微燃机电站用起发电机电磁场有限元分析

蒋茜 吴晓玲 王军

(航天科工海鹰集团有限公司,北京 100074)

微燃机电站用起发电机电磁场有限元分析

蒋茜 吴晓玲 王军

(航天科工海鹰集团有限公司,北京 100074)

起发电机是微燃机电站系统的重要组成部分。针对传统基于经典磁路法的电机电磁计算精度有限,本文采用电磁场有限元计算方法对某起发电机进行了静态电磁场和瞬态电磁场有限元分析,并对起发电机定子采用直槽和斜槽结构分别进行了对比分析。计算结果表明,起发电机定子采用斜槽结构可以显著改善电机反电势波形,提高电机反电势的正弦度,减少谐波含量。因此,电机定子采用斜槽结构更适合高速起发电机。

起发电机 电磁场有限元计算 定子斜槽

1 引言

起发电机是微燃机电站系统的重要组成部分，在发动机地面试验时用于带转发动机，在发动机正常工作时用于发电输出电能。因此，在研制阶段对起发电机进行精确电磁计算，是十分必要的。然而，传统的电机电磁计算方法都是基于经典磁路法，其计算精度有限[1-3]。特别是该起发电机为永磁电机，其磁路结构复杂，给磁路计算带来了较大困难，难以得到精确的磁路计算结果。为了提高计算的准确程度，需要进行电磁场数值计算和分析。目前，电机电磁场数值分析方法主要有：有限元法、边界元法和有限差分法。其中，最有效、应用最广泛的是有限元法[4-6]。本文对某起发电机进行了二维电磁场有限元分析，并对电机定子采用直槽和斜槽结构分别进行对比分析。

2 发电机结构特点

图1 起发电机定子和转子结构图

图2 电机电磁场有限元计算步骤

该起发电机为永磁同步电机，其采用无刷结构，结构简单、可靠性高;采用稀土永磁可以增大气隙磁密，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比;由于省去了励磁损耗，电机效率高;直轴电枢反应小，其固有电压调整率比电励磁同步发电机小。起发电机的定子采用斜槽结构，可以提高电机反电势的正弦度，减少谐波含量。转子采用外转子式结构，磁钢材料为钕铁硼，磁钢嵌在转子内壁的槽中。起发电机的定转子结构如图1所示。采用外转子式结构的优点[7，8]：(1)采用外转子式结构电机的转动惯量大，且电枢铁心直径可以做得较大，从而提高电机在不稳定负载下的效率和输出功率。(2)采用外转子式结构的电机，转子轭圈可以克服永磁体的离心力，省去了常规内转子永磁电机所必须的转子加固措施，既降低了制造成本，又提高了电机的高速运行能力，而且其转子更容易与原动机械集成为一体。因此，其适用于对体积和重量要求比较高的场合。

3 电机电磁场有限元分析

电机电磁场数值计算的主要方法有：有限元法，边界元法和有限差分法[9，10]。其中，最有效，且目前应用最广泛的是有限元法。与其他方法相比，有限元法具有以下几个突出优点：(1)有限元法的系数矩阵对称正定且具有稀疏性，因此，目前普遍采用不完全累斯基分解共轭梯度法结合非零元素压缩存贮求解有限元方程，可节约大量的计算机内存和CPU时间。(2)有限元法处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便，对于第二类齐次边界条件和不具有面电流密度的媒质交界条件可不作处理。对于由多种材料组成的内部具有较多媒质分界面的电机磁场来说，有限元法非常适用。(3)有限元法的几何剖分灵活，适于解决电机这类几何形状复杂的问题。(4)有限元法可较好地处理非线性问题。(5)有限元法的各个环节统一，程序易于实现标准化。目前已形成了一些功能齐全、便于操作的通用或专用软件。

图3 起发电机的二维几何模型

图4 起发电机模型网格剖分图

图5 电机磁力线图

图7 电机转速n=30000rpm,直槽时A相反电势波形

图6 电机磁感应强度B分布图

考虑到该起发电机的模型具有对称性，因而可用二维电磁场有限元进行分析。本文中将采用基于有限元方法的Maxwell 2D软件来进行。Maxwell 2D是强大、准确的二维电磁、机电和温度场分析软件。Maxwell 2D包括交流/直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析、参数化分级等模块，其核心是针对电磁场分析而优化的有限元技术。电机电磁场有限元计算步骤如图2所示。

3.1 起发电机二维电磁场有限元建模

在进行电机二维电磁场有限元分析时，首先需建立电机的二维几何模型(如图3所示)，包括：定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子磁钢、转轴。然后需指定电机各部分的材料属性。最后，对起发电机几何模型进行网格剖分。为了保证有限元计算的精度，并适当节约计算的工作量，要求网格剖分不仅要有足够多的节点数，还必须保证单元的疏密合理。起发电机模型网格剖分图如图4所示。

3.2 起发电机静态二维电磁场有限元分析

通过电机的静态二维电磁场分析，可以得到电机磁力线分布(如图5所示)和电机磁感应强度B分布(如图6所示)。从图5和图6可知电机磁场分布合理，且定、转子铁心没有过饱和现象。

3.3 起发电机瞬态二维电磁场有限元分析

通过对电机进行瞬态场有限元分析，可以计算出电机的反电势。计算时分别对起发电机定子采用直槽和斜槽时的电机反电势波形进行了分析和比较。起发电机转速为30000rpm时，直槽结构和斜槽结构的A相反电势波形分别如图7和8所示。由计算得到的电机反电势波形可知，电机定子采用斜槽可以显著改善电机反电势波形，提高电机反电势的正弦度，减少谐波含量。

4 结语

图8 电机转速n=30000rpm,斜槽时A相反电势波形

本文介绍了某起发电机的结构特点和电机的电磁场有限元计算方法，对其进行了二维静态电磁场和瞬态电磁场有限元分析，通过对电机定子采用直槽和斜槽结构分别进行对比分析。计算结果表明，电机定子采用斜槽结构可以显著改善电机反电势波形，提高电机反电势的正弦度，减少谐波含量。因此，电机定子采用斜槽结构更适合起发电机。

[1]胡之光.电机电磁场的分析与计算[M].北京：机械工业大学出版社,1982.

[2]罗荣杰.电机电磁场教程[M].杭州：浙江大学出版社,1993.

[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业大学出版社,2011.

[4]苏绍俞,高红霞.永磁发电机机理、设计及应用[M].北京：机械工业大学出版社,2012.

[5]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业大学出版社,1982.

[6]中国电器工业协会微电机分会[M].微特电机应用手册.福州：福建科学技术出版社,2007.

[7]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社,2007.

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

[9]王秀和,等.永磁电机(第二版)[M].北京：中国电力出版社,2011.

[10]孙昌志.钕铁硼永磁电机[M].沈阳：辽宁科技出版社,1997.

北京市科委项目(D131100003313003)。

蒋茜,女,硕士,主要从事电机控制相关工作。吴晓玲,女,硕士,主要从事电机控制相关工作。王军,男,硕士,主要从事电机控制相关工作。