永磁发电机的设计特点

永磁发电机的设计特点摘要：永磁发电机属于同步发电机，在发电机中不是用线圈而是由永磁钢建立起始的励磁磁场，这样就可减轻电机的重量和缩小外形尺寸，还能简化转子的结构与制造。永磁电机能实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动。永磁电机还拥有运行精度高（如计算机硬盘驱动器的摆动电机，其端面与磁盘之间的眺动量已达到0.川-0.3心，加上运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点，因此，永磁电机的显著功能特色是轻型化、高性能化、高效节能。关键字：永磁；发电机；设计特点在风电机组中的永磁发电机，由于运行条件特殊，其转速范围、功率范围变化很大，加之与变频器一起组成变速恒频恒压系统，如何保证该系统在转速功率大范围变化的情况下保持最优的运行状态，这给永磁电机和变频器的设计及参数的优化匹配提出了新的课题。据笔者目前了解到的永磁电机加全功率变频器的风力发电系统中，永磁发电机及变频器的技术要求和参数千差万别，有些并未达到最优的匹配，造成系统在某些工况下不能以最优的性能运行，或系统虽能始终保持最佳运行状态，但设备成本较高，没有最大限度地发挥设备效能。1永磁发电机的结构介绍1.1高速永磁发电机定子结构高速永磁发电机主要由定子、转子及空气隙组成。定子由定子绕组、定子铁心及机座组成，定子绕组通常由圆铜导线绕制而成，大多采用双层短距和星形连接方式，目的是为了能够削弱输出电压的谐波。为了减小电机损耗，定子铁心一般采用0.5mm厚的硅钢片叠制形成（高速电机通常采用0.1~0.3mm更薄的硅钢片），定子绕组一般由铜导线制成，为了减小输出电压中的谐波含量，大多采用双层短距和星型接法，为了放置三相对称绕组，定子铁心上面冲有均匀分布形状相同的槽，为了有效削弱齿部谐波电动势和齿槽转矩，一般采用定子斜槽。1.2高速永磁发电机转子结构永磁体的结构依据放置位置的不同可以将其分为表面式结构与内置式结构。表面凸出式有结构简单，易于制造的特点，因此广泛应用在调速永磁同步电动机及永磁同步发电机。由于铁氧体永磁材料及稀土永磁材料的相对回复磁导率基本约等于1，可以近似认为与空气的相对回复磁导率相同，因此其交轴磁阻和直轴磁阻基本相等，即属于隐极式。表面插入式结构，相邻永磁磁极之间为铁心，直轴磁阻大于交轴磁阻，即属于凸极式。2基本理论常用的电机电磁设计方法主要有等效磁路法和电磁场数值计算一有限元法。前者是将空间电磁场等效为类似电路的磁路回路进行数学计算，运算速度快，但该方法对于三维电磁场边界和电磁能量转换的部分忽略，会导致运算结果与实际有偏差，需要对结果进行修正。对于永磁电机而言，永磁体做为磁源，其磁通基本恒定，不同况磁路磁导非线性影响较大，因此永磁电机采用磁路法计算，其精度要比常规电机略差。电磁场数值计算一有限元法，是通过对一定的、具备材料属性的图形模型进行边界设定和区域分割，从而进行矩阵计算的一种方法。其计算速度相对较慢，但计算准确率较高。因此，永磁电机的计算可以结合磁路法，对方案进行初步筛选后再用有限元法进行精算。3PMG的设计3.1主尺寸、主参数对性能影响电枢直径、铁心长度、转速、电负荷、磁负荷与功率成正增K关系：匝数、转速和电动势为正增长关系；电负荷和磁负荷作为重要影响参数，除关联主尺寸外，还与槽宽、槽高、轭高、气隙、节距、极距、槽导体截面和数量的匹配选择等有关。