（电机与电器专业论文）交直流永磁同步发电机的设计与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m u l t a n e o u sa ca n dd cp o w e rs o u r c e sw i t hh i g hq u a l i t ya r er e q u i r e di n m a n ys e l f - c o n t a i n e de l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m s ，s u c ha st h o s eu s e di na i r c r a f t ， v e s s e l s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a t i o n sa n do f f s h e r eo i ip l a t f o r m s t h o s e p o w e rs o u r c e ss h o u l dh a v et h ev i r t u e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ， h i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e s t h ed e s i g n ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ， a n dp e r f o r m a n c eo fap ms y n c h r o n o u s g e n e r a t o rw i t hm u l t i p l ew i n d i n gs e t su s e df o rs e l f - c o n t a i n e de l e c t r i c a l s y s t e m s ， w h i c hr e q u i r es i m u l t a n e o u sa ca n dd cp o w e rs u p p l y c o m p a r e w i t ht r a d i t i o n a lw o u n d f i e l d g e n e r a t o r s ? w i t h o u tt h ef i e l dw i n d i n g sa n d b r u s h e s ，t h e yh a v eh i g h e re f f i c i e n c ya n dh i g ht o r q u e v o l u m er e l a t i o n s h i p t h e r ea r e3i n d e p e n d e n ty - c o n n e c t e dw i n d i n g se q u i p p e do nt h es t a t o r ， o n e w i n d i n gs e td e l i v e r sa cp o w e r ， a n dt h eo t h e r sa r ec o n n e c t e dt ot h eb r i d g e r e c t i f i e rt os u p p l yd c p o w e r t h ea cw i n d i n gi sat h r e ep h a s e sw i n d i n g ，a n d t h ed cw i n d i n gi sas i xp h a s e sw i n d i n gc o m p o s e do ft w ot h r e e p h a s e s w i n d i n g ss h i f t e db yx 6 e l e c t r i c a lr a d i a n s b yi n c o r p o r a t i n gas o f t - i r o np o l e p i e c ei nt h er e g i o nb e t w e e nt h et r a i l i n gp o l ee d g ea n dt h et r a i l i n gi n t e r p o l a r a x i so fe a c hp o l e ，ar e d u c t i o ni nt h ev o l t a g er e g u l a t i o no fg e n e r a t o rc a nt h u s b ea c h i e v e d t h ei m p l i c a t i o ni st h a tq - a x i ss y n c h r o n o u sr e a c t a n c ed r o pc a nb e j n c r e a s e d m a c h i n ed i m e n s i o n