基于Magnet 的永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

范 樂(lè)，任寧寧，郝 萍，玉佳彬

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473000;2.南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng)473000)

0 引 言

目前，全球面臨一個(gè)共同的問(wèn)題——能源緊缺，該問(wèn)題直接影響人類賴以生存的資源的可持續(xù)發(fā)展。為此各國(guó)開(kāi)展了一系列節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用，適應(yīng)人類對(duì)電量及電能質(zhì)量的更高要求，因此研究和應(yīng)用高效、節(jié)能、高性能的發(fā)電機(jī)是當(dāng)今勢(shì)在必行的關(guān)鍵性課題［1］。與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了很好的應(yīng)用［2－3］。

本文通過(guò)對(duì)磁鋼的不同充磁方式和磁鋼形狀進(jìn)行研究，達(dá)到降低發(fā)電機(jī)畸變率及提高發(fā)電質(zhì)量的目的。對(duì)電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)、空載電壓波形、發(fā)電機(jī)阻性負(fù)載特性進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)仿真驗(yàn)證，電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果，為永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁方案及結(jié)構(gòu)完全不同于異步發(fā)電機(jī)及電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，磁鋼牌號(hào)及勵(lì)磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后很難調(diào)整勵(lì)磁，不像電勵(lì)磁通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流的大小來(lái)調(diào)整發(fā)電量。基于永磁同步發(fā)電機(jī)的特殊性，電磁部分采用先進(jìn)的Magnet 電磁軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化;轉(zhuǎn)子磁極采用瓦狀表貼式結(jié)構(gòu)，既要保證磁極不偏心，又要保證轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磁鋼不脫落，采用1.5 mm 厚的不銹鋼套筒對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行封裝。其轉(zhuǎn)子封裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示。除永磁體以外，其它材質(zhì)均為不銹鋼。

圖1 轉(zhuǎn)子封裝結(jié)構(gòu)

永磁同步發(fā)電機(jī)由于氣隙磁動(dòng)勢(shì)諧波含量比較大，為消弱氣隙中磁動(dòng)勢(shì)的諧波，降低諧波幅值，氣隙放大到3 mm。同時(shí)為了降低研發(fā)成本，所設(shè)計(jì)的10 kW 永磁同步發(fā)電機(jī)完全借用Y 系列132 機(jī)座號(hào)的資料，轉(zhuǎn)子沖片新出。具體實(shí)施方案參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)具體實(shí)施方案參數(shù)

2 有限元建模

根據(jù)上述電機(jī)參數(shù)，在CAD 中繪制電機(jī)幾何模型，將繪制好的二維幾何圖形(保存為. DXF 格式)導(dǎo)入Magnet 有限元仿真軟件中。為了能夠有效地降低氣隙磁動(dòng)勢(shì)諧波的幅值，對(duì)磁極形狀進(jìn)行了優(yōu)化。建立的均勻氣隙和不均勻氣隙永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真模型如圖2 所示。

圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)有限元仿真模型

永磁電機(jī)設(shè)計(jì)工作的重要部分是確定磁體的尺寸，從發(fā)電機(jī)外特性出發(fā)，磁體的體積可以由式(1)導(dǎo)出［4－5］:

式中:Kad為直軸電樞反應(yīng)折合系數(shù);KB為磁場(chǎng)波形系數(shù);KF為發(fā)電機(jī)短路時(shí)每極稀土永磁體磁勢(shì)與直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)之比;Ku為電壓系數(shù);C 為永磁體利用系數(shù)。

計(jì)算得出永磁體的體積后即可由以下公式確定永磁體的具體尺寸，即永磁體的磁化方向長(zhǎng)度和截面積。

每極永磁體的體積:

額定負(fù)載時(shí)永磁體一對(duì)極下向外磁路提供的磁勢(shì)可由式(3)得出:

式中:Kδ為氣隙系數(shù);δ 為等效氣隙長(zhǎng)(轉(zhuǎn)子表面有非磁性套環(huán)，等效氣隙長(zhǎng)中應(yīng)包括套環(huán)厚度);Ks為磁路飽和系數(shù)，選取范圍為1.03 ～1.2;Ka為克服電樞反應(yīng)的去磁作用，永磁體磁勢(shì)應(yīng)增大系數(shù)，選取范圍為1.04 ～1.15。

