新型大容量外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)技術(shù)研究

鄒玲玲，史德利，魏燕飛

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新型大容量外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)技術(shù)研究

鄒玲玲，史德利，魏燕飛

（上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240）

330kW永磁機(jī)是上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠在合資技術(shù)基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的為核電半速1100MW等級(jí)發(fā)電機(jī)組配套的大容量永磁機(jī)。本文提出了原鋁鎳鈷外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)存在控制難度大、工藝制造要求高等一系列問(wèn)題，通過(guò)對(duì)磁鋼材料的分析與選擇，研發(fā)了一種新型大容量外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)設(shè)計(jì)方案。對(duì)永磁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)新型永磁機(jī)進(jìn)行了電磁計(jì)算分析、溫度計(jì)算分析以及機(jī)械計(jì)算分析。理論分析表明，該設(shè)計(jì)方案達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

永磁機(jī)；大容量；外轉(zhuǎn)子；稀土鈷；磁鋼材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 前言

當(dāng)代大中型汽輪發(fā)電機(jī)常用的勵(lì)磁方式主要有同軸交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁方式（無(wú)刷勵(lì)磁方式）和自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式。而隨著大容量、高起始響應(yīng)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的研制，其響應(yīng)速度可等同于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上沒(méi)有滑環(huán)和碳刷，沒(méi)有由此引起的碳粉、噪聲、維護(hù)困難和可靠性下降等問(wèn)題，且運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，故越來(lái)越受到客戶的青睞[1]。

上海發(fā)電機(jī)廠原330kW永磁機(jī)是在合資技術(shù)基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)的匹配1100MW等級(jí)核電發(fā)電機(jī)組的大容量永磁副勵(lì)磁機(jī)，該永磁機(jī)采用了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁材料選用了傳統(tǒng)的鋁鎳鈷（AlNiCo）。該設(shè)計(jì)為大容量髙起始無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，永磁機(jī)磁鋼體積較大，并設(shè)計(jì)為小氣隙結(jié)構(gòu)，對(duì)磁鋼裂紋控制要求高、難度大，工藝制造要求也非常高。

為了降低鋁鎳鈷材料本身及小氣隙結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的上述控制難度，進(jìn)一步提高大容量永磁機(jī)性能及可靠性，本文對(duì)行業(yè)中常用的永磁材料進(jìn)行了分析比較，遴選出新一代大容量外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)的適宜材料，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型大容量外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)設(shè)計(jì)方案，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電磁參數(shù)分析、溫升分析和機(jī)械強(qiáng)度分析幾個(gè)部分。理論分析表明，該方案無(wú)論是電磁參數(shù)、溫升情況，還是結(jié)構(gòu)尺寸均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 永磁材料分析與選擇[2, 3]

1.1 鋁鎳鈷

鋁鎳鈷永磁材料也稱為第一代永磁材料，在早期一代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，磁能積可達(dá)85kJ/m3，典型的鋁鎳鈷的退磁曲線如圖1所示。

可以看出，鋁鎳鈷的退磁曲線不是直線，在使用鋁鎳鈷永磁體之前需要進(jìn)行穩(wěn)磁處理，根據(jù)各種工況可能出現(xiàn)的最大去磁效應(yīng)，人為選定好回復(fù)線的起點(diǎn)，避免運(yùn)行時(shí)磁密低于回復(fù)線起點(diǎn)而導(dǎo)致磁性能跌落。

圖1 鋁鎳鈷退磁曲線

鋁鎳鈷在永磁電機(jī)中占比越來(lái)越小，呈現(xiàn)逐漸被取代的形勢(shì)，主要是由于在性能要求較低的電機(jī)中，鋁鎳鈷價(jià)格較鐵氧體永磁體高，而在性能要求高的電機(jī)中，鋁鎳鈷性能比稀土永磁體差，而且使用中要注意防止退磁、使用不方便。

