風(fēng)電機(jī)組變槳永磁同步電機(jī)設(shè)計及仿真分析

劉世博，謝衛(wèi)才，2，曹 壘，許 欣，王耀鋒，廖鴻志，何 力

（1.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104）

0 引言

變槳電機(jī)是為了使風(fēng)機(jī)葉片時刻保持在迎風(fēng)狀態(tài).其類型為：直流伺服電機(jī)、交流異步伺服電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī).直流伺服電機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，且對使用環(huán)境有要求.交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、易于高速化、制造成本低，但是其存在制動難、電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致?lián)p耗大的情況.而永磁同步電機(jī)效率高，具有較寬的調(diào)速范圍、功率因數(shù)高、體積小、動態(tài)性能好，適合于風(fēng)機(jī)這種維護(hù)不便的場所.雖然永磁同步電機(jī)成本相對較高，但節(jié)省了后續(xù)的維護(hù)費(fèi)，所以選用永磁同步電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組的變槳電機(jī)性價比較高.

本文完成了永磁同步電機(jī)的本體設(shè)計，對電機(jī)進(jìn)行主要尺寸確定、定子槽型設(shè)計、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選型，最后對永磁體進(jìn)行選材和尺寸設(shè)計.依據(jù)所確定的電機(jī)尺寸，利用ANSYS對電機(jī)進(jìn)行磁路仿真、二維靜態(tài)場和瞬態(tài)場仿真.同時根據(jù)所得磁密圖和電機(jī)特性曲線圖，對電機(jī)性能進(jìn)行了分析，采用場路結(jié)合的分析方法，確定永磁同步電機(jī)的電磁方案.

1 永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計

根據(jù)某型號風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的性能要求，給出設(shè)計電機(jī)的額定參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 主要尺寸選取

根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)確定永磁同步電機(jī)的定子內(nèi)外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、轉(zhuǎn)子永磁體磁極的長度及有效長度［2］，其中除了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)跟異步電機(jī)的機(jī)構(gòu)基本相同，所以在設(shè)計時參考同功率交流異步電動機(jī)的尺寸.

參考同類型電機(jī)尺寸，確認(rèn)本次設(shè)計電機(jī)主要尺寸情況如下：①定子內(nèi)徑：210 mm；②定子外徑：310 mm；③轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：75 mm；④鐵芯長度：180 mm；⑤氣隙暫定值：1 mm.

1.2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計

永磁同步電機(jī)的功率不同、極數(shù)不同，采用的定子槽型也不相同.由于本文電機(jī)極數(shù)為6極，定子槽數(shù)為36槽.所以綜合考慮上述條件及不同槽型的特性，本次設(shè)計定子槽選用梨形槽.采取雙層繞組形式，設(shè)計為短距繞組，采用60°相帶.定子繞組連接圖如圖1所示.

圖1 繞組連接圖

1.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子中徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有漏磁系數(shù)小、在電機(jī)軸上無須隔磁措施且極弧系數(shù)較易控制、轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)子不易變形等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過綜合考慮，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇內(nèi)置式徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，“V”字形磁鋼的氣隙磁密大，對于磁鋼的利用率更高.雖然“V”字形磁鋼的高次諧波含量會略大，但可以通過斜槽的辦法消去高次諧波.所以，“V”字形磁鋼具有更好的性能，本次設(shè)計選用“V”字形作為轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀，如圖2所示.

圖2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖

1.4 永磁體設(shè)計

永磁體尺寸的設(shè)計主要有充磁方向的長度hM、沿轉(zhuǎn)子圓周的寬度bM和沿電機(jī)軸的長度lM.通常設(shè)計時取沿電機(jī)軸的長度lM與電機(jī)鐵心的長度相等，為此設(shè)計時主要是確定永磁體的另外兩個尺寸.

