基于Magnet 的永磁同步發電機設計

范 樂，任寧寧，郝 萍，玉佳彬

(1.河南工業職業技術學院，河南南陽473000;2.南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473000)

0 引 言

目前，全球面臨一個共同的問題——能源緊缺，該問題直接影響人類賴以生存的資源的可持續發展。為此各國開展了一系列節能技術的研究及應用，適應人類對電量及電能質量的更高要求，因此研究和應用高效、節能、高性能的發電機是當今勢在必行的關鍵性課題［1］。與電勵磁發電機相比，永磁同步發電機具有結構簡單、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點，在航空航天、國防、工農業生產和日常生活中得到了很好的應用［2－3］。

本文通過對磁鋼的不同充磁方式和磁鋼形狀進行研究，達到降低發電機畸變率及提高發電質量的目的。對電機靜態磁場、空載電壓波形、發電機阻性負載特性進行了仿真分析。通過仿真驗證，電機的各項性能指標均達到預期效果，為永磁同步發電機的設計提供了一定的參考價值。

1 電機的結構及設計方案

永磁同步發電機的電磁方案及結構完全不同于異步發電機及電勵磁發電機。永磁同步發電機采用永磁體勵磁，磁鋼牌號及勵磁結構設計完成后很難調整勵磁，不像電勵磁通過調整勵磁電流的大小來調整發電量。基于永磁同步發電機的特殊性，電磁部分采用先進的Magnet 電磁軟件進行設計及優化;轉子磁極采用瓦狀表貼式結構，既要保證磁極不偏心，又要保證轉子在高速運轉時磁鋼不脫落，采用1.5 mm 厚的不銹鋼套筒對轉子進行封裝。其轉子封裝結構如圖1 所示。除永磁體以外，其它材質均為不銹鋼。

圖1 轉子封裝結構

永磁同步發電機由于氣隙磁動勢諧波含量比較大，為消弱氣隙中磁動勢的諧波，降低諧波幅值，氣隙放大到3 mm。同時為了降低研發成本，所設計的10 kW 永磁同步發電機完全借用Y 系列132 機座號的資料，轉子沖片新出。具體實施方案參數如表1所示。

表1 電機具體實施方案參數

2 有限元建模

根據上述電機參數，在CAD 中繪制電機幾何模型，將繪制好的二維幾何圖形(保存為. DXF 格式)導入Magnet 有限元仿真軟件中。為了能夠有效地降低氣隙磁動勢諧波的幅值，對磁極形狀進行了優化。建立的均勻氣隙和不均勻氣隙永磁同步發電機的仿真模型如圖2 所示。

圖2 永磁同步發電機有限元仿真模型

永磁電機設計工作的重要部分是確定磁體的尺寸，從發電機外特性出發，磁體的體積可以由式(1)導出［4－5］:

式中:Kad為直軸電樞反應折合系數;KB為磁場波形系數;KF為發電機短路時每極稀土永磁體磁勢與直軸電樞反應磁勢之比;Ku為電壓系數;C 為永磁體利用系數。

計算得出永磁體的體積后即可由以下公式確定永磁體的具體尺寸，即永磁體的磁化方向長度和截面積。

每極永磁體的體積:

額定負載時永磁體一對極下向外磁路提供的磁勢可由式(3)得出:

式中:Kδ為氣隙系數;δ 為等效氣隙長(轉子表面有非磁性套環，等效氣隙長中應包括套環厚度);Ks為磁路飽和系數，選取范圍為1.03 ～1.2;Ka為克服電樞反應的去磁作用，永磁體磁勢應增大系數，選取范圍為1.04 ～1.15。

對本文所設計的徑向式轉子結構，永磁體的磁化方向長度DM、軸向長度LM、截面積SM及每極氣隙磁通Φδ可由式(4)～式(6)得出:

