基于Magnet 的永磁同步发电机设计

范 乐，任宁宁，郝 萍，玉佳彬

(1.河南工业职业技术学院，河南南阳473000;2.南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳473000)

0 引 言

目前，全球面临一个共同的问题——能源紧缺，该问题直接影响人类赖以生存的资源的可持续发展。为此各国开展了一系列节能技术的研究及应用，适应人类对电量及电能质量的更高要求，因此研究和应用高效、节能、高性能的发电机是当今势在必行的关键性课题［1］。与电励磁发电机相比，永磁同步发电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在航空航天、国防、工农业生产和日常生活中得到了很好的应用［2－3］。

本文通过对磁钢的不同充磁方式和磁钢形状进行研究，达到降低发电机畸变率及提高发电质量的目的。对电机静态磁场、空载电压波形、发电机阻性负载特性进行了仿真分析。通过仿真验证，电机的各项性能指标均达到预期效果，为永磁同步发电机的设计提供了一定的参考价值。

1 电机的结构及设计方案

永磁同步发电机的电磁方案及结构完全不同于异步发电机及电励磁发电机。永磁同步发电机采用永磁体励磁，磁钢牌号及励磁结构设计完成后很难调整励磁，不像电励磁通过调整励磁电流的大小来调整发电量。基于永磁同步发电机的特殊性，电磁部分采用先进的Magnet 电磁软件进行设计及优化;转子磁极采用瓦状表贴式结构，既要保证磁极不偏心，又要保证转子在高速运转时磁钢不脱落，采用1.5 mm 厚的不锈钢套筒对转子进行封装。其转子封装结构如图1 所示。除永磁体以外，其它材质均为不锈钢。

图1 转子封装结构

永磁同步发电机由于气隙磁动势谐波含量比较大，为消弱气隙中磁动势的谐波，降低谐波幅值，气隙放大到3 mm。同时为了降低研发成本，所设计的10 kW 永磁同步发电机完全借用Y 系列132 机座号的资料，转子冲片新出。具体实施方案参数如表1所示。

表1 电机具体实施方案参数

2 有限元建模

根据上述电机参数，在CAD 中绘制电机几何模型，将绘制好的二维几何图形(保存为. DXF 格式)导入Magnet 有限元仿真软件中。为了能够有效地降低气隙磁动势谐波的幅值，对磁极形状进行了优化。建立的均匀气隙和不均匀气隙永磁同步发电机的仿真模型如图2 所示。

图2 永磁同步发电机有限元仿真模型

永磁电机设计工作的重要部分是确定磁体的尺寸，从发电机外特性出发，磁体的体积可以由式(1)导出［4－5］:

式中:Kad为直轴电枢反应折合系数;KB为磁场波形系数;KF为发电机短路时每极稀土永磁体磁势与直轴电枢反应磁势之比;Ku为电压系数;C 为永磁体利用系数。

计算得出永磁体的体积后即可由以下公式确定永磁体的具体尺寸，即永磁体的磁化方向长度和截面积。

每极永磁体的体积:

额定负载时永磁体一对极下向外磁路提供的磁势可由式(3)得出:

式中:Kδ为气隙系数;δ 为等效气隙长(转子表面有非磁性套环，等效气隙长中应包括套环厚度);Ks为磁路饱和系数，选取范围为1.03 ～1.2;Ka为克服电枢反应的去磁作用，永磁体磁势应增大系数，选取范围为1.04 ～1.15。

对本文所设计的径向式转子结构，永磁体的磁化方向长度DM、轴向长度LM、截面积SM及每极气隙磁通Φδ可由式(4)～式(6)得出:

