大功率永磁同步發電機低電壓調整率研究

李虎如　蘭志勇　廖克亮　魏雪環　陳麟

摘要：為研究大功率永磁同步發電機電壓調整率的降低措施，采用場路結合法進行定性研究，然后通過有限元法進行定量研究。首先定性分析永磁同步發電機的電壓調整率，然后定量分析發電機的氣隙長度、定子槽型、鐵心長度等參數，最后通過多參數優化永磁同步發電機電壓調整率與之前的仿真比較，證實多參數優化的正確性。

關鍵詞：永磁同步發電機；電壓調整率；多參數

中圖分類號：TM313文獻標識碼：A

Abstract：In order to reduce the voltage regulation rate of high power permanent magnet synchronous generator， the qualitative research was carried out by means of field circuit combination method， and then the quantitative analysis was carried out by the finite element method. The permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was qualitatively analyzed， and the generator air gap length， slot type， core length and other parameters were quantatively analyzed， and the multi parameter optimization simulation of permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was compared with the previous ones， which confirmed the correctness of the multi parameter optimization.

Key words：permanent magnet synchronous generator；voltage regulation rate；multi parameter

1引言

稀土永磁同步發電機不僅省去勵磁繞組、集電環和電刷，結構更加簡單運行可靠，同時稀土永磁使得氣隙磁密增大，顯著縮小了電機的體積提高了功率與發電質量。但由于發電機制成后磁場難以調節使得永磁同步發電機的應用受到限制。通過降低永磁同步發電機的電壓調整率可提高發電機的性能，減輕對用電設備的影響，擴大應用范圍[1-2]。文獻[3-5]對永磁同步發電機的電壓調整率進行了定性分析。文獻[6]針對前文的定性分析，對降低永磁同步發電機的電壓調整率進行了定量研究。

本文通過對一臺大功率永磁同步發電機的電壓調整率進行定量研究，通過多參數優化設計，達到降低發電機電壓調整率的目的。

2永磁同步發電機的電壓調整率

永磁同步發電機的固有電壓調整率ΔU是其重要性能指標之一，是指在負載變化而轉速保持不變的情況下的輸出電壓的變化，其數值完全取決于發電機本身的基本特性。其表達式如式（1）所示[1]：

ΔU=E0-U/UN×100% （1）

其中E0為空載反電動勢，U為輸出電壓，UN為額定電壓。

鐵心長度增加，定、轉子、永磁體以及銅的用量均增加，電壓調整率也隨之增加，鐵心長度每增加5 mm，電壓調整率平均增加0.6%。

3.4每相串聯匝數的影響

電樞繞組每相的串聯匝數N與空載反電動勢、額定負載時的直軸電動勢、直軸電樞反應電抗、交軸電樞反應電抗均成正比關系。且每相串聯匝數減小時，空載反電動勢的變化要小于交軸電樞反應電抗。樣機取值為14，且由于樣機是采用雙層繞組，因此取間隔點值2，采樣結果如下。

從上表可以看出，永磁體矯頑磁力對電機電壓調整率影響，隨著矯頑磁力的增加，發電機的電壓調整率呈上升趨勢，矯頑磁力每改變10 kA·m-1，電壓調整率平均改變0.077%。

4多參數優化電壓調整率

通過前文單一參數的定量分析可以看出，各變量對本設計樣機均有一定影響，但通過仿真表明繞組每相匝數在低于或高于14時，發電機的輸出電壓過低、電壓調整率過高，不符合優化因此每相串聯匝數在本優化中影響可忽略不計。

由于永磁同步電機結構中，上述各參數相互之間均存在一定的聯系與影響，因此綜合各參數對電壓調整率進行優化有一定的可行性。

4.1定子槽整體優化

由上文結論可知，當槽口寬度增大，電壓調整率降低，當槽口寬度達到4.2 mm時，電壓調整率降到7.76，而從實驗表明，當槽口寬度仍持續下降，電機仿真結果出現一定的錯誤，因此初步取槽口寬度4.2 mm；表4為定子槽深實驗結果，從結果可以看出，隨著槽深加深，電壓調整率變大，而實驗表明，當定子槽深小于22時，電機仿真結果出現誤差，因此取槽深22定值模擬。

綜合上述兩表對比分析看出，電壓調整率隨著參數的改變有一定的變值，在槽口寬為4.2 mm、槽深為22 mm、槽身寬為8 mm時，電壓調整率取到最小值6.56。

4.2氣隙與矯頑磁力整體優化

根據上文對氣隙與矯頑磁力的分析，考慮到發電機的性能需求、生產設計、機械加工工藝等方面，現在生產發電機的氣隙長度一般在0.5～2.0 mm間取值，因此本文初步定值氣隙長度為1.8 mm，對比定值1.5 mm。同時現代電機設計永磁體矯頑磁力常規選值為820 kA·m-1，因此初步定值矯頑磁力大小為790 kA·m-1，對比定值820 kA·m-1。

4.2.1氣隙長度的確認

在初步確定氣隙長度與永磁體矯頑磁力時，比較分析不同永磁體厚度的影響如下表。

通過Ansoft Maxwell 14軟件仿真計算，得多參數優化后的永磁同步發電機電壓調整率為4.89%，較之前的樣機7.86%相比，電壓調整率達到進一步優化，并優化程度超過改變單一參數調整的電壓調整率。

5結語

本文通過Ansoft Maxwell 14軟件對一臺320kW的大功率永磁同步發電機電壓調整率進行分析研究，提出了多參數優化電壓調整率的方法，同時計算分析表明，多參數優化電壓調整率比單一參數調節的方法更加有效，能夠大大降低永磁同步發電機的電壓調整率。

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