sa r ed e t e r m i n e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di n2 d i m e n s i o n s t h ev o l t a g er e g u l a t i o ni sc a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n ts o f t - i r o n d i m e n s i o n s w i t ht h em a g n e tf i e l ds o l u t i o n ，t h ei n d u c e dv o l t a g ei sa c h i e v e d b yaf o u r i e rs e r i e sc o n t a i n e ds e v e r a lv o l t a g eh a r m o n i c s ， w h i c hw i l lb eu s e d l a t e rf o rt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h em a c h i n ep e r f o r m a n c e t h ev a l u e so f t h es e l fa n dm u t u a li n d u c t a n c e s 。w h i c hc o n t a i n e dt h ee f f e c t so fm a g n e t s a t u r a t i o na n di n h e r e n th a r m o n i c si nf l u xl i n k a g e s ，a r ec a l c u l a t e dd i r e c t e d f r o mm a g n e tf i e l ds o l u t i o n su s i n ga ne n e r g yp e r t u r b a t i o na p p r o a c h b e c a u s e o ft h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n tc h a r a c t e r o ft h em a t e r i a l ， at e c h n i q u ei n c o n j u n c t i o nw i t hc o u p l e dm a g n e t o - t h e r m a lf ef i e l da n a l y s i si su s e dt oo b t a i n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h em a c h i n e i i 山东大学硕士学位论文 t h eb e h a v i o ro ft h e g e n e r a t o r w i t ht h r e e 3 - r p h a s e s t a t o r w i n d i n g d i s p l a c e db yaa n g l ei sa n a l y s i sb ym e a n so fa no r t h o g o n a lt r a n s f o r m a t i o no f t h ea ，b ，c ，a 1 ，b 1 ，c 1 ，a 2 ，b 2 ，c 2v a r i a b l e si n t oan e ws e t ：d i ， q i ， 0 1 ，d 2 ，q 2 ，0 2 ，d 3 ，q 3 ，0 3 ，w h e r e i nl e a k a g ei n d u c t a n c e sa r ei n c l u d e d t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sw i t ht h en e wv a r i a b l e sh a v et i m e i n d e p e n d e n t c o e f f i c i e n t s t h u sap h a s o rd i a g r a mc a nb ed r a w n t h es i m u l a t i o ni sb a s e do n u s eo ft h ea b cf r a m eo ft h er e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n to ft h en e c e s s a r y e q u a t i o n t h i si sa na d v a n t a g eo v e rt h em e t h o dt h a te m p l o yt h em a t h e m a t i c s m o d e li nt h ed