林龍鳳
摘要：首先根據(jù)傳統(tǒng)方法毆計(jì)了一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)．然后通過(guò)對(duì)其等效磁路的分析進(jìn)行空載氣隙磁密和漏磁系數(shù)的解析計(jì)算，最后再利用場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法刈所設(shè)計(jì)電機(jī)分別進(jìn)行空載和額定負(fù)載時(shí)瞬態(tài)磁場(chǎng)的分析和空載時(shí)氣隙磁密及漏磁系數(shù)計(jì)算值的驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)電機(jī)磁場(chǎng)分布合理，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且氣隙磁密及空載漏磁系數(shù)的解析值和有限元計(jì)算值也吻合得較好，證明了分析和設(shè)計(jì)的有效性。關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；氣隙磁密；漏磁系數(shù)；場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法
0引 言
永磁同步發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PMsG)具有性能優(yōu)越、可靠性高、維護(hù)率低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，隨著永磁材料和電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷更新，其沒(méi)計(jì)和分析一直都是研究熱點(diǎn)。
而場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)的有限元方程、外電路方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程同時(shí)求解，并且計(jì)及時(shí)間對(duì)磁場(chǎng)的影響，網(wǎng)此充分考慮了渦流、齒槽、電樞反應(yīng)等因素的影響，其計(jì)算結(jié)果也最接近實(shí)際電機(jī)，是目前為止最為理想的電機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法[2]。
空載漏磁系數(shù)的預(yù)估值是電磁設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，傳統(tǒng)沒(méi)計(jì)方法中一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，具有很大的人為因素和誤差，而利用等效磁路法的求解可得到較為接近的預(yù)估值。文獻(xiàn)[3—6]利用等效磁路法分別對(duì)四種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一表面凸出式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式和內(nèi)置混合式永磁電機(jī)進(jìn)行了空載氣隙磁密的訓(xùn)‘算和有限元驗(yàn)證，其計(jì)算過(guò)程值得借鑒，但文獻(xiàn)[4-6]都沒(méi)有考慮端部漏磁和氣隙中的漏磁。
本文首先根據(jù)傳統(tǒng)方法進(jìn)行PMsc的初步設(shè)計(jì)，然后通過(guò)對(duì)其等效磁路的分析進(jìn)行空載氣隙磁密和漏磁系數(shù)的解析計(jì)算，最后利用場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行空載和滿(mǎn)載時(shí)的瞬態(tài)磁場(chǎng)分析以對(duì)兩者進(jìn)行修正并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。
結(jié)果表明，氣隙磁璃彳和空載漏磁系數(shù)的解析值與有限元計(jì)算值吻合得較好，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
1初步設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)
PMsG的剖面及主要參數(shù)如圖1和表l所示，其中定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，以大大削弱由齒槽效應(yīng)引起的起動(dòng)磁阻轉(zhuǎn)矩；繞組采用單層短距疊繞組以節(jié)約端部用銅量，并接成Y型以避免三次及其倍數(shù)次的諧波電動(dòng)勢(shì)和由此引起的諧波環(huán)流及雜散損耗。轉(zhuǎn)子采用表面
2參數(shù)計(jì)算
除了主磁通外，在永磁同步發(fā)電機(jī)的氣隙中還存在著一些明顯的漏磁。表面式永磁電機(jī)中的漏磁除了永磁體自身的漏磁外，氣隙中的漏磁主要還包括相鄰永磁體之間的漏磁和永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心形成的漏磁兩部分。因此可得到空載時(shí)表面式永磁電機(jī)的等效磁路假定P]MSG的定、轉(zhuǎn)子鐵心表面光滑，且用卡特系數(shù)K。來(lái)計(jì)算開(kāi)槽影響，同時(shí)忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心的飽和，可得到簡(jiǎn)化的磁路模型。
3有限元分析
3.1參數(shù)分析
空載漏磁主要分為兩部分，一部分為端部漏磁，另一部分為極間漏磁。端部漏磁雖然受磁極長(zhǎng)度和電樞長(zhǎng)度的影響，但當(dāng)電樞鐵心長(zhǎng)度在30～80 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，端部漏磁系數(shù)的變化很小，因此在進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)的有限元分析時(shí)，忽略邊緣效應(yīng)及電機(jī)外緣漏磁場(chǎng)，采用二維場(chǎng)進(jìn)行。利用Anson軟件可得到t=0時(shí)刻由永磁體單獨(dú)建贏的磁場(chǎng)。
3.2電機(jī)性能
基于場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)分析后，可得到帶額定電阻性負(fù)載時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出相電壓發(fā)電機(jī)三相電壓基本對(duì)稱(chēng)，波形基本為正弦波，幅值約為104 V左右，線(xiàn)電壓為127.4 v，經(jīng)計(jì)算額定電壓和功率均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
4結(jié)語(yǔ)
傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)方法中對(duì)空載漏磁系數(shù)進(jìn)行預(yù)估很大程度上依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，本文在設(shè)計(jì)出一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)后，利用等效磁路法對(duì)其空載時(shí)的氣隙磁密和漏磁系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，并基于場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法對(duì)兩者和所設(shè)計(jì)電機(jī)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用該方法計(jì)算出的氣隙磁密和空載漏磁系數(shù)的解析值與有限元計(jì)算值吻合得較好，所設(shè)計(jì)電機(jī)滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，證明了分析方法和所設(shè)計(jì)電機(jī)的有效性。
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