盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機3D 電磁場分析

羅 玲，李 丹，呂曉威，王 震

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

盤式電機的氣隙磁場是軸向的，又稱軸向磁場電機，具有軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機不存在定轉(zhuǎn)子鐵耗，效率高，且消除了齒槽轉(zhuǎn)矩的影響［1］，高磁能積、高剩磁密度、高矯頑力稀土永磁材料的應(yīng)用解決了無鐵心結(jié)構(gòu)帶來的氣隙磁密低的問題，因此將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域能實現(xiàn)微風(fēng)起動，提高風(fēng)能利用率［2－3］。

盤式電機結(jié)構(gòu)特殊，磁路長度、等效氣隙長度及磁路飽和程度等均隨半徑變化，氣隙磁場沿徑向分布不均勻。目前，盤式電機電磁場的分析主要采用傳統(tǒng)的等效磁路計算方法［4］，其中涉及的諸多參數(shù)需憑經(jīng)驗選取，計算精度不高。為了精確地分析盤式電機的電磁場分布，需進行三維電磁場仿真。然而，三維電磁場仿真建模復(fù)雜，仿真過程需要占用大量計算機資源和時間，仿真模型的不合理會導(dǎo)致計算機資源不夠或者仿真精度不高。

本文應(yīng)用電磁場仿真軟件MagNet 建立一臺盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機樣機的三維仿真模型，利用靜態(tài)求解器分析空載磁場分布規(guī)律，采用動態(tài)求解器計算其空載特性，并進行樣機的空載試驗，對實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析。

1 仿真模型

1.1 樣機結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文研究的盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機為雙邊轉(zhuǎn)子－中間定子結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。主磁路從一個轉(zhuǎn)子的N 極出發(fā)，軸向穿過氣隙和與之相對的磁極，進入另一轉(zhuǎn)子的背鐵并沿周向到達相鄰磁極，最后沿相同路徑回到第一個轉(zhuǎn)子的N 極形成閉合回路。

磁極及電樞繞組的尺寸如圖1(b)所示，圖中僅給出了2 個線圈。樣機主要參數(shù)如表1 所示，轉(zhuǎn)子背鐵材料為DW310，矩形磁鋼材料為釹鐵硼NNF38SH，其剩磁感應(yīng)強度為1.22 T，矯頑力為907 kA/m。

圖1 樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表1 樣機參數(shù)

1.2 仿真建模

采用MagNet 進行電磁場仿真時，為提高求解精度，需要細(xì)化網(wǎng)格剖分，對內(nèi)存為2 G 的計算機，以樣機的整個三維模型進行計算，常導(dǎo)致計算機內(nèi)存溢出。分析樣機結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，其磁場和繞組分布成周期性對稱，對稱周期為一對極，亦即整個電機模型的1 /3，可以建立樣機的1 /3 模型進行電磁場有限元仿真。

利用MagNet 的幾何建模器、材料編輯器可方便地對電機進行三維建模［5］。磁鋼和轉(zhuǎn)子背鐵的創(chuàng)建只需在平面繪圖的基礎(chǔ)上進行簡單的直線拉伸。但三維繞組的建模較復(fù)雜，需進行多維拉伸，拉伸時首先根據(jù)樣機繞組的實際尺寸(圖2(a))，繪制出繞組的拉伸路徑示意圖(圖2(b))，然后根據(jù)示意圖對坐標(biāo)系進行旋轉(zhuǎn)、平移變換，將坐標(biāo)系的XY 平面變換到繞組的拉伸起始面上，并繪制繞組的橫截面(圖2(c))，最后按照拉伸路徑進行拉伸，簡述如下:

(1)如圖2(b)所示，以點1 作為拉伸起始點，逆時針旋轉(zhuǎn)一小弧度(本文為2°)，繪制出內(nèi)徑處繞組的一半端部;

(2)直線拉伸至繞組外徑(點2)處，順時針旋轉(zhuǎn)28°，得到繞組外徑處的端部;

(3)直線拉伸繪制出繞組的另外一條有效邊，并順時針旋轉(zhuǎn)2°，繪出繞組內(nèi)徑處的另外一半端部，但不閉合。

MagNet 中進行多維拉伸時，需在直線拉伸和圓弧拉伸之間加上Blend 進行平滑修飾，拉伸后的單個繞組模型如圖2(d)所示，在建立好一個繞組模型的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)、復(fù)制就可以得到其他兩個繞組，完整的繞組模型如圖2(e)所示。

將雙邊轉(zhuǎn)子與電樞繞組組合得到如圖2(f)所示的1 /3 仿真模型，同時創(chuàng)建空氣包作為模型求解的邊界條件，并將氣隙分為兩層，動態(tài)仿真時一層歸為定子，一層歸為轉(zhuǎn)子。