q of r a m eo f r e f e r e n c ei nt h a tn os i m p l y i n ga s s u m p t i o n s ， s u c h a sn e g l e c to fm a g n e t i cn o n l i n e a r i t i e s ， n e g l e c to fs p a c eh a r m o n i c si nt h e m m f sa sw e l la ss p a c eh a r m o n i c si nf l u xd e n s i t yw a v ef o r m so rw i n d i n gf l u x l i n k a g e s ， a r en e c e s s a r yi nt h i sa p p r o a c h t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec h e c k e d v e r s u sm e a s u r e dv a l u e s ，a n dag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n d t h em e a s u r e m e n t sa r eo b s e r v e d as c h e m eo fw o u n d - f i e l dg e n e r a t o ru s e df o re l f - c o n t a i n e de l e c t r i c a l s y s t e m si sc o m p u t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r p r e s e n t sh e r eh a sas e r i e so fa d v a n t a g ei ns i z e ，w e i g h t ，a n de f f i c i e n c yo v e r t h ew o u n d - f i e l dg e n e r a t o r k e y w o r d s ：m u l t i p h a s e ， a ca n dd cp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h e r m a lf i e l d ，m a t h e m a t i c s m o d e l i l l 山东大学硕- 2 ：学位论文 符号说明 x d 、x 。：直、交轴电抗 k f r o ：转子磁势 f a a 、f i d ：电枢交、直轴磁势 k 。：电机绕组系数 k 。；节距因数 k d ，：绕组因数 a ：每槽电角度 v ：谐波次数 y i ：节距 t ：极距 q ：每极每相槽数 e 。：n 次谐波相感应电动势 n ：每相绕组串联导体数 b 。：1 1 次谐波气隙磁密幅值 l ；铁心长度 v ：转子圆周速度 e ，：每相感应电动势 e 。l ：定子基波感应电动势 a ：矢量磁位 b 。：径向磁密 v i ：为e 。与q 轴间的夹角 m 。i ：与基波感应电动势对应磁通 x 。：定子端部漏抗 m l 、m 2 ：交、直流绕组相数 p c 。：电机的铜耗 i i 、1 2 ：交、直流绕组电流有效值 r i 、y 2 ：交、直流绕组电阻( 相) p f 。：定子铁耗 k t 、k j ：齿部、轭部铁耗校正系数 p t 、p j ：齿部、轭部损耗系数 m t 、m j ：齿部、轭部重量 o ：永磁材料的导电率 a t ：时间间隔 m 。：永磁体节点总数 j 元：每个单元涡流密度 a s ：单元的面积 n o ：永磁体单元的总数 l ：增量电感 w ：电机磁场能量 ：绕组a i 与绕组a 轴线夹角。 e ：绕组a 2 与绕组a 1 轴线夹角 ：永磁体产生磁链 l ：电感 0 0 k ：空载反电动势幅值 x ：电抗 0 ：d 轴与a 相绕组夹角 i d 、i 。、i o ：d q 0 坐标系下的电流 u d 、u q 、u o ：d q 0 坐标系下的电压 甲d 、甲q 、甲o ：d q 0 坐标系下的磁链 k ：a b c 到d q 0 坐标系的变换矩阵 吼：与定子绕组相关的磁链 l o i ：漏磁引起的电感系数 h ：与常数项相关的导磁系数 九2 ：与二次项相关的导磁系数 a 。：绕组的并联支路数 0 e ：两个绕组中心线间夹角 i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：曼堡整e l 期：墅堕：乞：兰， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名： 山东大掌硕士学位论文 第一章引言 1 1 交直流电力系统 在舰船，飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立系统中，需要实现发 供电系统的小型化，高功率密度，高可靠性以及高品质，尤其在船舰和飞 机上，设备繁多、空问狭小、供电设备的重量和体积受到严格控制、交直 流电制共存，如何同时提供高品质、大容量的交直流电力一直是受到密切 关注的难题 一般来说，实现途径主要有：传统的方法采用交直流发电机组经相应 的配电设备分别供电，因其体积重量大，在体积重量受严格控制的独立系 统中难以采用；另一途径是采用电力电子变流装置( a c d c ，d c a c ) ，但 在主电网容量有限而变流容量又较大的情况下。