永磁副励磁机可视化电磁计算

张树波，陈景易，张亮

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

永磁发电机作为永磁副励磁机，是无刷励磁机组的重要组成部分。永磁副励磁机电磁设计是开发无刷励磁机机组中的重要环节。传统的计算方法多采用经典的计算公式进行手算，过程繁琐，效率低。编制可视化、窗口化，操作界面简洁、直观的永磁副励磁机电磁计算程序可显著提高电磁计算的工作效率。

1 编程语言的选择和程序编制的主要步骤

Fortran 语言和C 语言难以实现可视化的程序界面，且操作繁琐。为保证开发的程序具有直观可视性，采用Visual Basic 语言进行编程。

Visual Basic 是微软公司推出的可视化的、面向对象的、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，是Windows 下最优秀的程序开发语言之一。利用VB 可以开发出Windows 窗口风格的程序，具有良好的交互性、兼容性和扩展性。使用VB编写电机电磁计算程序的主要步骤有:(1)用户界面设计，最基本也是最重要的人机交互界面:输入数据界面和输出数据界面;(2)详细分析传统经验公式的计算方法、步骤后，确定程序的编制流程和计算逻辑绘制程序流程框图见图1;(3)根据准备好的原始资料和程序流程框图，编写程序;(4)完成程序编写后，对程序的语法、公式、结构等进行检查;(5)调试源程序;(6)程序打包，生成安装文件。调试过程中进行语法和计算结果检查。

永磁副励磁机电磁计算程序包含两个主要窗体:输入窗体、输出窗体。每个窗体上均设有快捷菜单，菜单中包含常用操作选项，如图2 所示。

图2 输入数据窗体

2 程序编制过程中的关键问题

永磁副励磁机电磁计算程序编制中有两个关键问题:(1)曲线或表格的处理方法;(2)永磁体工作点和漏磁系数的循环计算方式。

2.1 曲线或表格的处理方法

电磁计算需要查阅很多曲线或表格，如铁磁材料磁化曲线、损耗曲线、各种系数关系曲线等。一般处理曲线的方式有两种:即插值法和曲线拟合法。

插值法的实质就是将曲线离散化，输入有限个离散数据，分别于曲线上相应的离散点相对应，相邻的两离散点间的数据通过人为选定的函数关系来表示。当两点间使用直线代替原函数关系时就称为线性插值，即将整条曲线用分段直线来代替。当使用原曲线上的顺序三个点所作的抛物线来代替原函数关系时就成为抛物线插值。相对于曲线拟合方法，线性插值和抛物线插值比较简单，如图3 所示。

图3 线性插值法示图

鉴于铁磁材料的磁化曲线和损耗曲线的局部线性度较好，对磁化曲线及损耗曲线采用一元线性插值方法进行处理。只要取足够的点就能保证一元插值函数值的准确度。磁化曲线和损耗曲线取点较多，为了保证程序有很好的逻辑条理，先将取样点以字符串形式赋值给字符型变量，再将字符串变量转化为数值变量赋值给数组中的元素，将取样点存在数组中。计算时调用一元线性插值子函数，根据已求出的磁密计算出相对应的磁场强度值或铁损值。

电磁计算中，还需读取二元函数所表示的曲线族，如交、直轴电枢反应系数即是关于气隙长度的函数，也是关于极弧系数的函数。对于这类曲线族，采用二元函数的线性插值方法处理。二元函数插值方法一般有两种:(1)分两步应用一元插值;(2)直接进行二元函数插值。

鉴于曲线族中的曲线都有较好的局部线性度，因此采用两步一元插值法。以求交轴电枢反应系数为例，先根据极弧系数的值利用一元线性插值计算出对应不同气隙长度的曲线上的交轴电枢反应系数的值，再根据设计的气隙长度的值，已气隙长度为自变量，利用一元线性插值计算出交轴电枢反应系数的值。

2.2 永磁体工作点和漏磁系数的循环计算方式

进行永磁副励磁机的电磁计算时，需先预估永磁体的空载工作点及空载漏磁系数，再进行磁路计算得到空载工作点和漏磁系数的计算值。计算值和预估值须满足一定的误差要求，若不满足则重复预估、计算的过程。由于永磁体空载工作点及空载漏磁系数的计算并不是完全独立的，因此，永磁体工作点和漏磁系数的循环计算采用嵌套循环的双重循环结构。

3 程序的应用

应用此程序进行了100 ～150MW 空冷汽轮发电机配套的TFY-30-500 型永磁副励磁机的开发工作。TFY-30-500 型永磁副励磁机的主要参数:额定容量30kVA，额定电压130V，额定功率因数0.875，额定转速3 000rpm。

将程序计算结果与传统手算方法进行对比，两种方法计算结果相符，验证了程序的正确性和可靠性。主要的电磁参数计算结果对比见下表1。

表1 电磁参数计算结果比较

设计的TFY-30-500 型永磁副励磁机性能优良，现已应用于某些发电厂项目中，并出口到马来西亚和尼日利亚等国家，创造了良好的经济效益。

4 结语

采用Visual Basic 6.0 作为编程语言编制了永磁副励磁机可视化电磁计算程序，实现了电磁计算程序的可视窗口化，操作界面更简洁、直观。并在开发配套空冷100 ～150MW 空冷汽轮发电机的TFY-30-500 型永磁副励磁机过程中得以应用，避免了传统手算的繁琐过程，显著提高了永磁副励磁机的设计效率。

［1］ 唐任远.现代永磁电机理论与设计. 北京:机械工业出版社，2005.

［2］ 王秀和.永磁电机.北京:中国电力出版社，2008.

［3］ 贾好来，吝伶艳. 电机CAD 技术.北京:中国电力出版社，2010.

［4］ 胡岩，武建文，李德成. 小型电动机现代实用设计技术.北京:机械工业出版社，2008.