新型大容量外轉子永磁機技術研究

鄒玲玲，史德利，魏燕飛

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新型大容量外轉子永磁機技術研究

鄒玲玲，史德利，魏燕飛

（上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海 200240）

330kW永磁機是上海電氣電站設備有限公司發電機廠在合資技術基礎上，自主開發設計的為核電半速1100MW等級發電機組配套的大容量永磁機。本文提出了原鋁鎳鈷外轉子永磁機存在控制難度大、工藝制造要求高等一系列問題，通過對磁鋼材料的分析與選擇，研發了一種新型大容量外轉子永磁機設計方案。對永磁機結構進行了優化設計，并針對新型永磁機進行了電磁計算分析、溫度計算分析以及機械計算分析。理論分析表明，該設計方案達到了預期目標。

永磁機；大容量；外轉子；稀土鈷；磁鋼材料；結構設計

0 前言

當代大中型汽輪發電機常用的勵磁方式主要有同軸交流勵磁機旋轉整流勵磁方式（無刷勵磁方式）和自并勵靜止勵磁方式。而隨著大容量、高起始響應無刷勵磁系統的研制，其響應速度可等同于自并勵靜止勵磁系統，結構上沒有滑環和碳刷，沒有由此引起的碳粉、噪聲、維護困難和可靠性下降等問題，且運行可靠、維護方便，故越來越受到客戶的青睞[1]。

上海發電機廠原330kW永磁機是在合資技術基礎上，自主開發的匹配1100MW等級核電發電機組的大容量永磁副勵磁機，該永磁機采用了外轉子結構，永磁材料選用了傳統的鋁鎳鈷（AlNiCo）。該設計為大容量髙起始無刷勵磁系統，永磁機磁鋼體積較大，并設計為小氣隙結構，對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構所帶來的上述控制難度，進一步提高大容量永磁機性能及可靠性，本文對行業中常用的永磁材料進行了分析比較，遴選出新一代大容量外轉子永磁機的適宜材料，并在此基礎上，研發了一種新型大容量外轉子永磁機設計方案，包括結構優化設計、電磁參數分析、溫升分析和機械強度分析幾個部分。理論分析表明，該方案無論是電磁參數、溫升情況，還是結構尺寸均達到了預期目標。

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設計中應用較多，磁能積可達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行穩磁處理，根據各種工況可能出現的最大去磁效應，人為選定好回復線的起點，避免運行時磁密低于回復線起點而導致磁性能跌落。

圖1 鋁鎳鈷退磁曲線

鋁鎳鈷在永磁電機中占比越來越小，呈現逐漸被取代的形勢，主要是由于在性能要求較低的電機中，鋁鎳鈷價格較鐵氧體永磁體高，而在性能要求高的電機中，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40kJ/m3，具有不含稀土元素、貴金屬鎳、以及戰略元素鈷的顯著特點，原料來源非常豐富，價格低廉。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，鐵氧體的退磁曲線很大一段都是直線，因此不需要穩磁處理，使用上比鋁鎳鈷方便；且該材料工藝成熟、不存在氧化問題，密度小、質量輕，尤其具有價格低廉的突出特點，在小電機設計應用中使用非常廣泛。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、髙起始無刷勵磁系統中的永磁機設計并不適合。

1.3 稀土永磁體

稀土永磁體的特點是高剩磁、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較高、工作溫度低，并不適合大容量永磁副勵磁機設計。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0.85~1.15T，接近鋁鎳鈷的水平；而矯頑力c可達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，稀土鈷永磁體的退磁曲線基本上是一條直線，回復線能夠與退磁曲線重合，抗去磁能力非常強，從性能上是理想的永磁電機材料。溫度特性上，稀土鈷永磁體的磁性能溫度系數非常小，一般為-0.03%/K，溫度穩定性好；而且居里溫度高達710℃~880℃，是高溫環境的首選，非常適合在永磁電機中使用。

綜合各類永磁體的性能比較見下表1。

表1 各永磁體性能比較

稀土鈷材料除了具有高磁能積，也滿足了電機高可靠性對溫度系數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，是本項目中優選的永磁材料方案。

2 新型稀土鈷外轉子永磁機設計

2.1 結構優化設計

材料選用稀土鈷后，由于其材料特性發生了很大變化，磁能積比原來的鋁鎳鈷材料大了很多，因此結構設計上進行了優化，主要為：調整外轉子的內徑；增大永磁機定轉子氣隙；在磁鋼外增設保護罩殼，以防止定轉子擦碰及磁鋼碎裂的風險。

新型永磁機主要設計參數見表2，轉子結構及磁鋼模組如圖4和圖5所示。

表2 新型永磁機主要尺寸參數

圖4 新型永磁機轉子結構

圖5 磁鋼模組

2.2 電磁方案分析

永磁副勵磁機的空載電壓將決定其工作特性（即外特性）的起點，因此開展空載磁場和電壓分析是永磁副勵磁機電磁計算的關鍵步驟。本文采用有限元軟件MaxWell進行計算分析，具體步驟如下[4, 5]：

