永磁副勵磁機可視化電磁計算

張樹波，陳景易，張亮

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

永磁發電機作為永磁副勵磁機，是無刷勵磁機組的重要組成部分。永磁副勵磁機電磁設計是開發無刷勵磁機機組中的重要環節。傳統的計算方法多采用經典的計算公式進行手算，過程繁瑣，效率低。編制可視化、窗口化，操作界面簡潔、直觀的永磁副勵磁機電磁計算程序可顯著提高電磁計算的工作效率。

1 編程語言的選擇和程序編制的主要步驟

Fortran 語言和C 語言難以實現可視化的程序界面，且操作繁瑣。為保證開發的程序具有直觀可視性，采用Visual Basic 語言進行編程。

Visual Basic 是微軟公司推出的可視化的、面向對象的、采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，是Windows 下最優秀的程序開發語言之一。利用VB 可以開發出Windows 窗口風格的程序，具有良好的交互性、兼容性和擴展性。使用VB編寫電機電磁計算程序的主要步驟有:(1)用戶界面設計，最基本也是最重要的人機交互界面:輸入數據界面和輸出數據界面;(2)詳細分析傳統經驗公式的計算方法、步驟后，確定程序的編制流程和計算邏輯繪制程序流程框圖見圖1;(3)根據準備好的原始資料和程序流程框圖，編寫程序;(4)完成程序編寫后，對程序的語法、公式、結構等進行檢查;(5)調試源程序;(6)程序打包，生成安裝文件。調試過程中進行語法和計算結果檢查。

永磁副勵磁機電磁計算程序包含兩個主要窗體:輸入窗體、輸出窗體。每個窗體上均設有快捷菜單，菜單中包含常用操作選項，如圖2 所示。

圖2 輸入數據窗體

2 程序編制過程中的關鍵問題

永磁副勵磁機電磁計算程序編制中有兩個關鍵問題:(1)曲線或表格的處理方法;(2)永磁體工作點和漏磁系數的循環計算方式。

2.1 曲線或表格的處理方法

電磁計算需要查閱很多曲線或表格，如鐵磁材料磁化曲線、損耗曲線、各種系數關系曲線等。一般處理曲線的方式有兩種:即插值法和曲線擬合法。

插值法的實質就是將曲線離散化，輸入有限個離散數據，分別于曲線上相應的離散點相對應，相鄰的兩離散點間的數據通過人為選定的函數關系來表示。當兩點間使用直線代替原函數關系時就稱為線性插值，即將整條曲線用分段直線來代替。當使用原曲線上的順序三個點所作的拋物線來代替原函數關系時就成為拋物線插值。相對于曲線擬合方法，線性插值和拋物線插值比較簡單，如圖3 所示。

圖3 線性插值法示圖

鑒于鐵磁材料的磁化曲線和損耗曲線的局部線性度較好，對磁化曲線及損耗曲線采用一元線性插值方法進行處理。只要取足夠的點就能保證一元插值函數值的準確度。磁化曲線和損耗曲線取點較多，為了保證程序有很好的邏輯條理，先將取樣點以字符串形式賦值給字符型變量，再將字符串變量轉化為數值變量賦值給數組中的元素，將取樣點存在數組中。計算時調用一元線性插值子函數，根據已求出的磁密計算出相對應的磁場強度值或鐵損值。

電磁計算中，還需讀取二元函數所表示的曲線族，如交、直軸電樞反應系數即是關于氣隙長度的函數，也是關于極弧系數的函數。對于這類曲線族，采用二元函數的線性插值方法處理。二元函數插值方法一般有兩種:(1)分兩步應用一元插值;(2)直接進行二元函數插值。

鑒于曲線族中的曲線都有較好的局部線性度，因此采用兩步一元插值法。以求交軸電樞反應系數為例，先根據極弧系數的值利用一元線性插值計算出對應不同氣隙長度的曲線上的交軸電樞反應系數的值，再根據設計的氣隙長度的值，已氣隙長度為自變量，利用一元線性插值計算出交軸電樞反應系數的值。

2.2 永磁體工作點和漏磁系數的循環計算方式

進行永磁副勵磁機的電磁計算時，需先預估永磁體的空載工作點及空載漏磁系數，再進行磁路計算得到空載工作點和漏磁系數的計算值。計算值和預估值須滿足一定的誤差要求，若不滿足則重復預估、計算的過程。由于永磁體空載工作點及空載漏磁系數的計算并不是完全獨立的，因此，永磁體工作點和漏磁系數的循環計算采用嵌套循環的雙重循環結構。

3 程序的應用

應用此程序進行了100 ～150MW 空冷汽輪發電機配套的TFY-30-500 型永磁副勵磁機的開發工作。TFY-30-500 型永磁副勵磁機的主要參數:額定容量30kVA，額定電壓130V，額定功率因數0.875，額定轉速3 000rpm。

將程序計算結果與傳統手算方法進行對比，兩種方法計算結果相符，驗證了程序的正確性和可靠性。主要的電磁參數計算結果對比見下表1。

表1 電磁參數計算結果比較

設計的TFY-30-500 型永磁副勵磁機性能優良，現已應用于某些發電廠項目中，并出口到馬來西亞和尼日利亞等國家，創造了良好的經濟效益。

4 結語

采用Visual Basic 6.0 作為編程語言編制了永磁副勵磁機可視化電磁計算程序，實現了電磁計算程序的可視窗口化，操作界面更簡潔、直觀。并在開發配套空冷100 ～150MW 空冷汽輪發電機的TFY-30-500 型永磁副勵磁機過程中得以應用，避免了傳統手算的繁瑣過程，顯著提高了永磁副勵磁機的設計效率。

［1］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計. 北京:機械工業出版社，2005.

［2］ 王秀和.永磁電機.北京:中國電力出版社，2008.

［3］ 賈好來，吝伶艷. 電機CAD 技術.北京:中國電力出版社，2010.

［4］ 胡巖，武建文，李德成. 小型電動機現代實用設計技術.北京:機械工業出版社，2008.