分布式系統(tǒng)用盤式永磁同步發(fā)電機的設(shè)計與仿真*

李　爭，　孫甜甜，　高培峰

(河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊　050018)

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分布式系統(tǒng)用盤式永磁同步發(fā)電機的設(shè)計與仿真*

李爭，孫甜甜，高培峰

(河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊050018)

摘要：盤式永磁發(fā)電機的磁通為軸向，其磁路與傳統(tǒng)電機相比具有很大不同。介紹了分布式系統(tǒng)用盤式永磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點并推導(dǎo)了其基本的電磁關(guān)系；通過經(jīng)驗及計算分析確定了電機的各尺寸和永磁體材料，利用Ansoft Maxwell 3D軟件對電機的靜態(tài)和瞬態(tài)磁場進行了仿真計算并對其磁場分布、電磁力、磁鏈等進行了分析。結(jié)果與設(shè)計相符，同時為改善風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)參數(shù)提供了理論依據(jù)，方便了電機的優(yōu)化設(shè)計，可以有效降低研發(fā)成本，提高設(shè)計精度。

關(guān)鍵詞：盤式永磁發(fā)電機； 有限元分析； 瞬態(tài)分析； 電磁計算

0引言

早期的盤式永磁電機磁能極低，體積龐大，效率低下，受當(dāng)時工藝水平的限制，制造電樞盤難度很大，使得盤式永磁電機未能得到推廣發(fā)展，取而代之的是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)徑向磁場圓柱型電機。隨著科技的快速發(fā)展，電機和材料技術(shù)有了很大的進步，永磁材料的機理、構(gòu)成及制造技術(shù)得到深入研究。在實際應(yīng)用中，圓柱型電機的缺點也逐步顯露，如冷卻困難、轉(zhuǎn)子利用率低等無法克服的弱點，所以軸向磁場的盤式永磁電機又逐漸受到了電機界的高度重視[1-2]。

盤式永磁電機的定轉(zhuǎn)子為平行結(jié)構(gòu)。這樣的特殊結(jié)構(gòu)，克服了圓柱式電機定子包容轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)缺點，非常有利于散熱，且其硅鋼片利用率高，所以定轉(zhuǎn)子可以采用較高的電流密度，獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。盤式永磁電機的轉(zhuǎn)子為永磁體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，很容易做成高極對數(shù)的電機，研究表明，盤式永磁電機與傳統(tǒng)的徑向磁場相比，具有軸向尺寸短、體積小、重量輕等特點，在水下航行器推進裝置、空調(diào)外機、汽車散熱器的風(fēng)扇、電動汽車及風(fēng)力發(fā)電方面都有極大應(yīng)用[3-9]。例如，文獻[10]對降低軸向磁場永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩和功率損耗的技術(shù)方法進行了試驗驗證，得出： 當(dāng)采用磁性槽楔閉合槽口、斜磁極電機形式時，在兩個轉(zhuǎn)子盤之間引入一個30°的角度偏差，選擇合適的磁極寬度，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩和定子鐵心損耗；文獻[11]將盤式永磁電機的3D模型與等效直線電機2D模型仿真進行對比，結(jié)果表明后者模型可大大減少仿真工作量，有效縮短研發(fā)周期，為盤式電機的計算增加新的方法；文獻[12]將盤式永磁同步發(fā)電機直接連到風(fēng)力發(fā)電機組的軸上，在低速運轉(zhuǎn)下保持較高的發(fā)電功率；文獻[13]提出了一種分析盤式電機的新型電磁模型，通過采用分環(huán)計算和求解氣隙矢量磁位方程的方法提高模型精度。結(jié)果證明該模型能夠?qū)﹄姍C特性和控制進行有效分析。文獻[14]研究了無鐵心軸向磁場永磁無刷電機的結(jié)構(gòu)，提出了采用Halbanch永磁體陣列的單盤和多盤兩種結(jié)構(gòu)，同時研究了氣隙磁場的分布。與同樣功率徑向磁場相比，該種盤式永磁電機效率提高了1.2%，重量降低了45%。