（1）建立永磁副勵磁機模型，給定內定子鐵心、外轉子鐵心軛、內定子電樞繞組，設置邊界；

（2）計算空載工況時，在內定子電樞繞組上給定電流為0；計算額定負載工況時，在內定子電樞繞組上給定對稱的三相電流瞬時波形函數；

（3）利用有限元法計算磁場分布；

（5）計算一個極距下對應的基波氣隙主磁通：

（6）如果氣隙磁密分布接近于正弦分布，則內定子上感應出來的三相基波感應電勢有效值為：

2.2.1 有限元模型

新型永磁機的電磁基本參數見表3。在Maxwell 2D中，考慮到該電機有189個定子槽，轉子(外轉子)采用14對磁極，因此可以選取外轉子4極(即2對極)、內定子27槽的1/7模型作為求解區域，如圖6所示。

表3 新型永磁機電磁基本參數

圖6 新型永磁機計算模型

由于有限元仿真的限制性，所以對電機做出如下假設[7]：

（1）對磁極沖片和轉子槽的部分圓角、倒角做近似處理；

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

邊界條件：

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

2.2.2 空載計算結果

通過有限元軟件按照前面敘述的方法步驟對永磁副勵磁機進行仿真計算。圖7所示為網格剖分和磁力線圖；圖8所示是空載磁密分布，可見一個齒下磁密平均值不超過1T，能確保較小的齒部鐵耗，防止局部過熱發生。

圖7 網格剖分和磁力線

圖8 空載時磁密分布

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

圖9 空載情況下反電勢波形

2.2.3 額定負載計算結果

額定負載下，330kW稀土鈷永磁副勵磁機的性能指標見表4；電機線電壓波形如圖10所示。

表4 電機額定參數

圖10 額定工況下線電壓波形

綜上，新型稀土鈷外轉子永磁機可確保其在額定運行點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，因此新型永磁機空載反電勢與電壓調整率均有所下降，對于發電機來說能夠更好地實現穩壓。另外，新型永磁機保證了定子齒部磁密不高于原鋁鎳鈷永磁機，鐵心長度反而有所下降，這說明新型永磁機中磁密基波分量有所提高，諧波分量下降，氣隙磁場的利用率更高。

2.3 溫度分布分析

2.3.1 幾何模型

為了簡化計算，本文根據電機結構的對稱性(189槽28極)，對電機的1/14模型進行有限元計算分析，有限元物理模型如圖11所示，包含原鋁鎳鈷電機模型(a)及設計方案電機模型(b)。模型包含電機的主要部分，繞組、定子鐵心、磁鋼、轉子結構鋼，以及定轉子支撐結構。其中，本熱分析只考慮了繞組、定子鐵心、磁鋼，以及磁鋼護套和轉子結構鋼中的熱量[8]。

圖11 溫度計算有限元模型

2.3.2 結果分析和討論

本文利用有限元軟件ANSYS穩態熱分析模塊求解模型離散的導熱方程，得到了電機的溫度分布，如圖12所示。兩種方案電機的最高溫度均出現在電機槽內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℃。繞組和磁鋼的詳細溫度分布分別如圖13和圖14所示。可以看到，由于電機內通風的效果，端部繞組的散熱條件較槽內繞組好，端部繞組的溫度比槽內繞組的溫度低。詳細的溫度比較如表5所示，可以看到，釤鈷方案在熱性能方面，較原鋁鎳鈷電機好，關鍵部位（磁鋼和繞組）的溫度均較原鋁鎳鈷電機低，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低10.9%和2.9%。

圖12 溫度分布計算結果

圖13 繞組溫度分布計算結果

圖14 磁鋼溫度分布計算結果

表5 繞組與磁鋼計算溫度比較

2.4 機械計算分析

本文對新型永磁機結構進行了有限元機械計算分析，結果詳見表6。

表6 轉子各部分最大應力以及徑向變形

從表6可知，轉子各部分應力均滿足要求。

3 結論

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性能參數，最終確定采用更高能積的稀土鈷作為新型永磁機的磁鋼材料。

通過有限元仿真，分析了新型稀土鈷外轉子永磁機電磁、溫升、機械方面性能，在保證原機性能的基礎上，實現了增大定轉子氣隙、增加磁鋼保護罩殼的設計，從而提高了外轉子永磁機運行可靠性。理論分析表明，該方案無論是電磁參數、溫升情況，還是結構尺寸均達到了預期目標。后續可根據該設計方案開展樣機制造及驗證工作。

新開發的稀土鈷外轉子永磁機技術可用于外轉子系列永磁機和類似結構設計中，對于大容量永磁機設計開發具有重大參考和適用價值。

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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年畢業于哈爾濱工業大學電氣工程及其自動化專業，現在上海電氣電站設備有限公司發電機廠設計部工作，任勵磁機集電環高級工程師，工程師。