徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的比較研究

趙朝會

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海200240)

徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的比較研究

趙朝會

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海200240)

利用磁路和有限元的計(jì)算方法,探討了4種徑向結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子作為永磁同步發(fā)電機(jī)時電機(jī)性能的差別,研究了產(chǎn)生這些區(qū)別的原因,分析了各自漏磁的情況。指出轉(zhuǎn)子采用4種不同的徑向結(jié)構(gòu)時,電機(jī)的電抗、電壓變化率、短路電流、短路比、靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定度、漏磁等均有變化,從外特性、電壓波形正弦畸變率、運(yùn)行穩(wěn)定性、漏磁等方面比較了4種徑向結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的性能。

徑向結(jié)構(gòu);永磁同步發(fā)電機(jī);有限元方法;特性

Abstract：Using the computing methods of magnetic circuit and finite element,this paper discusses the different performance of four types of radial structure permanent magnet rotors serving as permanent magnet synchronous generator(PMSG),studies the reasons that cause these differences,analyses the magnetic flux leakage of each type,points out that reactance,voltage rate of change,short circuit current,stabilization of static state and dynamic state,and magnetic flux leakage are all different with the four types of rotors,and makes comparative study of the performance of the four types of radial structure permanent magnet generators in the aspects of external characteristics,voltage sinusoidal waveform distortion rate,running stability,magnetic flux leakage and so on.

Key words:radial structure;permanent magnet synchronous generator(PMSG);finite element method;characteristic

圖1 常見的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The permanent magnet synchronous generator

與電勵磁同步電機(jī)比較,永磁同步電機(jī)具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等突出優(yōu)點(diǎn),在風(fēng)力發(fā)電、電力驅(qū)動等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與電勵磁同步發(fā)電機(jī)相同,而轉(zhuǎn)子則采用永磁體勵磁。根據(jù)永磁體的形狀和在轉(zhuǎn)子上放置方式的不同,常見的徑向結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子有面貼式和內(nèi)置式2種。

文獻(xiàn)[1]中圍繞減小內(nèi)置切向式永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸側(cè)的漏磁問題開展了研究,比較了輔助磁極4種放置位置時電機(jī)的氣隙磁密,并對輔助磁極進(jìn)行了優(yōu)化;文獻(xiàn)[2-5]中研究了切向結(jié)構(gòu)極對數(shù)的選擇和磁鋼厚度對電機(jī)性能的影響;文獻(xiàn)[6]中討論了切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)輔助磁極的2種最佳位置和較為合適的極對數(shù)及磁鋼厚度,繼而對切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化;綜合考慮了氣隙大小、轉(zhuǎn)軸材料、極弧系數(shù)、磁鋼厚度和極對數(shù)等因素;文獻(xiàn)[7]中對比分析了徑向和切向結(jié)構(gòu)2種電機(jī)的性能;文獻(xiàn)[8]從多個方面比較了面貼式永磁同步發(fā)電機(jī)和內(nèi)置切向式永磁同步發(fā)電機(jī)的性能;文獻(xiàn)[9-10]中研究了斜槽寬度及非均勻氣隙對永磁同步發(fā)電機(jī)性能的影響。隨著徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用的日益廣泛,有必要對比研究常見徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能,但目前還沒有相關(guān)的文章。

Ansys公司的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件是一個多物理場仿真的有限元分析軟件,本文利用磁路分析的RMxprt軟件和有限元分析的Maxwell2D軟件,全面比較了4種徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能參數(shù),得出了一些實(shí)用的結(jié)論。

1 4種徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

在徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)中,一對極的兩塊磁鐵是串聯(lián)的,一塊磁鐵截面對每極氣隙提供磁通,兩塊磁鐵的磁化方向長度對磁路提供磁勢,因此,電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度近似等于磁鐵工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。4種徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的幾何模型如圖1所示。

圖1中,A,B,C結(jié)構(gòu)屬于表面貼徑向式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu);而D結(jié)構(gòu)是內(nèi)置徑向式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),其永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部,軸向插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通,永磁體外表面與定子內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴。永磁體受到極靴的保護(hù),其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度,而且易于“弱磁”擴(kuò)速。