圖2 仿真建模

2 空載磁場

電樞繞組的磁導(dǎo)率與空氣相當(dāng)，計算空載磁場時將其作為氣隙處理，軟件在求解過程中就不對電樞進行重新細(xì)化剖分，可以節(jié)約計算機資源，縮短仿真時間。由于仿真模型為一對極下的模型，需要設(shè)置偶對稱邊界條件。偶對稱邊界條件的主面為包圍定、轉(zhuǎn)子的空氣包及氣隙與XZ 平面重合的部分，主面旋轉(zhuǎn)120°得到從面，如圖3 所示。為充分利用現(xiàn)有計算機資源，提高計算精度，將網(wǎng)格剖分精度設(shè)定為不大于5 mm。

圖3 靜態(tài)求解邊界條件

該樣機的空載磁場計算結(jié)果如圖4 所示。圖4(a)為磁場矢量圖，反映了電機內(nèi)磁場的走向和分布情況，不難看出磁力線在氣隙中是軸向的，而在轉(zhuǎn)子背鐵中是周向的;圖4(b)為磁密云圖，該圖顯示轉(zhuǎn)子背鐵中的磁通密度最大，僅為1.27 T，小于DW310 的飽和磁通密度1．8 T;圖4(c)為利用Mag-Net 的場量采集器Field Sampler 獲取的氣隙磁通密度幅值隨半徑變化的曲線，可以看出磁鋼平均半徑68．5 mm 處的磁通密度最大為0．36 T，靠近內(nèi)、外徑處的氣隙磁通密度受邊緣效應(yīng)影響而有所下降;圖4(d)為不同半徑處氣隙磁通密度沿軸向分布曲線，不難看出同一半徑氣隙磁通密度沿圓周方向近似為正弦分布;圖4(e)是用場量采集器導(dǎo)出的數(shù)據(jù)繪制的氣隙磁通密度三維分布圖。

圖4 空載磁場

3 空載電壓

對圖2 的模型進行MagNet 動態(tài)仿真時需設(shè)置運動邊界條件，使得運動部件在運動過程中被空氣包包圍。選擇定子氣隙與轉(zhuǎn)子氣隙的重合面作為運動邊界的主面，從面由主面旋轉(zhuǎn)120°得到，如圖5所示。

圖5 運動邊界設(shè)置

若同時對一對極下的三個線圈進行動態(tài)求解，則求解區(qū)域太大，導(dǎo)致計算機數(shù)據(jù)存儲溢出，仿真被迫終止。因此，每次只針對一個線圈進行求解獲得每相單個線圈的空載電壓eφ0，將其乘以3，得到各相電勢eφ。額定轉(zhuǎn)速500 r/min 時，三相空載相電壓如圖6 所示，不同轉(zhuǎn)速下空載線電壓如表2 所示。

圖6 500 r·min － 1仿真空載相電壓

表2 不同轉(zhuǎn)速下空載線電壓仿真結(jié)果

4 空載試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 空載試驗

用一臺無刷直流電動機拖動該樣機進行空載試驗，試驗系統(tǒng)框圖如圖7(a)所示，用WT3000 高精度功率分析儀測量發(fā)電機輸出線電壓(發(fā)電機沒有中線，無法測得相電壓)，扭矩傳感儀測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。通過控制器調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速，每隔60 r/min記錄一次試驗數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)速為500 r/min 時的空載線電壓波形如圖7(c)所示，不同轉(zhuǎn)速下空載線電壓如表3 所示。

圖7 盤式電機空載試驗

表3 試驗實測電機空載線電壓

4.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2 與表3 的數(shù)據(jù)，繪制仿真空載特性曲線與試驗空載特性曲線，如圖8 所示。可以看出，仿真結(jié)果與試驗實測結(jié)果相比仿真值偏大，但相差不超過4．4 V。

圖8 空載電壓仿真值與實驗值對比

5 結(jié) 語

本文基于一臺盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機樣機結(jié)構(gòu)的對稱性，建立了1 /3 仿真模型，并設(shè)置合理的邊界條件。靜態(tài)求解器求得空載氣隙磁密分布情況:同一半徑的氣隙磁密沿圓周方向呈正弦分布，同一角度下不同半徑處的氣隙磁密大小不同，永磁體平均半徑處的氣隙磁密最大，距平均半徑處距離越大，受端部效應(yīng)越明顯氣隙磁密越小。動態(tài)求解器求得額定轉(zhuǎn)速下的空載電壓為110．8 V，與試驗值106．4 V 相差4．4 V。仿真得到的空載電壓波形、空載特性曲線均與試驗結(jié)果接近。

［1］ 周俊杰，范承志，葉云岳，等．基于斜磁極的盤式永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010．(08):1548－1552．

［2］ Al－Aawar N，Hijazi T M ，Arkadan A A．Design optimization of Axial－Flux Permanent Magnet generator［J］．2010 14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation，2010:1．

［3］ 馮勇利，程鵬，李偉力，等．無槽盤式永磁風(fēng)力發(fā)電機有限元分析［J］．防爆電機，2009，(03):39－43．

［4］ 黃科元，歐金生，黃守道，等．盤式永磁同步發(fā)電機的電磁場分析［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008．(03):41－45．

［5］ 海基科技．電磁場分析軟件MagNet 的操作說明［M］．2007．