式中:HM、BM为根据永磁体退磁曲线预取的永磁体工作点的磁场强度和磁感应强度。

对电机均匀气隙和不均匀气隙中的磁动势进行了气隙磁密静态磁场分析［6］，气隙磁密分别如图3～图6 所示。

图3 均匀气隙与不均匀气隙径向充磁气隙磁密

图4 均匀气隙平行径向充磁气隙磁密

图5 不均匀气隙平行径向充磁

图6 不均匀气隙均匀气隙平行充磁气隙磁密

由图3 可看出，不均匀气隙径向充磁气隙磁密正弦度较好;由图4 和图5 可看出，不论均匀气隙还是不均匀气隙，磁钢平行充磁电机气隙磁密正弦度较好;由图6 可看出，不均匀气隙磁密平行充磁比均匀气隙磁密正弦度好。因此，本文转子永磁体采用不均匀气隙且平行充磁的方式。

3 仿真验证分析

由上述设计方案及分析，在有限元软件中建立不等气隙的有限元仿真模型。仿真时间设置为100 ms，为保证精度，步长设置为1 ms。

3.1 电机空载仿真分析

在Magnet 软件中建立电机空载仿真外围电路如图7 所示，图中由于要对线电压进行仿真分析，在两相绕组之间加10 000 Ω 的电阻。在仿真结果中提取这个电阻两端的端电压(即线电压)进行分析，线电压波形如图8 所示，谐波分析频谱如图9 所示。

图7 空载仿真外围电路图

图8 空载线电压波形

图9 线电压谐波分析频谱

由图8 和图9 可看出，线电压波形正弦度较好，谐波含量较小。经谐波分析，线电压的有效值为420 V，电压畸变率为0.78%。由此可知，该方案设计合理，电机空载性能较好。

3.2 阻性负载仿真分析

本文对电机的阻性负载进行了仿真分析，负载阻值为14.5 Ω，Y 型连接［7］，仿真外围电路图如图10 所示。

图10 阻性负载外围电路

电机输出电压曲线及电流曲线分别如图11 和12 所示。

图11 阻性负载电压输出曲线

图12 阻性负载2 电流输出曲线

对阻性负载输出电压电流数据进行谐波分析，其电压电流谐波分析频谱分别如图13 和图14 所示。

图13 负载电压谐波分析频谱

图14 负载电流谐波分析频谱

对上述电机阻性负载仿真数据进行分析，其结果如下:电机对外输出电压由242 V 降到227 V，由此可知电机阻性负载情况下压降较小;电机输出电压及电流谐波含量较小。因此该电机可顺利带阻性负载，且有较好的输出性能，表明该设计方案较可靠，符合该种发电机的设计要求。

4 结 语

本文基于Magnet 电磁有限元分析软件，对10 kW 永磁同步发电机进行设计及研究。对永磁体平行和径向两种充磁方式所产生的气隙磁动势进行了静态磁场分析，采用电机不均匀气隙及永磁体平行充磁的方法，达到了降低气隙磁动势谐波及改善发电质量的目的。通过对电机空载及阻性负载特性进行仿真分析，结果表明该方案设计合理，符合永磁同步发电机的设计要求。该研究结果对永磁同步发电机的工程应用具有一定的参考价值。

［1］ 唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］. 北京:机械工业出版社，1997.

［2］ 张广溢，郭前岗.电机学［M］.重庆:重庆大学出版社，2002.

［3］ 朱德明，严仰光.表贴式永磁电机的两种充磁方式［J］. 南京:南京航空航天大学学报，2006(3):304－308.

［4］ 李钟明，刘卫国.稀土永磁电机［M］. 北京:国防工业出版社，1999.

［5］ Guo Zhenhong，Chang Liuchen. FEM study on permanent magnet synchronous generators for small wind turbines［C］//Proceedings of CCECE.2005:641－644.

［6］ Rucker J E，Kirtley J L，McCoy T J.Design and analysis of a permanent magnet generator for naval applications［C］//IEEE Electric Ship Technologies Symposium.IEEE，2005:451－458.

［7］ 李槐树，赖延辉，孟光伟，等.带感性负载时三相永磁同步发电机电压特性及设计研究［J］.微特电机，2007(8):21－26.