在電機(jī)的技術(shù)參數(shù)(見表1)、結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表2)相同的情況下,計(jì)算了4種徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)。表1中,SN為視在功率;UN為額定負(fù)載時的電壓;φ為功率因數(shù);m為相數(shù);nN為轉(zhuǎn)速;p為極對數(shù);α為極弧系數(shù)。表2中,Di為電樞內(nèi)徑;Do為電樞外徑;Z為槽數(shù);L為電樞長度;hm為磁鋼厚度;bm為磁鋼寬度。

表1 4種結(jié)構(gòu)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of the four types of generators

表2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters

2 4種結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)性能參數(shù)的比較

利用RMXprt軟件計(jì)算的4種電機(jī)的性能參數(shù)如表3所示,其中,Xad為直軸電樞反應(yīng)電抗;Xaq為交軸電樞反應(yīng)電抗;X1為漏電抗;R1為繞組電阻;E0為空載電動勢;IK為短路電流;THD為感應(yīng)電壓的諧波失真率;η為額定負(fù)載時的效率;m為有效材料質(zhì)量。

表3 4種電機(jī)的性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters

2.1 直軸、交軸電抗的比較

相對于導(dǎo)磁材料,永久磁鐵的磁導(dǎo)率低,對電樞反應(yīng)磁場的削弱作用較大,因此,永磁電機(jī)的 Xad比電勵磁電機(jī)的 Xad小得多。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,4種徑向結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)中,D結(jié)構(gòu)電機(jī)的Xad和 Xaq最大,A,B結(jié)構(gòu)電機(jī)的 Xad和 Xaq最小;在C,D結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)中,Xad

2.2 外特性的比較

在相同的技術(shù)參數(shù)、相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下,保證4種結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的主要尺寸和有效材料基本相同,比較了4種結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性,其外特性曲線如圖2所示。

圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)外特性的比較Fig.2 Comparison of voltage-current characteristics

2.3 電壓調(diào)整率的比較

電壓調(diào)整率ΔU是衡量發(fā)電機(jī)性能的一個指標(biāo)。其義為:在額定電壓和額定負(fù)載工況下,切除負(fù)載而不改變勵磁時,端電壓變化相對額定電壓的百分?jǐn)?shù),即

計(jì)算可知,4種永磁同步電機(jī)的ΔU分別為6.4%、6%、6.2%、8.7%。

由圖2和式(1)的計(jì)算結(jié)果可知:A,B,C結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性相差不多,比D結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性硬得多,它們的ΔU也比D結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)小,這有2個原因:①A,B,C結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的Xad和 Xaq比D結(jié)構(gòu)電機(jī)相對較小,從而大大削弱了電樞反應(yīng)的去磁作用;②D結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的漏磁隨著負(fù)載的增加會增大。

2.4 感應(yīng)電勢波形的影響比較

同步發(fā)電機(jī)電動勢波形(見圖3)的正弦性有嚴(yán)格的要求,通常用電壓波形正弦性畸變率(THD)表示,指實(shí)際電動勢(通常指空載線電壓)波形與正弦波形之間的偏差程度。

THD是指該電壓波形中不包括基波在內(nèi)的所有各次諧波有效值平方和的平方根與該基波有效值的百分比,表示為

圖3 感應(yīng)電勢波形Fig.3 Voltage waveform

式中,Ur為線電壓中r次諧波的有效值;U1為線電壓中基波的有效值。

由式(2)計(jì)算可知,4種結(jié)構(gòu)電機(jī)的 THD分別為0.346%、0.335%、0.392%、0.442%。

比較THD可以看出:A,B結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的THD小于C,D結(jié)構(gòu)的電機(jī)。這是因?yàn)?A,B結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的 Xad和 Xaq比C,D結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)要小,即A,B結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的直軸和交軸磁阻要大于C,D結(jié)構(gòu)。

2.5 短路特性的比較

短路特性是指電機(jī)輸出穩(wěn)定短路時 IK與勵磁電流 If之間的關(guān)系,即 IK=f(If),同步電抗對其影響很大,它反映了電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場共同對電樞繞組的作用,這2個磁場對電樞端電壓的影響是以電抗壓降的形式表現(xiàn)出來的,它使端電壓升高還是降低決定于負(fù)載電流的性質(zhì)。計(jì)算可知,A,B,C結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流 IK比D結(jié)構(gòu)電機(jī)大得多,究其原因,是由于結(jié)構(gòu)A,B,C的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的 Xad比D結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)小得多產(chǎn)生的。