式中:HM、BM為根據永磁體退磁曲線預取的永磁體工作點的磁場強度和磁感應強度。

對電機均勻氣隙和不均勻氣隙中的磁動勢進行了氣隙磁密靜態磁場分析［6］，氣隙磁密分別如圖3～圖6 所示。

圖3 均勻氣隙與不均勻氣隙徑向充磁氣隙磁密

圖4 均勻氣隙平行徑向充磁氣隙磁密

圖5 不均勻氣隙平行徑向充磁

圖6 不均勻氣隙均勻氣隙平行充磁氣隙磁密

由圖3 可看出，不均勻氣隙徑向充磁氣隙磁密正弦度較好;由圖4 和圖5 可看出，不論均勻氣隙還是不均勻氣隙，磁鋼平行充磁電機氣隙磁密正弦度較好;由圖6 可看出，不均勻氣隙磁密平行充磁比均勻氣隙磁密正弦度好。因此，本文轉子永磁體采用不均勻氣隙且平行充磁的方式。

3 仿真驗證分析

由上述設計方案及分析，在有限元軟件中建立不等氣隙的有限元仿真模型。仿真時間設置為100 ms，為保證精度，步長設置為1 ms。

3.1 電機空載仿真分析

在Magnet 軟件中建立電機空載仿真外圍電路如圖7 所示，圖中由于要對線電壓進行仿真分析，在兩相繞組之間加10 000 Ω 的電阻。在仿真結果中提取這個電阻兩端的端電壓(即線電壓)進行分析，線電壓波形如圖8 所示，諧波分析頻譜如圖9 所示。

圖7 空載仿真外圍電路圖

圖8 空載線電壓波形

圖9 線電壓諧波分析頻譜

由圖8 和圖9 可看出，線電壓波形正弦度較好，諧波含量較小。經諧波分析，線電壓的有效值為420 V，電壓畸變率為0.78%。由此可知，該方案設計合理，電機空載性能較好。

3.2 阻性負載仿真分析

本文對電機的阻性負載進行了仿真分析，負載阻值為14.5 Ω，Y 型連接［7］，仿真外圍電路圖如圖10 所示。

圖10 阻性負載外圍電路

電機輸出電壓曲線及電流曲線分別如圖11 和12 所示。

圖11 阻性負載電壓輸出曲線

圖12 阻性負載2 電流輸出曲線

對阻性負載輸出電壓電流數據進行諧波分析，其電壓電流諧波分析頻譜分別如圖13 和圖14 所示。

圖13 負載電壓諧波分析頻譜

圖14 負載電流諧波分析頻譜

對上述電機阻性負載仿真數據進行分析，其結果如下:電機對外輸出電壓由242 V 降到227 V，由此可知電機阻性負載情況下壓降較小;電機輸出電壓及電流諧波含量較小。因此該電機可順利帶阻性負載，且有較好的輸出性能，表明該設計方案較可靠，符合該種發電機的設計要求。

4 結 語

本文基于Magnet 電磁有限元分析軟件，對10 kW 永磁同步發電機進行設計及研究。對永磁體平行和徑向兩種充磁方式所產生的氣隙磁動勢進行了靜態磁場分析，采用電機不均勻氣隙及永磁體平行充磁的方法，達到了降低氣隙磁動勢諧波及改善發電質量的目的。通過對電機空載及阻性負載特性進行仿真分析，結果表明該方案設計合理，符合永磁同步發電機的設計要求。該研究結果對永磁同步發電機的工程應用具有一定的參考價值。

［1］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］. 北京:機械工業出版社，1997.

［2］ 張廣溢，郭前崗.電機學［M］.重慶:重慶大學出版社，2002.

［3］ 朱德明，嚴仰光.表貼式永磁電機的兩種充磁方式［J］. 南京:南京航空航天大學學報，2006(3):304－308.

［4］ 李鐘明，劉衛國.稀土永磁電機［M］. 北京:國防工業出版社，1999.

［5］ Guo Zhenhong，Chang Liuchen. FEM study on permanent magnet synchronous generators for small wind turbines［C］//Proceedings of CCECE.2005:641－644.

［6］ Rucker J E，Kirtley J L，McCoy T J.Design and analysis of a permanent magnet generator for naval applications［C］//IEEE Electric Ship Technologies Symposium.IEEE，2005:451－458.

［7］ 李槐樹，賴延輝，孟光偉，等.帶感性負載時三相永磁同步發電機電壓特性及設計研究［J］.微特電機，2007(8):21－26.