微燃機(jī)電站用起發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析

蔣茜 吳曉玲 王軍

(航天科工海鷹集團(tuán)有限公司,北京 100074)

微燃機(jī)電站用起發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析

蔣茜 吳曉玲 王軍

(航天科工海鷹集團(tuán)有限公司,北京 100074)

起發(fā)電機(jī)是微燃機(jī)電站系統(tǒng)的重要組成部分。針對(duì)傳統(tǒng)基于經(jīng)典磁路法的電機(jī)電磁計(jì)算精度有限,本文采用電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法對(duì)某起發(fā)電機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)電磁場(chǎng)和瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析,并對(duì)起發(fā)電機(jī)定子采用直槽和斜槽結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明,起發(fā)電機(jī)定子采用斜槽結(jié)構(gòu)可以顯著改善電機(jī)反電勢(shì)波形,提高電機(jī)反電勢(shì)的正弦度,減少諧波含量。因此,電機(jī)定子采用斜槽結(jié)構(gòu)更適合高速起發(fā)電機(jī)。

起發(fā)電機(jī) 電磁場(chǎng)有限元計(jì)算 定子斜槽

1 引言

起發(fā)電機(jī)是微燃機(jī)電站系統(tǒng)的重要組成部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)時(shí)用于帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)用于發(fā)電輸出電能。因此，在研制階段對(duì)起發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確電磁計(jì)算，是十分必要的。然而，傳統(tǒng)的電機(jī)電磁計(jì)算方法都是基于經(jīng)典磁路法，其計(jì)算精度有限[1-3]。特別是該起發(fā)電機(jī)為永磁電機(jī)，其磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給磁路計(jì)算帶來(lái)了較大困難，難以得到精確的磁路計(jì)算結(jié)果。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確程度，需要進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和分析。目前，電機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法主要有：有限元法、邊界元法和有限差分法。其中，最有效、應(yīng)用最廣泛的是有限元法[4-6]。本文對(duì)某起發(fā)電機(jī)進(jìn)行了二維電磁場(chǎng)有限元分析，并對(duì)電機(jī)定子采用直槽和斜槽結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行對(duì)比分析。

2 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 起發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2 電機(jī)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算步驟

該起發(fā)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，其采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高;采用稀土永磁可以增大氣隙磁密，從而顯著縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比;由于省去了勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率高;直軸電樞反應(yīng)小，其固有電壓調(diào)整率比電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小。起發(fā)電機(jī)的定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，可以提高電機(jī)反電勢(shì)的正弦度，減少諧波含量。轉(zhuǎn)子采用外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，磁鋼材料為釹鐵硼，磁鋼嵌在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁的槽中。起發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)[7，8]：(1)采用外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，且電樞鐵心直徑可以做得較大，從而提高電機(jī)在不穩(wěn)定負(fù)載下的效率和輸出功率。(2)采用外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的電機(jī)，轉(zhuǎn)子軛圈可以克服永磁體的離心力，省去了常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)所必須的轉(zhuǎn)子加固措施，既降低了制造成本，又提高了電機(jī)的高速運(yùn)行能力，而且其轉(zhuǎn)子更容易與原動(dòng)機(jī)械集成為一體。因此，其適用于對(duì)體積和重量要求比較高的場(chǎng)合。

3 電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析

電機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的主要方法有：有限元法，邊界元法和有限差分法[9，10]。其中，最有效，且目前應(yīng)用最廣泛的是有限元法。與其他方法相比，有限元法具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：(1)有限元法的系數(shù)矩陣對(duì)稱正定且具有稀疏性，因此，目前普遍采用不完全累斯基分解共軛梯度法結(jié)合非零元素壓縮存貯求解有限元方程，可節(jié)約大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU時(shí)間。(2)有限元法處理第二類邊界條件和內(nèi)部媒質(zhì)交界條件非常方便，對(duì)于第二類齊次邊界條件和不具有面電流密度的媒質(zhì)交界條件可不作處理。對(duì)于由多種材料組成的內(nèi)部具有較多媒質(zhì)分界面的電機(jī)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，有限元法非常適用。(3)有限元法的幾何剖分靈活，適于解決電機(jī)這類幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題。(4)有限元法可較好地處理非線性問(wèn)題。(5)有限元法的各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一，程序易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。目前已形成了一些功能齊全、便于操作的通用或?qū)Ｓ密浖?/p>

