盘式无铁心永磁同步发电机3D 电磁场分析

罗 玲，李 丹，吕晓威，王 震

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

盘式电机的气隙磁场是轴向的，又称轴向磁场电机，具有轴向尺寸短、结构紧凑等优点。盘式无铁心永磁同步发电机不存在定转子铁耗，效率高，且消除了齿槽转矩的影响［1］，高磁能积、高剩磁密度、高矫顽力稀土永磁材料的应用解决了无铁心结构带来的气隙磁密低的问题，因此将其应用于风力发电领域能实现微风起动，提高风能利用率［2－3］。

盘式电机结构特殊，磁路长度、等效气隙长度及磁路饱和程度等均随半径变化，气隙磁场沿径向分布不均匀。目前，盘式电机电磁场的分析主要采用传统的等效磁路计算方法［4］，其中涉及的诸多参数需凭经验选取，计算精度不高。为了精确地分析盘式电机的电磁场分布，需进行三维电磁场仿真。然而，三维电磁场仿真建模复杂，仿真过程需要占用大量计算机资源和时间，仿真模型的不合理会导致计算机资源不够或者仿真精度不高。

本文应用电磁场仿真软件MagNet 建立一台盘式无铁心永磁同步发电机样机的三维仿真模型，利用静态求解器分析空载磁场分布规律，采用动态求解器计算其空载特性，并进行样机的空载试验，对实验结果与仿真结果进行对比分析。

1 仿真模型

1.1 样机结构及参数

本文研究的盘式无铁心永磁同步发电机为双边转子－中间定子结构，如图1(a)所示。主磁路从一个转子的N 极出发，轴向穿过气隙和与之相对的磁极，进入另一转子的背铁并沿周向到达相邻磁极，最后沿相同路径回到第一个转子的N 极形成闭合回路。

磁极及电枢绕组的尺寸如图1(b)所示，图中仅给出了2 个线圈。样机主要参数如表1 所示，转子背铁材料为DW310，矩形磁钢材料为钕铁硼NNF38SH，其剩磁感应强度为1.22 T，矫顽力为907 kA/m。

图1 样机结构参数示意图

表1 样机参数

1.2 仿真建模

采用MagNet 进行电磁场仿真时，为提高求解精度，需要细化网格剖分，对内存为2 G 的计算机，以样机的整个三维模型进行计算，常导致计算机内存溢出。分析样机结构不难发现，其磁场和绕组分布成周期性对称，对称周期为一对极，亦即整个电机模型的1 /3，可以建立样机的1 /3 模型进行电磁场有限元仿真。

利用MagNet 的几何建模器、材料编辑器可方便地对电机进行三维建模［5］。磁钢和转子背铁的创建只需在平面绘图的基础上进行简单的直线拉伸。但三维绕组的建模较复杂，需进行多维拉伸，拉伸时首先根据样机绕组的实际尺寸(图2(a))，绘制出绕组的拉伸路径示意图(图2(b))，然后根据示意图对坐标系进行旋转、平移变换，将坐标系的XY 平面变换到绕组的拉伸起始面上，并绘制绕组的横截面(图2(c))，最后按照拉伸路径进行拉伸，简述如下:

(1)如图2(b)所示，以点1 作为拉伸起始点，逆时针旋转一小弧度(本文为2°)，绘制出内径处绕组的一半端部;

(2)直线拉伸至绕组外径(点2)处，顺时针旋转28°，得到绕组外径处的端部;

(3)直线拉伸绘制出绕组的另外一条有效边，并顺时针旋转2°，绘出绕组内径处的另外一半端部，但不闭合。

MagNet 中进行多维拉伸时，需在直线拉伸和圆弧拉伸之间加上Blend 进行平滑修饰，拉伸后的单个绕组模型如图2(d)所示，在建立好一个绕组模型的基础上旋转、复制就可以得到其他两个绕组，完整的绕组模型如图2(e)所示。

将双边转子与电枢绕组组合得到如图2(f)所示的1 /3 仿真模型，同时创建空气包作为模型求解的边界条件，并将气隙分为两层，动态仿真时一层归为定子，一层归为转子。

图2 仿真建模

2 空载磁场

电枢绕组的磁导率与空气相当，计算空载磁场时将其作为气隙处理，软件在求解过程中就不对电枢进行重新细化剖分，可以节约计算机资源，缩短仿真时间。由于仿真模型为一对极下的模型，需要设置偶对称边界条件。偶对称边界条件的主面为包围定、转子的空气包及气隙与XZ 平面重合的部分，主面旋转120°得到从面，如图3 所示。为充分利用现有计算机资源，提高计算精度，将网格剖分精度设定为不大于5 mm。