2.6 功角特性的比較

功角特性反映的是電機(jī)電磁功率 Pem與功率角θ之間的關(guān)系,即

式中,U為端電壓;P′em為基本分量,是定轉(zhuǎn)子磁場間傳遞的功率;P″em為附加分量,是由于直軸和交軸磁路的磁阻不同而產(chǎn)生的能量傳遞,它與電機(jī)的勵磁狀態(tài)無關(guān),只要直軸電抗 Xd不等于交軸電抗Xq,P″em就存在,通常情況下把它稱為“凸極效應(yīng)”。

式(3)中,如果 dPem/dθ>0,則電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),dPem/dθ越大,電機(jī)維持穩(wěn)定同步運(yùn)行的能力越強(qiáng),發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性能就越好。

由表3可知,A,B結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的 Xd和 Xq相等,相當(dāng)于一臺隱極電機(jī),電機(jī)的電磁功率僅有 P′em,沒有凸極效應(yīng)引起的P″em;而C,D結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)則相當(dāng)于凸極電機(jī),其電磁功率不僅包含 P′em,還包含有凸極效應(yīng)引起的 P″em。根據(jù)式(3)分析可知,C,D結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)功角特性的變化規(guī)律與A,B結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)不同,其dPem/dθ小,故其運(yùn)行的穩(wěn)定性不如A,B結(jié)構(gòu),而僅C,D結(jié)構(gòu)和D結(jié)構(gòu)相比,D結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

2.6 漏磁大小

圖4是4種結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的磁力線分布圖。由圖4可以看出,A結(jié)構(gòu)中沒有明顯的漏磁出現(xiàn);而B,C,D結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁極之間出現(xiàn)了漏磁,其中,D結(jié)構(gòu)是磁橋設(shè)計(jì)不合理時電機(jī)的磁力線分布,如果磁橋設(shè)計(jì)不合理,電機(jī)將無法工作。

圖4 電機(jī)的磁場分布Fig.4 Flux distribution of the machine

2.7 轉(zhuǎn)子加工、裝配的工藝性的比較

圖1所示的A,B,C結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)中,表面貼結(jié)構(gòu)的永磁體直接面向氣隙,漏磁系數(shù)較小,能產(chǎn)生較大的磁通,結(jié)構(gòu)簡單,材料的利用率高,易于批量生產(chǎn),交軸電樞反應(yīng)磁通經(jīng)磁阻很大的永磁體閉合,氣隙磁場的畸變率較小;但永磁體是瓦片形或弧形的,形狀復(fù)雜,加工費(fèi)時,有時其加工費(fèi)用甚至高于永磁材料本身的成本,另一方面,電樞反應(yīng)直接作用于永磁體,容易引起不可逆的退磁。

圖1所示的D結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)中,永磁體是矩形形狀,加工方便,但永磁體和轉(zhuǎn)子外徑之間存在導(dǎo)磁橋,轉(zhuǎn)子沖片的加工精度要求較高,且永磁體也存在不可逆退磁的風(fēng)險。

3 結(jié) 論

本文通過對4種徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)在相同的技術(shù)參數(shù)、相同定子沖片以及相同極弧系數(shù)下的磁路計(jì)算及有限元分析,從電機(jī)外特性、電壓調(diào)整率、THD、運(yùn)行穩(wěn)定性、漏磁等方面進(jìn)行了比較,得出如下結(jié)論:

(1)不同的結(jié)構(gòu)型式,電機(jī)的電壓調(diào)整率和外特性不同。外特性變硬順序依次為D,A,C,B,而電壓調(diào)整率依次減小。

(2)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同,其諧波失真率也不同。電機(jī)分別為D,C,A,B結(jié)構(gòu)時,正弦度將越來越好,諧波失真率依次減小。

(3)從功角特性可知,電機(jī)分別為D,C,B,A結(jié)構(gòu)時,電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性依次增加。

(4)從有限元的仿真可知,電機(jī)分別為D,C,B,A結(jié)構(gòu)時,漏磁逐漸減小。

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Comparison Study of Radial Structure Permanent Magnet Synchronous Generator

Z HAO Chaohui
(School of Electric,Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China)

TM 313;TM 351

A

2010-04-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50337030);上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(08ZR1408600);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項(xiàng)目(09YZ480)

趙朝會(1963-),男,教授,博士,專業(yè)方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?E-mail:zhaoch@sdju.edu.cn

1671-2730(2010)03-0125-05