1.2 鐵氧體

鐵氧體永磁材料磁能積可達(dá)40kJ/m3，具有不含稀土元素、貴金屬鎳、以及戰(zhàn)略元素鈷的顯著特點(diǎn)，原料來(lái)源非常豐富，價(jià)格低廉。典型的鐵氧體的退磁曲線如圖2所示。

圖2 鐵氧體退磁曲線

可見(jiàn)，鐵氧體的退磁曲線很大一段都是直線，因此不需要穩(wěn)磁處理，使用上比鋁鎳鈷方便；且該材料工藝成熟、不存在氧化問(wèn)題，密度小、質(zhì)量輕，尤其具有價(jià)格低廉的突出特點(diǎn)，在小電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用非常廣泛。但也可以看到，鐵氧體的剩磁很低(0.2~0.44T)，磁能積也不高，在大容量、髙起始無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中的永磁機(jī)設(shè)計(jì)并不適合。

1.3 稀土永磁體

稀土永磁體的特點(diǎn)是高剩磁、高矯頑力、高磁能積，主要包括稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。鐵硼永磁材料由于其磁性溫度系數(shù)較高、工作溫度低，并不適合大容量永磁副勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)。而稀土鈷永磁體又分為第一代1:5釤鈷(SmCo5)和第二代2:17釤鈷(Sm2Co17)，它的剩磁r高達(dá)0.85~1.15T，接近鋁鎳鈷的水平；而矯頑力c可達(dá)480~800kA/m，比鐵氧體永磁體還要高出2倍多。典型的稀土鈷退磁曲線如圖3所示。

圖3 稀土鈷退磁曲線

可見(jiàn)，稀土鈷永磁體的退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)線能夠與退磁曲線重合，抗去磁能力非常強(qiáng)，從性能上是理想的永磁電機(jī)材料。溫度特性上，稀土鈷永磁體的磁性能溫度系數(shù)非常小，一般為-0.03%/K，溫度穩(wěn)定性好；而且居里溫度高達(dá)710℃~880℃，是高溫環(huán)境的首選，非常適合在永磁電機(jī)中使用。

綜合各類永磁體的性能比較見(jiàn)下表1。

表1 各永磁體性能比較

稀土鈷材料除了具有高磁能積，也滿足了電機(jī)高可靠性對(duì)溫度系數(shù)以及抗氧化及腐蝕性能的需求，且材料的可獲得性滿足了制造需求，是本項(xiàng)目中優(yōu)選的永磁材料方案。

2 新型稀土鈷外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

材料選用稀土鈷后，由于其材料特性發(fā)生了很大變化，磁能積比原來(lái)的鋁鎳鈷材料大了很多，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，主要為：調(diào)整外轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑；增大永磁機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙；在磁鋼外增設(shè)保護(hù)罩殼，以防止定轉(zhuǎn)子擦碰及磁鋼碎裂的風(fēng)險(xiǎn)。

新型永磁機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及磁鋼模組如圖4和圖5所示。

表2 新型永磁機(jī)主要尺寸參數(shù)

圖4 新型永磁機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖5 磁鋼模組

2.2 電磁方案分析

永磁副勵(lì)磁機(jī)的空載電壓將決定其工作特性（即外特性）的起點(diǎn)，因此開(kāi)展空載磁場(chǎng)和電壓分析是永磁副勵(lì)磁機(jī)電磁計(jì)算的關(guān)鍵步驟。本文采用有限元軟件MaxWell進(jìn)行計(jì)算分析，具體步驟如下[4, 5]：

（1）建立永磁副勵(lì)磁機(jī)模型，給定內(nèi)定子鐵心、外轉(zhuǎn)子鐵心軛、內(nèi)定子電樞繞組，設(shè)置邊界；

（2）計(jì)算空載工況時(shí)，在內(nèi)定子電樞繞組上給定電流為0；計(jì)算額定負(fù)載工況時(shí)，在內(nèi)定子電樞繞組上給定對(duì)稱的三相電流瞬時(shí)波形函數(shù)；