图3 静态求解边界条件

该样机的空载磁场计算结果如图4 所示。图4(a)为磁场矢量图，反映了电机内磁场的走向和分布情况，不难看出磁力线在气隙中是轴向的，而在转子背铁中是周向的;图4(b)为磁密云图，该图显示转子背铁中的磁通密度最大，仅为1.27 T，小于DW310 的饱和磁通密度1．8 T;图4(c)为利用Mag-Net 的场量采集器Field Sampler 获取的气隙磁通密度幅值随半径变化的曲线，可以看出磁钢平均半径68．5 mm 处的磁通密度最大为0．36 T，靠近内、外径处的气隙磁通密度受边缘效应影响而有所下降;图4(d)为不同半径处气隙磁通密度沿轴向分布曲线，不难看出同一半径气隙磁通密度沿圆周方向近似为正弦分布;图4(e)是用场量采集器导出的数据绘制的气隙磁通密度三维分布图。

图4 空载磁场

3 空载电压

对图2 的模型进行MagNet 动态仿真时需设置运动边界条件，使得运动部件在运动过程中被空气包包围。选择定子气隙与转子气隙的重合面作为运动边界的主面，从面由主面旋转120°得到，如图5所示。

图5 运动边界设置

若同时对一对极下的三个线圈进行动态求解，则求解区域太大，导致计算机数据存储溢出，仿真被迫终止。因此，每次只针对一个线圈进行求解获得每相单个线圈的空载电压eφ0，将其乘以3，得到各相电势eφ。额定转速500 r/min 时，三相空载相电压如图6 所示，不同转速下空载线电压如表2 所示。

图6 500 r·min － 1仿真空载相电压

表2 不同转速下空载线电压仿真结果

4 空载试验及数据分析

4.1 空载试验

用一台无刷直流电动机拖动该样机进行空载试验，试验系统框图如图7(a)所示，用WT3000 高精度功率分析仪测量发电机输出线电压(发电机没有中线，无法测得相电压)，扭矩传感仪测量发电机的转速。通过控制器调节原动机的转速，每隔60 r/min记录一次试验数据。转速为500 r/min 时的空载线电压波形如图7(c)所示，不同转速下空载线电压如表3 所示。

图7 盘式电机空载试验

表3 试验实测电机空载线电压

4.2 数据分析

根据表2 与表3 的数据，绘制仿真空载特性曲线与试验空载特性曲线，如图8 所示。可以看出，仿真结果与试验实测结果相比仿真值偏大，但相差不超过4．4 V。

图8 空载电压仿真值与实验值对比

5 结 语

本文基于一台盘式无铁心永磁同步发电机样机结构的对称性，建立了1 /3 仿真模型，并设置合理的边界条件。静态求解器求得空载气隙磁密分布情况:同一半径的气隙磁密沿圆周方向呈正弦分布，同一角度下不同半径处的气隙磁密大小不同，永磁体平均半径处的气隙磁密最大，距平均半径处距离越大，受端部效应越明显气隙磁密越小。动态求解器求得额定转速下的空载电压为110．8 V，与试验值106．4 V 相差4．4 V。仿真得到的空载电压波形、空载特性曲线均与试验结果接近。

［1］ 周俊杰，范承志，叶云岳，等．基于斜磁极的盘式永磁电机齿槽转矩削弱方法［J］．浙江大学学报(工学版)，2010．(08):1548－1552．

［2］ Al－Aawar N，Hijazi T M ，Arkadan A A．Design optimization of Axial－Flux Permanent Magnet generator［J］．2010 14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation，2010:1．

［3］ 冯勇利，程鹏，李伟力，等．无槽盘式永磁风力发电机有限元分析［J］．防爆电机，2009，(03):39－43．

［4］ 黄科元，欧金生，黄守道，等．盘式永磁同步发电机的电磁场分析［J］．湖南大学学报(自然科学版)，2008．(03):41－45．

［5］ 海基科技．电磁场分析软件MagNet 的操作说明［M］．2007．