結(jié)合盤式電機結(jié)構(gòu)特點，本文提出一種單邊盤式永磁同步電機，利用Ansoft有限元軟件對其進行靜態(tài)和瞬態(tài)的仿真分析，最后得出發(fā)電機的電勢、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)值。其結(jié)果為進一步優(yōu)化設(shè)計方案提供理論參考。

1盤式永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和原理

1.1電機結(jié)構(gòu)

盤式永磁同步發(fā)電機有多種結(jié)構(gòu)型式。為了便于仿真，本文采用盤式電機的基本型，是由一個盤(平面)形的定子和一個盤式轉(zhuǎn)子組成，中間有一個軸向氣隙，稱為單定子、單轉(zhuǎn)子型，或稱為單氣隙型。這種結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　單定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2主磁路結(jié)構(gòu)

盤式永磁同步發(fā)電機的電樞繞組是徑向分布的，有效導(dǎo)體位于永磁體前方的面上，當(dāng)永磁體由原動機拖至同步轉(zhuǎn)速時，將會在氣隙中產(chǎn)生與電樞繞組交鏈的旋轉(zhuǎn)磁場，從而感應(yīng)出三相交流電動勢。盤式永磁同步發(fā)電機的磁場分布比較復(fù)雜。圖2給出了盤式永磁同步電機的簡化模型及其主磁通路徑[15]。從圖15中可以看出，永磁體的磁通從N極流出，穿過氣隙，然后經(jīng)過定子鐵心，再穿過氣隙，到達永磁體的S極，最后穿過轉(zhuǎn)子磁軛回到N極，即N極-氣隙-定子鐵心-氣隙-S極-轉(zhuǎn)子磁軛-N極。

圖2　主磁通路徑

1.3基本電磁關(guān)系

盤式永磁同步發(fā)電機電樞繞組的有效導(dǎo)體在空間呈徑向輻射分布，其單根導(dǎo)體在電樞盤平面的位置可用半徑r和極角θ來描述，氣隙磁密用平均半徑處的磁密代表，可寫成Bδ(θ)的形式。

如圖3所示，設(shè)電機的機械角速度為Ω，在(r，θ)處dr長導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動勢和轉(zhuǎn)矩為

de=ΩBδ(θ)rdr

(1)

dT=πDmiJ(r)Bδ(θ)rdr

(2)

圖3　磁極結(jié)構(gòu)示意圖

因為每根導(dǎo)體產(chǎn)生的平均電動勢：

(3)

式中：Dmi——內(nèi)直徑；

Dmo——外直徑；

Bδav——一個極距下氣隙磁密的平均值；

Bδ——磁密值，且Bav=αiBδ。

如果繞組的并聯(lián)支路數(shù)為a，總導(dǎo)體數(shù)為N，則電樞電動勢為

(4)

電機轉(zhuǎn)矩為

(5)

(6)

經(jīng)同樣推導(dǎo)，可得出盤式永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通圓柱式電機一致：

Tem=CTφI

(7)

相應(yīng)的電磁功率為

(8)

2盤式永磁同步發(fā)電機主要參數(shù)的確定

2.1額定功率與額定電壓的設(shè)定

本文所設(shè)計發(fā)電機適合于小型分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特點為結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和維護，一般為低電壓大電流，可離網(wǎng)運行，并接蓄電池儲能。設(shè)定額定功率為300W，額定電壓40V。發(fā)電機的輸出功率是隨風(fēng)速增加而增加的，發(fā)電機功率提高，發(fā)熱增加，但隨著風(fēng)速增加，由于其特殊結(jié)構(gòu)，散熱條件大大改善，因此，發(fā)電機可以選取較高的A值。盤式永磁發(fā)電機的A可取為100～150A/cm。本文所取A值為120A/cm。配套設(shè)計風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速為328r/min。

2.2發(fā)電機尺寸的確定

2.3永磁體極數(shù)的確定

2.4磁極尺寸的確定

當(dāng)磁極內(nèi)、外徑確定之后，關(guān)鍵的問題是如何選擇永磁體的厚度。它的取值與氣隙大小δ有關(guān)。當(dāng)電機的極數(shù)不變，在一定的氣隙下增加磁體高度，其氣隙磁密也隨之增加，但增加到某一高度值時，氣隙磁密就不再隨磁體高度增加而增加了，即在一定范圍內(nèi)，磁極高度的變化對氣隙磁密有較大影響。通過分析可以得出在理想情況下，永磁體最經(jīng)濟的尺寸是永磁體的厚度等于氣隙長度。本文即采用這種情況且永磁材料為釹鐵硼。