大容量变流装置实现较难， 而且可靠性低，电磁干扰大：再就是采用交直流发电机，通过一台电机， 既产生交流电，又产生直流电，即把整流变换与传统的电机设计结合起来， 形成交直流发电机该发电机定子上带有两套绕组，同时输出三相交流和 经内部整流后的平稳直流，形成交直流电网独立系统中交、直流两种基 本电源共存，电气上相互隔离，交流电源对交流负载和升降压变压器供电， 直流电源给直流负载和直流斩波器供电系统所需要的变频电源或其它中 频电源，则由直流电源经逆变器获得使用交直流发电机构成交直流发电 系统，不仅可以减小供电系统的体积，而且可以减小电磁干扰，是现在交 直流电力系统应用中的主流。对于交直流发电系统，关键就是交直流发电 机的研制 1 2 双绕组发电机 1 2 1电励磁发电机 2 0 世纪2 0 年代后期，由于需要切断能力大的断路器和大电抗器以限 制故障电流，影响了大型发电机组容量的进一步增大，研究人员转而研究 双绕组电机，用于解决故障电流的切断问题此时研制的双绕组电机定予 上带有两套完全相同的绕组，并且两套绕组的相位也完全相同。 p a u l w f r a n k l i n 将双绕组发电机应用于交直流电力系统中i ，研制 的发电机具有两套匝数相同、星型连接、相位互移一定角度的三相绕组 一套三相绕组给交流电网供电，另一套经三相整流器给直流负载供电研 究发现，若两套定子绕组相位互相错开3 0 度电角度，由相谐波引起的杂散 宣宣i 宣i 暑i 葺7i _ _ _ _ _ - _ - _ = = _ _ _ i _ _ i i i i i i j i 暑一 l 山东大学硕士学位- f - e 文 损耗就会显著减小【2 1 该发电机的缺点是：i 、三相整流输出电压、电流脉 动过大；2 、三相整流绕组对三相交流绕组输出电压仍有较大影响。 在此基础上，海军工程大学对这种类型的电机进行了改进，设计的交 直流发电机定子上带有一套三相绕组和一套m ( m = 6 ，9 ，1 2 ，分别由2 ， 3 ，4 套三相绕组组成) 相绕组，并在励磁绕组上加交轴励磁绕组以解决两 台整流发电机并联供电时系统的振荡问题定子上的两套绕组具有不同的 匝数以满足实际需要，三相绕组的容量较大，m 相绕组的容量比较小三 相绕组给交流负载供电，r e ( m = 6 ，9 ，1 2 ) 相绕组整流以后给直流负载供 电，各套绕组相互绝缘，没有电路连接这样的安排可以：l 、减小整流纹 波：2 、减小整流换向时对交流绕组输出的影响；3 、减少电磁传导干扰和 电磁辐射干扰 3 1 这样，应用于交直流电力的电机定子上已不再是只带有 两套三相绕组的电机，而是带有多套三相绕组。 尽管采用许多措旌解决了交直流发电机存在的闯题，但是常规电励磁 发电机使用励磁机，增大了电机的体积，降低了效率，而电刷的使用使电 机的维护成为一个无法忽视的问题，电刷产生的火花更是令电机的安全运 行存在隐患。 1 2 2 永磁发电机 近3 0 年来，永磁发电机的迅速发展，这些永磁电机定转子结构灵活多 样，应用广泛，其优点主要有：效率高，结构简单，高功率质量比近年 来，很多文献对多相永磁电机进行了深入的研究，发现如果电机的相数增 多，电机的功率密度会得到提高。如果使用永磁材料制作交直流发电机， 可以去除励磁装置和容易出问题的电刷、集电环，不但电机的体积进一步 减小，质量减轻，效率提高，而且减少了电机的维护次数，增加了电机的 可靠性 对于带有多套绕组永磁电机的研究多在同步电动机方面应用逆变器 驱动大功率永磁同步电动机时，一般使用多相的结构来实现用低功率电子 器件对大功率电动机的调速。研究多集中在电机短路特性和部分定子绕组 故障后电机的运行控制方面【4 】 而对于双绕组永磁同步发电机的研究相对较少。主要原因是由于永磁 发电机的电磁场无法调节，当电机过载时，电机的电压调整率会较大对 于表面磁极式永磁电机，由于发电机的等效气隙比较大，电机的电压调整 率比较小，但是其电压调整率仍不太理想n a o e n 提出了在电机的输出端 2 山东大掌硕士学位论文 串联电容的方法来得到较小电压调整率的方案【5 】，然后又对输出接有分流 电容( 就是输出与电容串联的同时，再将另一套电容与电机输出并联) 的结 构进行了分析【6 】，这两种结构下，电机的电压调整率都得到了改善这种 方法的原理是由于电机接有电容，电机的电枢绕组中流过容性的电流，使 电枢绕组有增磁作用，能够减少电机电枢反应的去磁，从而改善电机的电 压调整率由于电容的体积闯题，这种方法仅适用于小容量的永磁发电机， 而不适用于容量大的永磁发电机 t f c h a n 等使用软磁材料作为部分磁极，通过电机运行时软磁材料的 增磁作用减少电枢反应对电机的影响，从而减小电压调整率【7 1 该方法从 电机设计角度来考虑减小电机的电压调整率，不受电机容量的限制。