另外，对于气隙的选择，一般情况下气隙越小，定、转子功率传递效率会越高，但会使齿槽谐波和损耗增加。对于永磁电机，较小的气隙会节省永磁材料，但气隙会影响同步电感，且受到机械性能限制，因此永磁电机气隙和永磁体的匹配至关重要。选择不N电机铁心长度对电动势和齿槽转矩的影响进行了有限元计算，计算结果与理论分析一致。3.2PMG的设计在编程软件ANSYSMaxwell13中，列出了一系列PMG的比较计算。ANSYSMaxwell能提供二维（2D-）和三维（3D-）的电磁场模型，用于对2D-和3D-电机模型进行设计和研究，这是建立在有限元法（FEM）基础上的。所设计的发电机具有外转子结构，转子为一空心圆筒，其内表面上配置倾斜的、极性交替变换的永磁钢。选取的结构中，电机的直径由定子直径决定。设计的第一阶段是确定发电机的基本尺寸：发电机的直径和长度，并由此确定电机的功率。定子槽的直径和长度；定子铁芯（叠片堆）须按下面原则选取，即在最大负荷下齿部的铁芯不饱和；而带一定数量匝数和导线厚度的定子绕组，嵌在槽部时，其填充系数（槽满率）对所采用的嵌线工艺应是最佳的。此时，定子铁芯的性能和叠片的厚度与电压的频率相适应。在所研究的情况下，对于额定功率5kW的电机，定子直径为156mm，铁芯长度为40mm。在程序RMxprt中对永磁电机提出了主干槽部形状。槽部面积是这样计算的，要使得槽部嵌置给定的绕组导体数，其绕组的线匝截面计算条件是满足电流密度不超过9A/mm2。永磁发电机设计阶段的第二个重要问题是：磁极数和定子槽数的最佳匹配关系。如果槽数和磁极数吻合一致，则在一定的位置下定子和转子之间将增加吸力或斥力，会导致驱动电动机电磁转矩脉动的增加、以及电压的波动。为了避免这样的情况，槽数和磁极数必须如此选取：使得二者具有最大的公倍数。同时，这两个数字应接近，以便由相反极性磁钢建立的磁场经过相邻的齿闭合。此时，在两排布置的线圈中将产生相位相反的电动势。两个相邻的线圈连成一组，与电动势的相位是一致的，也可以接成并联或串联。在槽数和磁极数之间差值较大的情况下，由于不同极性的磁钢在线圈中会出现电压的同时感应，将导致发电机线圈电动势近距离的局部短路，并降低其功率。槽数和磁极数的比例关系，同样也影响到输出电压的波形。计算结果表明，当磁极数与槽数的比值等于38/36时（AM值最小），可看到电压的波形最接近正弦波。此外，槽数（线圈数）应与电机的相数有相互关系，因为在每一相应有相同的线圈数。输出功率呈平方关系增加，因为功率由发电机的电压和电流之积确定，它们相互间成比例的关系。电机长度的增加同样准确地影响到电压和输出功率的增加，将导致磁钢面积的增加，磁通也增加。在不同的电机长度下，发电机的输出功率随长度的增加而呈线性增加。当磁钢厚度增加时，发电机的空载电压和负载电压（在确定的负载电阻下计算的线电压）之间的差值会减小。这一效果可以由电枢反应的影响减小来解释，因为在磁钢厚度增加的情况下，对电枢反应磁通的磁阻增加（永磁材料相对的导磁率很低，^<10）。总而言之，在永磁发电机中纵轴和横轴的同步电抗Xd和Xq同样减小，这将导致其过载能力的提高。总之，提高永磁发电机功率的最有效方法，是改变电机的直径和长度。且改变长度的方法最简单，因为只要增加定子的叠片数量和磁钢的长度即可。如果采用增加直径的话，则要求制作新的模具，重新开模的费用较大、制作成本增加。另一方面，电机长度的增加会受到结构特点的限制，并将劣化电机的冷却条件。因而，在研制一系列不同功率的发电机时，首先通过长度的增加来提高功率，然后再过渡到增大直径的解决方案。参考文献：刘