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體的磁化方向長(zhǎng)度DM、軸向長(zhǎng)度LM、截面積SM及每極氣隙磁通Φδ可由式(4)～式(6)得出:

式中:HM、BM為根據(jù)永磁體退磁曲線預(yù)取的永磁體工作點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

對(duì)電機(jī)均勻氣隙和不均勻氣隙中的磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了氣隙磁密靜態(tài)磁場(chǎng)分析［6］，氣隙磁密分別如圖3～圖6 所示。

圖3 均勻氣隙與不均勻氣隙徑向充磁氣隙磁密

圖4 均勻氣隙平行徑向充磁氣隙磁密

圖5 不均勻氣隙平行徑向充磁

圖6 不均勻氣隙均勻氣隙平行充磁氣隙磁密

由圖3 可看出，不均勻氣隙徑向充磁氣隙磁密正弦度較好;由圖4 和圖5 可看出，不論均勻氣隙還是不均勻氣隙，磁鋼平行充磁電機(jī)氣隙磁密正弦度較好;由圖6 可看出，不均勻氣隙磁密平行充磁比均勻氣隙磁密正弦度好。因此，本文轉(zhuǎn)子永磁體采用不均勻氣隙且平行充磁的方式。

3 仿真驗(yàn)證分析

由上述設(shè)計(jì)方案及分析，在有限元軟件中建立不等氣隙的有限元仿真模型。仿真時(shí)間設(shè)置為100 ms，為保證精度，步長(zhǎng)設(shè)置為1 ms。

3.1 電機(jī)空載仿真分析

在Magnet 軟件中建立電機(jī)空載仿真外圍電路如圖7 所示，圖中由于要對(duì)線電壓進(jìn)行仿真分析，在兩相繞組之間加10 000 Ω 的電阻。在仿真結(jié)果中提取這個(gè)電阻兩端的端電壓(即線電壓)進(jìn)行分析，線電壓波形如圖8 所示，諧波分析頻譜如圖9 所示。

圖7 空載仿真外圍電路圖

圖8 空載線電壓波形

圖9 線電壓諧波分析頻譜

由圖8 和圖9 可看出，線電壓波形正弦度較好，諧波含量較小。經(jīng)諧波分析，線電壓的有效值為420 V，電壓畸變率為0.78%。由此可知，該方案設(shè)計(jì)合理，電機(jī)空載性能較好。

3.2 阻性負(fù)載仿真分析

本文對(duì)電機(jī)的阻性負(fù)載進(jìn)行了仿真分析，負(fù)載阻值為14.5 Ω，Y 型連接［7］，仿真外圍電路圖如圖10 所示。

圖10 阻性負(fù)載外圍電路

電機(jī)輸出電壓曲線及電流曲線分別如圖11 和12 所示。

圖11 阻性負(fù)載電壓輸出曲線

圖12 阻性負(fù)載2 電流輸出曲線

對(duì)阻性負(fù)載輸出電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析，其電壓電流諧波分析頻譜分別如圖13 和圖14 所示。

圖13 負(fù)載電壓諧波分析頻譜

圖14 負(fù)載電流諧波分析頻譜

對(duì)上述電機(jī)阻性負(fù)載仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果如下:電機(jī)對(duì)外輸出電壓由242 V 降到227 V，由此可知電機(jī)阻性負(fù)載情況下壓降較小;電機(jī)輸出電壓及電流諧波含量較小。因此該電機(jī)可順利帶阻性負(fù)載，且有較好的輸出性能，表明該設(shè)計(jì)方案較可靠，符合該種發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Magnet 電磁有限元分析軟件，對(duì)10 kW 永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)及研究。對(duì)永磁體平行和徑向兩種充磁方式所產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了靜態(tài)磁場(chǎng)分析，采用電機(jī)不均勻氣隙及永磁體平行充磁的方法，達(dá)到了降低氣隙磁動(dòng)勢(shì)諧波及改善發(fā)電質(zhì)量的目的。通過(guò)對(duì)電機(jī)空載及阻性負(fù)載特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該方案設(shè)計(jì)合理，符合永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。該研究結(jié)果對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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