綜上所述，本文所采用電機參數(shù)如表1所示。

表1　所設(shè)計電機的參數(shù)

3盤式永磁同步發(fā)電機的磁場分析

在分析磁場問題時，需要引入位函數(shù)作為輔助變量來求出場量與場源的關(guān)系。由于求解區(qū)域存在電流，需要引入矢量磁位A，磁感應(yīng)強度與矢量磁位之間滿足：

B=×A

(9)

則有：

(10)

式中：J0——電流密度。

又有：

×(×A)=μJ0

(11)

利用恒等式：

×(×A)=(·A)-2A=-2A

(12)

得

2A=-μJ0

(13)

對以位函數(shù)為變量進行偏微分方程求解可以完成磁場的分析，但必須確定邊界條件才能使其解唯一。本文選用Maxwell 3D來分析，建立電機的三維模型，分別采用靜態(tài)和瞬態(tài)求解器來對上述盤式永磁同步發(fā)電機進行電磁場分析。

3.1靜態(tài)分析

3.1.1電機模型的建立

有限元分析的第一步是建立有限元模型，利用Maxwell 2D/3D準(zhǔn)確地建立電機的物理模型，并對幾何模型定義材料屬性、邊界條件和激勵源，最后通過網(wǎng)格剖分建立有限元模型，建模結(jié)果如圖4所示。建模完成后需要進行參數(shù)定義，然后網(wǎng)格剖分，發(fā)電機的網(wǎng)格剖分圖如圖5所示。

圖4　發(fā)電機求解模型圖

圖5　發(fā)電機網(wǎng)格剖分圖

3.1.2求解過程

首先設(shè)置求解參數(shù)。本文定義了轉(zhuǎn)子、定子的轉(zhuǎn)矩和受力參數(shù)，進而完成計算設(shè)置，分別設(shè)定計算的迭代步數(shù)、求解收斂誤差值和每次更新的單元百分比，最后對發(fā)電機進行靜態(tài)分析。經(jīng)過4步自適應(yīng)求解，系統(tǒng)的誤差小于1%，達到了預(yù)定的目標(biāo)要求。

在靜態(tài)分析中，對發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子的受力和轉(zhuǎn)矩進行了求解，求解結(jié)果如表2所示。

表2　電機定轉(zhuǎn)子受力和轉(zhuǎn)矩計算值

從表2的計算結(jié)果可以看出，單定子、單轉(zhuǎn)子的盤式電機其轉(zhuǎn)子盤和定子受力均沿軸向方向，且受力大小相等，方向相反。這種結(jié)構(gòu)的盤式電機運行時產(chǎn)生軸向拉力，使軸承負(fù)荷加大，所以這種電機多用在仿真試驗中。

Maxwell 2D/3D提供了強大的后處理功能，不僅可以很直觀地看到電機內(nèi)電磁場的分布，還可以對電機內(nèi)部的電磁場進行計算。圖6表示電機中相鄰兩極的磁場，圖7表示電機轉(zhuǎn)子矢量B的分布情況，從圖7中可以清楚地看到電機主磁通路徑，與上述說明相吻合；圖8為電機氣隙磁密云圖分布，圖9為電機氣隙磁密沿周向分布圖，可以看出靠近中心處的磁密較小，沿周向向兩側(cè)越來越大，形成凹陷狀。從圖9中也可以看出磁密從內(nèi)半徑到外半徑有增長趨勢，并且可以看到齒槽效應(yīng)對磁密的影響。