本文 参考这种方案设计了用于交直流电力系统的交直流永磁同步发电机 1 3 本文的工作 为增加现有用于交直流电力系统的电力设备的可靠性，提高其效率， 本文设计并制作了用于交直流电力系统的永磁同步发电机。 ， 图1 1 交直流发电系统结构简图 本文研究的交直流电力的系统结构图如图1 1 所示发电机提供两套 输出，分别接交直流负载电机采用永磁发电机，电机的转予上带永磁体， 磁极由永磁磁极以及软磁磁极组成；定子上带有三套三相绕组：交流绕组 为三相交流绕组，直流绕组为两套互差3 0 度电角度的三相绕组经整流输出 直流 因为对交直流用永磁发电机的研究很少，本文所傲的主要工作就是永 磁同步发电机的设计和电机数学模型的建立，以用于研究电机基本性能， 最后制作样机验证设计、分析方法的正确性主要工作如下： l 、电机电磁场的计算：采用二维有限元法分析电机的电磁场，即假定 铁心无限长，只分析单位长度的性能对不同转子尺寸结构下的电机电磁 3 盛鲫 山东大掌硕士学位论文 场进行计算，验证是否满足设计要求。根据空载磁场计算所得的气隙磁密 计算各次谐波产生的感应电动势，通过傅立叶级数叠加求得空载感应电动 势的波形，然后利用负载时电机内电磁场的计算结果，求得电感随转子位 置角变化值。空载感应电动势和电感参数用于后续电机负载特性的仿真 2 、电机温度场的计算：由于设计样机采用永磁材料，需要运行中产生 的热量会影响绕组铜耗以及永磁材料的性能，因此需要考察电机温度场的 分布。主要方法是由有限元法计算求得电机内磁场的分布，再根据电机设 计的经验公式计算求得各部分的损耗，进而得到各部分的热流密度，将各 部分热流密度带入温度场计算的有限元模型，进行温度场的计算 3 、建立交直流永磁同步发电机的数学模型，并进行仿真：文中首先建 立了电机在a b c 坐标系下的电磁方程，在此基础上交换得到了电机在d q 0 坐标系下的方程。在d q 0 坐标系下电机方程中，其电感参数化为常数，可 以化简方程。利用稳态时d q 0 坐标系下的方程得到带有三套三相绕组的永 磁同步发电机的向量图。因为d q 0 坐标系下的方程仅考虑了基波磁场的作 用，为了得到更准确的电机仿真结果，仿真时应用了永磁电机在a b c 坐标 系下的方程对电机的基本性能进行研究，得到了电机端电压的仿真波形 4 、样机的试验与验证用样机的实验结果验证设计、仿真模型的正确 性并提出进一步的改进措旄。 4 山东大学硕士学位论文 第二章交直流永磁同步发电机的设计 随着永磁电机性能不断提高和完善，特别是铷铁硼永磁材料的热稳定 性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展， 加上永磁电机的开发经验越来越成熟，使得永磁电机的应用越来越广泛 由于日前稀土永磁材料的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电 励磁式发电机高，但这个成本会在电机高性能的运行中得到较好的补偿 2 1 交直流永磁同步发电机的设计要求 本课题的任务是设计交直流永磁同步发电系统所需的双绕组永磁同步 发电机，设计要求为： l 、电机用于交直流同时存在的场合 2 、电机占用空间小 3 、电机电压调整率尽量小 4 、效率高。 根据以上要求，设计了永磁同步发电机 一般来说，常规的三相永磁同步发电机应用场路结合的方法进行电磁 设计i s 本文设计的永磁电机参考了其中的设计流程，对其中涉及到的电 机参数进行设计，应用磁路的方法对电机的磁性能进行计算，然后应用有 限元法对电机的空载，负载磁场进行计算，来验证磁路设计的正确性 2 2 应用软磁材料减小永磁发电机的电压调整率 永磁同步发电机的优点在于不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了 容易出现故障的集电环和电刷，结构简单，体积小，运行也更可靠尽管 永磁电机的电压调整率比电励磁的同步发电机的小，但是永磁电机制成以 后。励磁便不能调节，当负载和功率因数变化时，电压调整率便会随之发 生变化 研究表明，如果使x x d l ，将会影响永磁发电机的外特性1 9 l ，并且 在满载时有可能使电压变化率为0 对于表面磁极的永磁电机，可以在磁 极尾部与电机相应交轴之间加一软磁材料【1 0 l ，调整软磁材料的体积以及位 置，使电机的交轴电抗增加，同时尽量保持直轴电抗不变这样，可以降 低永磁电机的电压调整率 本文设计的永磁发电机参考了上面介绍的方案尽管本文设计的永磁 电机在定子上带有两套不同输出的绕组，但是直流绕组与交流绕组相比， 5 山东大学硕士学位论文 二者产生的容量相差比较大，而且宜流绕组产生的电枢反应对电机转子产 生的影响很小，因此，假定电机的定子上只有三相交流绕组( 在以后的电机 试验中对这个问题进行检验，证明忽略直流绕组的假设是可行的) 。 