林龍鳳
摘要：首先根據(jù)傳統(tǒng)方法毆計了一臺永磁同步發(fā)電機．然后通過對其等效磁路的分析進(jìn)行空載氣隙磁密和漏磁系數(shù)的解析計算，最后再利用場路耦合時步有限元法刈所設(shè)計電機分別進(jìn)行空載和額定負(fù)載時瞬態(tài)磁場的分析和空載時氣隙磁密及漏磁系數(shù)計算值的驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計電機磁場分布合理，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，且氣隙磁密及空載漏磁系數(shù)的解析值和有限元計算值也吻合得較好，證明了分析和設(shè)計的有效性。關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機；氣隙磁密；漏磁系數(shù)；場路耦合時步有限元法
0引 言
永磁同步發(fā)電機(以下簡稱PMsG)具有性能優(yōu)越、可靠性高、維護(hù)率低等顯著優(yōu)點，在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1]，隨著永磁材料和電機設(shè)計技術(shù)的不斷更新，其沒計和分析一直都是研究熱點。
而場路耦合時步有限元法對電機的有限元方程、外電路方程和機械運動方程同時求解，并且計及時間對磁場的影響，網(wǎng)此充分考慮了渦流、齒槽、電樞反應(yīng)等因素的影響，其計算結(jié)果也最接近實際電機，是目前為止最為理想的電機設(shè)計及計算方法[2]。
空載漏磁系數(shù)的預(yù)估值是電磁設(shè)計的重要參數(shù)之一，傳統(tǒng)沒計方法中一般根據(jù)經(jīng)驗選擇，具有很大的人為因素和誤差，而利用等效磁路法的求解可得到較為接近的預(yù)估值。文獻(xiàn)[3—6]利用等效磁路法分別對四種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一表面凸出式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式和內(nèi)置混合式永磁電機進(jìn)行了空載氣隙磁密的訓(xùn)‘算和有限元驗證，其計算過程值得借鑒，但文獻(xiàn)[4-6]都沒有考慮端部漏磁和氣隙中的漏磁。
本文首先根據(jù)傳統(tǒng)方法進(jìn)行PMsc的初步設(shè)計，然后通過對其等效磁路的分析進(jìn)行空載氣隙磁密和漏磁系數(shù)的解析計算，最后利用場路耦合時步有限元法對所設(shè)計電機進(jìn)行空載和滿載時的瞬態(tài)磁場分析以對兩者進(jìn)行修正并對整個設(shè)計進(jìn)行驗證。
結(jié)果表明，氣隙磁璃彳和空載漏磁系數(shù)的解析值與有限元計算值吻合得較好，電機各項參數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)。
1初步設(shè)計所設(shè)計
PMsG的剖面及主要參數(shù)如圖1和表l所示，其中定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，以大大削弱由齒槽效應(yīng)引起的起動磁阻轉(zhuǎn)矩；繞組采用單層短距疊繞組以節(jié)約端部用銅量，并接成Y型以避免三次及其倍數(shù)次的諧波電動勢和由此引起的諧波環(huán)流及雜散損耗。轉(zhuǎn)子采用表面
2參數(shù)計算
除了主磁通外，在永磁同步發(fā)電機的氣隙中還存在著一些明顯的漏磁。表面式永磁電機中的漏磁除了永磁體自身的漏磁外，氣隙中的漏磁主要還包括相鄰永磁體之間的漏磁和永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心形成的漏磁兩部分。因此可得到空載時表面式永磁電機的等效磁路假定P]MSG的定、轉(zhuǎn)子鐵心表面光滑，且用卡特系數(shù)K。來計算開槽影響，同時忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心的飽和，可得到簡化的磁路模型。
3有限元分析
3.1參數(shù)分析
空載漏磁主要分為兩部分，一部分為端部漏磁，另一部分為極間漏磁。端部漏磁雖然受磁極長度和電樞長度的影響，但當(dāng)電樞鐵心長度在30～80 mm范圍內(nèi)變化時，端部漏磁系數(shù)的變化很小，因此在進(jìn)行瞬態(tài)磁場的有限元分析時，忽略邊緣效應(yīng)及電機外緣漏磁場，采用二維場進(jìn)行。利用Anson軟件可得到t=0時刻由永磁體單獨建贏的磁場。
3.2電機性能
基于場路耦合時步有限元法進(jìn)行瞬態(tài)磁場分析后，可得到帶額定電阻性負(fù)載時的發(fā)電機輸出相電壓發(fā)電機三相電壓基本對稱，波形基本為正弦波，幅值約為104 V左右，線電壓為127.4 v，經(jīng)計算額定電壓和功率均滿足設(shè)計指標(biāo)。
4結(jié)語
傳統(tǒng)的電機設(shè)計方法中對空載漏磁系數(shù)進(jìn)行預(yù)估很大程度上依賴于經(jīng)驗，本文在設(shè)計出一臺永磁同步發(fā)電機后，利用等效磁路法對其空載時的氣隙磁密和漏磁系數(shù)進(jìn)行了分析計算，并基于場路耦合時步有限元法對兩者和所設(shè)計電機性能進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，利用該方法計算出的氣隙磁密和空載漏磁系數(shù)的解析值與有限元計算值吻合得較好，所設(shè)計電機滿足性能指標(biāo)要求，證明了分析方法和所設(shè)計電機的有效性。
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