圖6　相鄰兩極的磁場

圖7　電機轉(zhuǎn)子磁極B矢量圖

圖8　電機氣隙磁密云圖

圖9　氣隙磁密沿周向分布

3.2瞬態(tài)分析

空載特性反映了電機磁路的飽和趨勢及電機輸出電壓的大小，對發(fā)電機的空載特性進行分析是十分有必要的。盤式永磁同步發(fā)電機的永磁體在電機內(nèi)建立起主極磁場，主極磁場通過氣隙與定子繞組交鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速328r/min旋轉(zhuǎn)時，定子繞組切割旋轉(zhuǎn)的主極磁場而感應(yīng)出三相交流電勢。在Maxwell 3D中，為了模擬發(fā)電機的空載運行，可將定子繞組接高阻值的電阻(20GΩ)，空載回路如圖10所示。

利用Ansoft瞬態(tài)求解器，可以求出電機的電壓、電流、磁鏈等一系列曲線。取電機旋轉(zhuǎn)半周時間進行計算，圖11為電機電流變化曲線。從圖11中可以看出，電流的最大幅值為1.5E-10 A，電壓表v_a、v_b、v_c所測的電壓值近似為發(fā)電機的空載電壓。圖12為電機的位置曲線圖?？梢钥闯觯姍C在50ms內(nèi)轉(zhuǎn)動120°，符合低轉(zhuǎn)速發(fā)電機的要求。圖13為電機的磁鏈變化曲線，由于磁鏈與建立磁通的電流有關(guān)，所以從圖13中可以看出發(fā)電機的磁鏈曲線為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與電流波形相似且磁鏈最大幅值為0.18Wb，周期為27ms，符合實際情況。圖14為電機輸出電壓曲線，從電動勢波形可以看出為稍有波動的正弦波，是由于受到齒諧波的影響，若要消除，可在其后增加整流濾波環(huán)節(jié)，也可以采用不均勻氣隙和定子斜槽來減少諧波含量，此內(nèi)容將在以后研究中將做詳細說明。由于轉(zhuǎn)速較慢，所以發(fā)電機的最大幅值為40V，不是太大，與前面設(shè)計相符。圖15為轉(zhuǎn)矩曲線，轉(zhuǎn)矩的變化近似為對稱且周期性變化，時間約為4ms，最大幅值可達400N·m。

圖10　空載回路

圖11　盤式永磁同步發(fā)電機電流曲線

圖12　盤式永磁同步發(fā)電機位置曲線

圖13　盤式永磁同步發(fā)電機磁鏈曲線

圖14　盤式永磁同步發(fā)電機電壓曲線

圖15　盤式永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩曲線

4結(jié)語

利用Maxwell 3D建立盤式永磁同步發(fā)電機的三維模型，通過分析確定電機的各項參數(shù)值，對模型進行了靜態(tài)和瞬態(tài)仿真試驗，仿真結(jié)果從數(shù)據(jù)和圖表等不同形式反映了電機磁通密度和電磁力分布，從而可以判斷電機設(shè)計的合理性。同時，計算和仿真結(jié)果也為改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)提供了理論依據(jù)，方便了優(yōu)化設(shè)計。

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[期刊榮譽]

中文核心期刊中國科技核心期刊中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)

全國優(yōu)秀科技期刊華東優(yōu)秀科技期刊

中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫來源期刊中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫來源期刊

Design and Simulation of Disc Permanent Magnet Synchronous

Generator for Distributed Systems*

LIZheng，SUNTiantian，GAOPeifeng

(School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology，

Shijiazhuang 050018， China)

Abstract：The flux of the disc permanent magnet generator is axial， and its magnetic circuit is very different from the traditional motor. The structure characteristics of disc permanent magnet generator for distributed system applications were introduced， and the basic electromagnetic relationship was deduced， the size of the motor and the permanent magnet material had been determined through empirical calculation and analysis， the static and transient magnetic field of the motor was simulated and calculated by the Ansoft Maxwell 3D and the magnetic field distribution， electromagnetic force and flux linkage were analyzed. The results were consistent with the design as well as provide the theoretical basis to improve the parameters of wind turbine system and reduce its development costs， increasing its design accuracy.

Key words：disc permanent magnet generator； finite element analysis； transient analysis； electromagnetic computation

收稿日期：2015-08-17

中圖分類號：TM 351

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0029- 06

作者簡介：李爭(1980—)，男，博士，教授，研究方向為特種電機及其控制，新型電力傳動裝置。孫甜甜(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(51107031，51577048)；河北省自然科學(xué)基金(E2014208134)