在这里，对这种方法的基本原理作一简单介绍：图2 1 给出了转子磁 势k ，f o ，电枢直轴磁势厶，电枢交轴磁势k 的分布示意图。一般说来，电 枢电流产生的直轴电枢反应是去磁性质的，这从图中可以看出来，而交轴 电枢反应则是一边去磁，一边增磁。在图中阴影区域，交轴磁势是增磁性 质的。如果在这个区域放置软磁材料，这个区域的导磁率就会增加，从而 提高交轴磁势，达到更多增磁的目的。等效的讲就是增加交轴电抗电压降 从而增加端电压，减少电压调整率同时，由于随着阴影区域a 角的增大， 交轴磁势l 减小，而直轴磁势气增大，也就是增磁减少，去磁增多，因此 软磁材料的位置需要慎重选择，才能使f 。增大的同时没有过多的增加乙。 出出 。 鼢一丌7 彤潞 - 图2 1 永磁发电机磁动势分布图图2 2 永磁发电机结构示意图 2 3 交直流永磁发电机的基本结构 本文所研究的永磁同步发电机结构如图2 2 所示，电机的定子和常规 电励磁电机定子一致，只是带有多套绕组；电机的转子为表面复合磁极式 结构，磁极由铷铁硼永磁材料和一软磁材料构成转子外包一层无纬玻璃 丝带固定，防止转子高速运转时永磁材料因离心力大而脱落电机定子的 绕组中一套为三相绕组，每相绕组匝数较多；其余为两个相同，相位互差 3 0 度电角度的三相绕组构成的六相绕组，每相绕组匝数较少，各个三相绕 组间电绝缘这样安排的目的是可以产生两套不同的输出，其中一套三相 绕组用于交流输出，其余六相匝数较少的绕组经过整流输出直流这样安 排的目的是六相整流可以减少输出纹波，直流绕组匝数比交流绕组匝数少 6 山东大学硕士学位论文 ( 也就是二者容量相差大) 可以减少直流绕组换向对交流输出的影响 电机槽内绕组分为两层，一层为交流绕组，一层为直流绕组，当然， 也可以采用其他的绕组结构，比如可以采用每槽中有四层绕组，也就是交、 直流绕组都采用双层绕组，或者一个为单层绕组。一个为双层绕组，还可 以让交直流绕组混合分布，就是在某一层绕组中，既有直流绕组，又有交 流绕组本文采用交直流绕组分开并且都是单层绕组的原因是：y 9 0 电机 的槽面积比较小，放较多层绕组，电机槽的利用率就会下降，而且其他的 安排方式相比较而言会增加电机制作的工艺难度。另外，交流绕组采用短 距以减少谐波，直流绕组采用整距。相应的绕组展开图见图2 3 至图2 5 。 图2 3 直流六相绕组展开图 图2 4a l 相绕组展开图 。川i 7 山东大学硕 - a - 学位论文 图2 5 三相交流绕组展开图 为便于制作样机，电机设计时采用了y 9 0 异步电动机定子冲片，因此， 电机定子尺寸是确定的，只是在绕组设计上达到要求即可。这样对电机的 优化设计会造成一定的影响，但是可以减少制作样机的成本。 转子采用表面式永磁磁极的结构，在交轴和磁极尾部问增加软磁材料， 以提高交轴电抗，同时尽量保持直轴电抗不变，从而使发电机的电压调整 率减小。 在电机设计过程中，计算了不同永磁体尺寸、不同软磁材料尺寸的磁 场，以得到满足性能要求的电磁设计方案。 2 4 交直流永磁发电机的电磁场分析 电磁场有限元法因其剖分灵活性大，能处理复杂的边界，能很好的考 虑铁磁媒质的非线性，适应性强而在电机分析中得到广泛应用。为了准确 地获得永磁电机内部的电磁场分布，本文使用二维有限元法对电机的电磁 场进行分析在电磁场计算中，采用矢量磁位作为基本变量进行计算 2 4 1电机的空载磁场 图2 6 不加软磁材料时空载磁场分布 8 山东大学硕士学位论文 图2 7 加软磁材料空载磁场分布 图2 6 和图2 7 分别给出了没有软磁材料与加软磁材料以后电机空载磁 场分布可以看到，加软磁材料后空载磁场的漏磁增加了，但是影响不大， 又进一步画出电机定子铁心内壁i 4 圆周径向气隙磁密的分布曲线，如图 2 8 和图2 9 所示( 图中横坐标为i 4 圆周上对应1 8 0 度电角度，纵坐标为磁 密b ( t ) ) ： 图2 8 不加软磁材料气隙磁密波形图2 9 加软磁材料空载气隙磁密波形 可以看出，虽然增加了软磁材料，但一个极下两端的气隙径向磁密仍 是对称的，就是说，增加了软磁材料对电机空载气隙磁密没有大的影响 在图2 8 中，没有软磁材料时得到的空载磁密最大值大于1 t ，似乎比加软 磁材料后的气隙磁密大，实际上这只是因为单元划分不同导致的差异，应 忽略不计 2 4 2 空载感应电动势 电机的空载感应电动势对电机设计而言非常重要传统的三相电机一 般只考虑基波的影响，但在多相电机中高次和空间谐波对电机的性能影 响很大，谐波项不能忽略不计 本文计算了所设计电机的空载感应电动势计算得到的感应电动势中 包含傅立时分解的一系列谐波：通过气隙磁密分解得到的各次谐波磁密， 9 山东大学硕士学位论文 由各次谐波磁密计算得到谐波电动势，并考虑了绕组系数。假设导体位于 气隙中，计算得到前十次电压谐波如表2 1 所示。由于对称的缘故，气隙 磁密谐波中只含有奇次项，同样的，电压的谐波也是只有奇次项。电机的 绕组系数为 k 。= k 。k d v( 2 1 ) s i i l v 坚 铲s i n v ，k “2 孟 亿2 ，3 ) 其中 a 每个槽所占的电角度，在这里，o c = 2 x 矿3 6 0 = 3 0 ； v 谐波次数； t 极距； y l 节距； q - - - 每极每相槽数。 