圖3 起發(fā)電機(jī)的二維幾何模型

圖4 起發(fā)電機(jī)模型網(wǎng)格剖分圖

圖5 電機(jī)磁力線圖

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速n=30000rpm,直槽時(shí)A相反電勢(shì)波形

圖6 電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布圖

考慮到該起發(fā)電機(jī)的模型具有對(duì)稱性，因而可用二維電磁場(chǎng)有限元進(jìn)行分析。本文中將采用基于有限元方法的Maxwell 2D軟件來(lái)進(jìn)行。Maxwell 2D是強(qiáng)大、準(zhǔn)確的二維電磁、機(jī)電和溫度場(chǎng)分析軟件。Maxwell 2D包括交流/直流磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)以及瞬態(tài)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析、參數(shù)化分級(jí)等模塊，其核心是針對(duì)電磁場(chǎng)分析而優(yōu)化的有限元技術(shù)。電機(jī)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算步驟如圖2所示。

3.1 起發(fā)電機(jī)二維電磁場(chǎng)有限元建模

在進(jìn)行電機(jī)二維電磁場(chǎng)有限元分析時(shí)，首先需建立電機(jī)的二維幾何模型(如圖3所示)，包括：定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子磁鋼、轉(zhuǎn)軸。然后需指定電機(jī)各部分的材料屬性。最后，對(duì)起發(fā)電機(jī)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為了保證有限元計(jì)算的精度，并適當(dāng)節(jié)約計(jì)算的工作量，要求網(wǎng)格剖分不僅要有足夠多的節(jié)點(diǎn)數(shù)，還必須保證單元的疏密合理。起發(fā)電機(jī)模型網(wǎng)格剖分圖如圖4所示。

3.2 起發(fā)電機(jī)靜態(tài)二維電磁場(chǎng)有限元分析

通過(guò)電機(jī)的靜態(tài)二維電磁場(chǎng)分析，可以得到電機(jī)磁力線分布(如圖5所示)和電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布(如圖6所示)。從圖5和圖6可知電機(jī)磁場(chǎng)分布合理，且定、轉(zhuǎn)子鐵心沒(méi)有過(guò)飽和現(xiàn)象。

3.3 起發(fā)電機(jī)瞬態(tài)二維電磁場(chǎng)有限元分析

通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)有限元分析，可以計(jì)算出電機(jī)的反電勢(shì)。計(jì)算時(shí)分別對(duì)起發(fā)電機(jī)定子采用直槽和斜槽時(shí)的電機(jī)反電勢(shì)波形進(jìn)行了分析和比較。起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為30000rpm時(shí)，直槽結(jié)構(gòu)和斜槽結(jié)構(gòu)的A相反電勢(shì)波形分別如圖7和8所示。由計(jì)算得到的電機(jī)反電勢(shì)波形可知，電機(jī)定子采用斜槽可以顯著改善電機(jī)反電勢(shì)波形，提高電機(jī)反電勢(shì)的正弦度，減少諧波含量。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速n=30000rpm,斜槽時(shí)A相反電勢(shì)波形

本文介紹了某起發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電機(jī)的電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法，對(duì)其進(jìn)行了二維靜態(tài)電磁場(chǎng)和瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析，通過(guò)對(duì)電機(jī)定子采用直槽和斜槽結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，電機(jī)定子采用斜槽結(jié)構(gòu)可以顯著改善電機(jī)反電勢(shì)波形，提高電機(jī)反電勢(shì)的正弦度，減少諧波含量。因此，電機(jī)定子采用斜槽結(jié)構(gòu)更適合起發(fā)電機(jī)。

[1]胡之光.電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社,1982.

[2]羅榮杰.電機(jī)電磁場(chǎng)教程[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,1993.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[4]蘇紹俞,高紅霞.永磁發(fā)電機(jī)機(jī)理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[5]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社,1982.

[6]中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)微電機(jī)分會(huì)[M].微特電機(jī)應(yīng)用手冊(cè).福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[7]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2007.

[8]李鐘明,劉衛(wèi)國(guó),等.稀土永磁電機(jī)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

[9]王秀和,等.永磁電機(jī)(第二版)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2011.

[10]孫昌志.釹鐵硼永磁電機(jī)[M].沈陽(yáng)：遼寧科技出版社,1997.

北京市科委項(xiàng)目(D131100003313003)。

蔣茜,女,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。吳曉玲,女,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。王軍,男,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。