的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩態電壓調整率都受到磁極極靴形狀和極弧系數的影響。可以得出：

2.3.1當磁極極靴形狀一樣時，極弧系數αp為0.81時電壓波形正弦性畸變率和穩態電壓調整率比極弧系數αp為0.64時小；

2.3.2當極弧系數αp為一樣時，非均勻氣隙時的電壓波形正弦性畸變率和穩態電壓調整率比均勻氣隙時小，表明非均勻氣隙的磁極極靴形狀優于均勻氣隙的磁極極靴形狀；

2.3.3當氣隙長度比系數 δmax/δ一樣時，非均勻氣隙的磁極極靴存在選取最佳的極弧系數的問題，比較電壓波形正弦性畸變率和穩態電壓調整率，由表1可知，氣隙長度按公式（6）規律變化的樣機與偏心圓弧形極靴比較接近。

3 結束語

本文結合典型規格的稀土永磁凸極同步發電機樣機的實測空載氣隙磁場的波形和實測數據，來闡述稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的設計，對空載氣隙磁場的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩態電壓調整率的影響，由于永磁體勵磁與電勵磁的不同，決定了氣隙磁場性質的不同，使得稀土永磁凸極同步發電機與電勵磁凸極同步發電機的極靴形狀設計存在著異同點，探討稀土永磁凸極同步發電機極靴形狀的優化設計，選擇最佳系數，力求達到稀土永磁凸極同步發電機氣隙分布最接近于正弦波形，有利于減小諧波分量，減小電壓波形正弦性畸變率，以改善永磁發電機的電壓波形。

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