（3）利用有限元法計(jì)算磁場(chǎng)分布；

（5）計(jì)算一個(gè)極距下對(duì)應(yīng)的基波氣隙主磁通：

（6）如果氣隙磁密分布接近于正弦分布，則內(nèi)定子上感應(yīng)出來(lái)的三相基波感應(yīng)電勢(shì)有效值為：

2.2.1 有限元模型

新型永磁機(jī)的電磁基本參數(shù)見(jiàn)表3。在Maxwell 2D中，考慮到該電機(jī)有189個(gè)定子槽，轉(zhuǎn)子(外轉(zhuǎn)子)采用14對(duì)磁極，因此可以選取外轉(zhuǎn)子4極(即2對(duì)極)、內(nèi)定子27槽的1/7模型作為求解區(qū)域，如圖6所示。

表3 新型永磁機(jī)電磁基本參數(shù)

圖6 新型永磁機(jī)計(jì)算模型

由于有限元仿真的限制性，所以對(duì)電機(jī)做出如下假設(shè)[7]：

（1）對(duì)磁極沖片和轉(zhuǎn)子槽的部分圓角、倒角做近似處理；

（2）忽略端部影響，磁場(chǎng)分布均勻，不考慮渦流效應(yīng)，把磁場(chǎng)看作二維非線性恒定磁場(chǎng)處理。

邊界條件：

稀土鈷永磁體固定外轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，在Maxwell 2D中，選取SmCo24材料（剩磁r=1.063T，c=756 kA/m）。

2.2.2 空載計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元軟件按照前面敘述的方法步驟對(duì)永磁副勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖7所示為網(wǎng)格剖分和磁力線圖；圖8所示是空載磁密分布，可見(jiàn)一個(gè)齒下磁密平均值不超過(guò)1T，能確保較小的齒部鐵耗，防止局部過(guò)熱發(fā)生。

圖7 網(wǎng)格剖分和磁力線

圖8 空載時(shí)磁密分布

空載情況下的線反電勢(shì)波形如圖9所示，線反電勢(shì)有效值343.7V，反電勢(shì)波形正弦度良好。

圖9 空載情況下反電勢(shì)波形

2.2.3 額定負(fù)載計(jì)算結(jié)果

額定負(fù)載下，330kW稀土鈷永磁副勵(lì)磁機(jī)的性能指標(biāo)見(jiàn)表4；電機(jī)線電壓波形如圖10所示。

表4 電機(jī)額定參數(shù)

圖10 額定工況下線電壓波形

綜上，新型稀土鈷外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)可確保其在額定運(yùn)行點(diǎn)與原鋁鎳鈷方案的外特性相同，且由于氣隙增加，使得電樞電感降低，因此新型永磁機(jī)空載反電勢(shì)與電壓調(diào)整率均有所下降，對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)能夠更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。另外，新型永磁機(jī)保證了定子齒部磁密不高于原鋁鎳鈷永磁機(jī)，鐵心長(zhǎng)度反而有所下降，這說(shuō)明新型永磁機(jī)中磁密基波分量有所提高，諧波分量下降，氣隙磁場(chǎng)的利用率更高。

2.3 溫度分布分析

2.3.1 幾何模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性(189槽28極)，對(duì)電機(jī)的1/14模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析，有限元物理模型如圖11所示，包含原鋁鎳鈷電機(jī)模型(a)及設(shè)計(jì)方案電機(jī)模型(b)。模型包含電機(jī)的主要部分，繞組、定子鐵心、磁鋼、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鋼，以及定轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)。其中，本熱分析只考慮了繞組、定子鐵心、磁鋼，以及磁鋼護(hù)套和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鋼中的熱量[8]。