因此，n 次谐波相感应电动势幅值为： e 。= 2 n b 。l v k l ( 2 4 ) 其中， n 每相绕组串联导体数( 根) ； b - - - 气隙磁密n 次谐波的幅值( t ) ； l 铁心长度( m ) ； v 转子圆周速度( m s ) 。 这样，每相感应电动势，用傅立叶级数的形式来表达，可以写成以下 的式 e 。- - e e 。s i n n ( c o t ) ( 2 5 ) e 。：壹2 n b 1 v k ：v6 i n 【n 如t ) 】 ( 2 6 ) 为便于仿真，仅计算前1 0 项谐波，计算求得的静十次谐波列写于表 2 1 中 1 0 山东大学硕士学位论文 表2 1 计算得到的相感应电动势谐波幅值 次数交流绕组谐波幅值( v )直流绕组谐波幅值( v ) i3 5 4 0 2 4 01 7 2 4 7 4 3 2 8 7 3 8 3 2 6 1 2 6 5i 2 9 4 50 8 7 8 4 7 2 5 2 8 71 7 1 5 8 9 1 3 8 9 2 91 2 6 3 0 1 1 2 5 8 0 4o 1 2 5 7 1 32 3 5 0 5 7 1 1 4 5 2 1 51 6 6 3 3o 1 5 1 2 1 7 0 6 1 1 20 4 1 4 8 1 9o 6 2 7 2 0 4 2 5 6 在进行电压合成时，开始时发现利用傅立叶级数合成的波形总是与实 际不太相符因为对于整距线圈，我们知道，其感应电动势波形与径向磁 密波形是相似的，但是直接利用傅立叶级数合成的直流绕组波形与磁密波 形相差很大，这显然不对，但使用的方法是经过大量的经验验证得到的， 没有错误，这说明有个问题忽略了在经过反复计算以及样机验证后，发 现对于交流短距绕组，直接应用公式得到的是正确的波形，但是对于整距 绕组，就不必考虑短距因数，也就是短距因数等于1 ，而不是短距因数公 式计算得到的l ，1 ，l ，1 这样，将各次谐波磁动势按照上面介绍的方法合成，就可以得到电机 的空载感应电动势波形 图2 1 0 至图2 1 3 为使用前五次谐波磁动势合成得到的空载波形( 括号 内的5 代表波形是由前五次谐波合成的，下同) 图2 1 0 为交流绕组空载 相电压波形。图2 1 l 为直流绕组空载相电压波形，图2 1 2 为交流绕组空载 线电压波形，图2 1 3 为直流绕组空载线电压波形 图2 1 4 至图2 1 7 为计算得到的包含前十次谐波合成得到的电机的空载 感应电动势波形 山东大掌硕 - a - 学位论文 萋一 “寸形卜。x | 1 整蔓耋鎏到 u ( ( 。) ”8 “, g g o 、 1 2 0 0瑚 3 0 0 3 6 04 0 0蛳 电角度( 图2 1 2a c 端空载线电压波形( 5 ) u ( v ) 图2 1 1d c 端空载相电压波形( 5 ) 1 5 02 o 电角度( ) 图2 1 4a c 端空载相e g w 波形( 1 0 ) u ( v ) ，3 电角度( 。) 图2 1 6a c 端空载线电压波形( 1o ) 图2 1 3d e 端空载线电压波形( 5 ) u ( v ) 度( 。) 图2 1 5d c 端空载相电压波形( 1 0 ) u ( v ) 图2 1 7d e 端空载线电压波形( 1 0 ) 1 2 山东大学硕士学位论文 在后面的仿真与试验中发现，使用前十次谐波合成得到的电机的空载 感应电动势的误差较大，而使用前五次谐波合成得到的感应电动势精度满 足要求。这是因为有限元计算不能准确地模拟气隙磁密的快速变化，对于 高次谐波，准确性会有下降需要指出的是，这里得到的前五次谐波合成 的空载感应电动势将用于电机的性能仿真 2 4 3 负载磁场计算 稳态时，各相绕组对称分布，以a 相绕组轴线为空间起点，以a 相电 压最大值的瞬间为时间的起点，对于t 时刻，得到三套绕组的基波电流方 程分别为： 7 i = 4 2 1 m s i n ( m t + o o ) ( 2 7 1 ) i b = 4 2 i m s i n ( m + 0 0 - 2 丌3 )( 2 7 2 ) i c = 4 2 i m s i n ( 面t + o o + 2 7 r 3 )( 2 7 3 ) i i i = q 2 i m s i n ( 伍i t + 冗1 2 + 0 0 ) ( 2 7 4 ) i - i = 4 2 i m s i n ( = t + 丌1 2 + 0 0 - 2 7 c 3 )( 2 7 5 ) i d = 4 2 1 m s i n ( 面t + n 1 2 + o o + 2 氕3 )( 2 7 6 ) i 2 = 4 2 i m s i n ( 曰t + 氕4 + o o ) ( 2 7 7 ) i b 2 = 4 2 1 m s i n ( w t + * t 4 + 0 0 - 2 兀1 3 ) ( 2 7 8 ) i 。