電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，其主要尺寸可由下式確定［3］：

根據(jù)公式（1）可以初步確定永磁體的尺寸，永磁體磁化方向長度hM為5.5 mm，永磁體轉(zhuǎn)子圓周寬度bM為70 mm.選用的永磁體材料為N38SH，剩余磁通密度Br20為1.22 T，矯頑力Hc20為907 kA/m.hM的選擇要根據(jù)永磁體的剩磁、極弧長等因素綜合考慮.hM選擇小，可以節(jié)省永磁體，但其端面系數(shù)也會小，會使永磁體磁極極面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度減??；hM選擇大，會使永磁體磁極體積大、成本高，但會使永磁體磁極極面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加.因此設(shè)計計算時必須對永磁體的最大去磁工作點(diǎn)校核計算，確保永磁體的最大去磁工作點(diǎn)高于永磁材料在允許的工作溫度下退磁曲線拐點(diǎn)（bk，hk），并留有一定的裕量.

由于本設(shè)計采取的轉(zhuǎn)子磁鋼形狀為“V”字形，所以比通常的永磁體設(shè)計會多一些計算參數(shù)，其中永磁體夾角和磁橋?qū)捠禽^為重要的參數(shù)［4］.隨著永磁體夾角的增大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩先減小后增大，并且當(dāng)夾角增大到某一值時，隨著夾角的增大，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩開始減小，在設(shè)計時需要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際情況，選擇一個最優(yōu)的永磁體夾角，在本次設(shè)計鐘，確定永磁體夾角為140°.而磁橋?qū)挾葧绊戨姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩和凸極率，由于磁橋?qū)挾鹊淖兓瘯绊慏軸的磁路，綜合影響如下：隨著磁橋?qū)挾鹊脑黾樱惠S磁鏈增加，而輸出轉(zhuǎn)矩則是先增大后減小的趨勢.本次設(shè)計暫定永磁體磁橋?yàn)?5 mm.

具體的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖3所示.

圖3 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸圖

2 有限元仿真

利用ANSYS軟件的RMxprt模塊進(jìn)行磁路仿真后，所獲得的空載電參數(shù)如圖4所示，額定點(diǎn)磁路仿真參數(shù)如圖5所示.由圖可以看出輸入功率為23053 W，輸出功率為21984 W，額定轉(zhuǎn)矩為180.97 N·m，額定效率為95.36%.

圖4 空載磁路仿真參數(shù)

圖5 額定點(diǎn)磁路仿真參數(shù)

2.1 IPMSM的仿真特性曲線

通過RMxprt模塊的仿真計算，可以初步得到電機(jī)的性能參數(shù)，同時能觀察到氣隙磁密波形、電機(jī)的效率曲線、每一相負(fù)載的電流曲線、負(fù)載的電壓曲線等，相關(guān)波形曲線如圖6～圖10所示.

圖6 電機(jī)效率曲線圖

圖7 電機(jī)輸出功率曲線圖

圖8 定子電流曲線圖

圖9 輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖10 氣隙磁密曲線圖

從效率方面看，電機(jī)效率高于95%，隨著負(fù)載的增加，效率在一定時間內(nèi)能維持在95%左右，可見符合電機(jī)設(shè)計要求.在輸出功率和定子電流方面，所得參數(shù)值滿足設(shè)計要求.在輸出轉(zhuǎn)矩方面，能保持恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速，且超過額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩下降速度較為緩慢，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在181 N·m，與設(shè)計技術(shù)要求相符合.綜上所述，由磁路仿真之后所得到的曲線圖，綜合空載點(diǎn)、額定點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，仿真結(jié)果可以很好地體現(xiàn)電機(jī)的性能，符合電機(jī)設(shè)計技術(shù)要求.

2.2 二維電磁場仿真結(jié)果

（1）空載運(yùn)行情況下的電磁場分析

經(jīng)過邊界條件、激勵源的設(shè)置及網(wǎng)格剖分后，對其進(jìn)行二維電磁場仿真后可得：二維空載磁密分布圖及磁力線分布圖如圖11、圖12所示.