圖11 溫度計(jì)算有限元模型

2.3.2 結(jié)果分析和討論

本文利用有限元軟件ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析模塊求解模型離散的導(dǎo)熱方程，得到了電機(jī)的溫度分布，如圖12所示。兩種方案電機(jī)的最高溫度均出現(xiàn)在電機(jī)槽內(nèi)繞組定子鐵心齒部的軸向中間部位，最高溫度為分別為92℃和82℃。繞組和磁鋼的詳細(xì)溫度分布分別如圖13和圖14所示?？梢钥吹?，由于電機(jī)內(nèi)通風(fēng)的效果，端部繞組的散熱條件較槽內(nèi)繞組好，端部繞組的溫度比槽內(nèi)繞組的溫度低。詳細(xì)的溫度比較如表5所示，可以看到，釤鈷方案在熱性能方面，較原鋁鎳鈷電機(jī)好，關(guān)鍵部位（磁鋼和繞組）的溫度均較原鋁鎳鈷電機(jī)低，且滿足磁鋼材料和絕緣材料的溫度限值要求，磁鋼和繞組的最高溫度分別較原鋁鎳鈷電機(jī)低10.9%和2.9%。

圖12 溫度分布計(jì)算結(jié)果

圖13 繞組溫度分布計(jì)算結(jié)果

圖14 磁鋼溫度分布計(jì)算結(jié)果

表5 繞組與磁鋼計(jì)算溫度比較

2.4 機(jī)械計(jì)算分析

本文對(duì)新型永磁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元機(jī)械計(jì)算分析，結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 轉(zhuǎn)子各部分最大應(yīng)力以及徑向變形

從表6可知，轉(zhuǎn)子各部分應(yīng)力均滿足要求。

3 結(jié)論

本文綜合比較分析了鋁鎳鈷、鐵氧體以及稀土永磁體的各項(xiàng)性能參數(shù)，最終確定采用更高能積的稀土鈷作為新型永磁機(jī)的磁鋼材料。

通過(guò)有限元仿真，分析了新型稀土鈷外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)電磁、溫升、機(jī)械方面性能，在保證原機(jī)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了增大定轉(zhuǎn)子氣隙、增加磁鋼保護(hù)罩殼的設(shè)計(jì)，從而提高了外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)運(yùn)行可靠性。理論分析表明，該方案無(wú)論是電磁參數(shù)、溫升情況，還是結(jié)構(gòu)尺寸均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。后續(xù)可根據(jù)該設(shè)計(jì)方案開(kāi)展樣機(jī)制造及驗(yàn)證工作。

新開(kāi)發(fā)的稀土鈷外轉(zhuǎn)子永磁機(jī)技術(shù)可用于外轉(zhuǎn)子系列永磁機(jī)和類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于大容量永磁機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重大參考和適用價(jià)值。

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Technical Research on a Novel High Capacity Permanent Magnet Generator with External Rotor

ZOU Lingling, SHI Deli, WEI Yanfei

(Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd, Shanghai Generator Works, Shanghai 200240, China)

330kW permanent magnet generator is a large capacity PMG providing excitation to nuclear and half speed 1100MW class generator on the basis of joint venture technology. The paper introduced a series of problems of original AlNiCo PMG, such as the difficulty of control and the high requirement of process manufacturing，through the analysis and selection of magnet materials, a new design scheme of large capacity external rotor permanent magnet generator was developed. The structure of permanent magnet generator is optimized，the electromagnetic calculation, temperature calculation and mechanical calculation of the new permanent magnet generator are also analyzed. Theoretical analysis shows that the design scheme achieves the expected goal.

permanent magnet generator; large capacity; outer rotor; rare earth cobalt; magnet materials; physical design

TM351

A

1000-3983(2018)05-0036-06

2018-06-09

鄒玲玲（1983-），2006年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠設(shè)計(jì)部工作，任勵(lì)磁機(jī)集電環(huán)高級(jí)工程師，工程師。