2 = 4 2 i m s i n ( 坝+ 丁【4 + 0 0 + 2 a 1 3 )( 2 7 9 ) 其中，0 0 = c o t o 这样，将某一时刻电机的电流值加载到电机相应的绕组中，就可以计 算电机的负载磁场分布根据式( 2 7 ) ，要知道某一时刻电流的数值，首先， 就要得到负载时电流的初相位电流初相位的计算需要由多次循环计算得 到，下面通过介绍计算基波端电压的方法来说明 2 4 3 1电机定子基波电压的计算 为计算定子基波端电压( 相电压) ，首先要得到除掉端部漏抗后的定子 基波感应电动势e d 以下，以某一相( 其他各相类似) 为例说明计算方法 首先，由电磁场计算结果中定子气隙内壁处的周向各个节点的a ：值，计算 出该半径处的径向磁密b ，( x ) ；对b ，( x ) 进行谐波分析，可得基波b i ( x ) t 1 1 l ： b - ( x ) = + b c o s ( 詈x ) = b - c o s ( x v 。) ( 2 8 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 式中，a ，b 。为基波的正弦和余弦傅立叶级数；v 为e 。，与q 轴间的夹角， l i ，2 t g - ib ，由此即可算出与e 。- 相对应的磁通量审e l 和e 。- ， 虬= 要b e l r ，e e l - = 4 “觚“。 ( 2 9 l o ) 再减去定子的端部漏抗压降j l x 。和定子的电阻压降，可得到端电压 u ，各个向量以及角度之间的关系，可以参见图2 18 ： 图2 1 8 负载时电机向量图 在这里，假定九为电流与直轴间的夹角，实际上就是电流的初相位角， 即x = o o 。这样，在计算时首先假定一个定子电流与直轴间的夹角九，计算 得到相应功率因数下的定子端电压，如果端电压符合要求( 一般与设定值相 差0 5 以内) ，则所设定的角度即为实际角度，如果端电压与设定电压相 差较大，则重新设定定子电流与直轴间的夹度九计算，直到得到合适的角 度。 2 4 3 2电机负载磁场 本文应用上述方法设定定子电流与直轴间的夹角并应用于电机负载场 计算中，得到电机的负载磁场分布；其中图2 1 9 为不带软磁材料、额定负 载时电机的磁场分布以及径向气隙磁密曲线，图2 2 0 给出了磁极上带软磁 材料以后电机的磁场分布以及径向气隙磁密波形从气隙磁密曲线可以看 出，由于增加了软磁材料，负载时电机交轴处磁场增强。得到的电机径向 磁密用于计算电机的基波电压 1 4 山东大学硕士学位论文 料时负载磁场分布以及径向磁密曲线 图2 2 0 带软磁材料时负载磁场分布以及径向磁密曲线 2 4 4 软磁材料对电机电压调整率的影响 为分析软磁材料对电机电压调整率的影响，分刹计算了不同软磁材料 尺寸( 见图2 2 1 ) 下电机的电压调整率( 见表2 2 ) 计算时假定电机的功率因 数为0 8 5 。 i q 轴 ! - i d 轴 图2 2 l 永磁电机磁极示意图 表2 2 不同软磁材料尺寸下电机的电压调整率( ) i 所占角度5l234 5 6 789 l i 电压调整串9 89 69 49 2 8 68 4 8 28 17 9 i 在本文所设计的永磁发电机中，随着软磁材料尺寸增大，电机电压调 整率随着降低，说明应用软磁材料可以降低电机的电压调整率，并且软磁 1 5 型一镳 山东大掌硕士掌位论文 材料的尺寸影响永磁发电机的电压调整率尽管在本文设计的永磁电机中， 永磁磁极占磁极的8 0 ，软磁磁极可调整尺寸范围比较小，电机电压调整 率减小的幅度也不是很大，但是，随着电机容量的增大，可以增加软磁磁 极的比例，从而得到更好的效果。 计算了气隙= 1 4 r a m ，额定负载不同功率因数时的电压调整率图2 2 2 为发电机直流绕组额定负载，交流绕组通额定电流时不同功率因数下的电 压调整率( ) ，图2 2 3 为直流绕组空载，交流绕组额定电流时不同功率因 数下的电压调整率( ) 。实线为带软磁材料，虚线为不带软磁材料时的情况。 软磁材料尺寸为8 = 7 。，从图中可以看出，使用了软磁材料以后，电机的电 压调整率明显改善同时也可以看出，直流绕组空载时与直流绕组负载时 电机的电压调整率不同，尽管相差很小。这是因为当直流绕组负载时，软 磁材料的影响使直流绕组的电枢反应发生变化。在本文所采用的电机设计 方案中，直流绕组负载时减小了电枢反应的去磁，因而使电机的电压调整 率较直流绕组空载时的电压调整率略小 图2 2 2 负载功率因数对电压的影响( 直流绕组额定负载) u 图2 2 3 负载功率因数对电压的影响( 直流绕组空载) 1 6 山东大掌硕士学位论文 2 5 交直流永磁发电机的温度场分析 2 5 1概述 在电机运行中，内部的电、磁、熟从其本质上讲相互耦合：电机内温 度分布由电机损耗决定，温度又会对电机内部材料的导电性、导磁性产生 影响。电机的性能与电机内温度分布有关，电机的寿命也与电机内温度最 高点的分布有关因此，电机的电磁运行与热量分布彼此相互作用永磁 电机使用永磁材料作为励磁，使这一过程变得更加复杂。在制作永磁电机 中广泛使用的永磁材料，像铁氧体和铷铁硼，对温度都很敏感，温度变化 将影响其工作点，这一特性也使得温度计算非常必要由于电机的旋转运 行方式以及内部复杂的电磁关系，电机内部精确的热