圖11 2D瞬態(tài)場空載磁密分布圖

圖12 2D瞬態(tài)場空載磁力線分布圖

從圖11可以看出本次設(shè)計電機(jī)的磁場分布比較合理，沒有過飽和的情況，說明電機(jī)的有限元求解設(shè)置正確.由圖12可以看出，電機(jī)的磁力線分布合理，說明磁鋼充磁方向正確，漏磁少，說明隔磁橋的設(shè)計正確.

氣隙磁密的選擇對于電機(jī)設(shè)計來說非常重要，合理地選擇氣隙磁密可以避免大的轉(zhuǎn)矩脈動、大的起動電流倍數(shù)以及較大的啟動峰值電流，避免對電機(jī)的負(fù)載設(shè)備及變壓器造成損傷，尤其在某些高危險性的操作環(huán)境下，若發(fā)生事故將帶來不可估量的損失.而氣隙磁密的選擇主要與電動機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體磁極的布置及永磁體的磁極綜合性能有關(guān)，也與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子外圓上形成氣隙磁密或永磁體磁極與轉(zhuǎn)子軸所成角度等因素有關(guān).電機(jī)空載氣隙磷密波形圖與分解圖如圖13、圖14所示，氣隙磁密波形的質(zhì)量可以反映所設(shè)計的電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，從圖13、圖14中可以看出，氣隙磁密大體呈正弦函數(shù)圖像形態(tài)，基本符合設(shè)計條件.

圖13 電機(jī)空載氣隙磁密波形圖

圖15 為空載相反電動勢，圖16為空載線反電動勢，圖17為空載線反電動勢的FFT分解圖，從圖15～圖17可知所設(shè)計的永磁同步電動機(jī)空載反電動勢分布接近正弦，從線反電動勢可知基波幅值為163.27 V，符合設(shè)計要求.

圖14 氣隙磁密FFT分解圖

圖15 空載相反電動勢波形圖

圖16 線反電動勢波形圖

圖17 線反電動勢FFT波形圖

（2）負(fù)載運(yùn)行情況下的二維電磁場分析

對永磁同步伺服電機(jī)進(jìn)行了二維有限元仿真，以便測試電機(jī)的運(yùn)行性能以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，測試其是否滿足設(shè)計的技術(shù)要求.

圖18、圖19分別為永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩圖和負(fù)載三相電流圖，從圖18可知，在功率角為37°后，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在202.7 N·m，三相電流波形正弦度良好，與設(shè)計要求基本符合.

圖18 永磁同步伺服電機(jī)負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩圖

圖19 永磁同步伺服電機(jī)負(fù)載三相電流圖

永磁同步伺服電機(jī)在空載時運(yùn)行時的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖20所示，從圖20中可以看出最大齒槽轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m左右，占額定轉(zhuǎn)矩的4.2%，齒槽轉(zhuǎn)矩這一參數(shù)對電機(jī)的性能影響較大.

圖20 永磁同步電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩圖

3 結(jié)論

本文在綜合考慮定子繞組類型、氣隙長度以及永磁體尺寸的相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行平衡設(shè)計優(yōu)化.設(shè)計了一臺變槳用永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計方案.通過電磁計算的結(jié)果，為永磁同步電機(jī)的有限元分析提供數(shù)據(jù)支持，并利用二維仿真模塊，對電機(jī)進(jìn)行二維靜態(tài)場和瞬態(tài)場的仿真，得出靜態(tài)場下電機(jī)的磁密性能優(yōu)良，可以有效降低抖震現(xiàn)象，提高電機(jī)的穩(wěn)定性.在瞬態(tài)場下，得出了電機(jī)空載和負(fù)載狀態(tài)的電機(jī)參數(shù)，證實(shí)其能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行滿足設(shè)計要求，以及三相電流波形的正弦度良好，符合設(shè)計要求.