深井信号探测用永磁同步发电机的优化设计研究

涂小华 张 正

(1.江西旅游商贸职业学院，江西 南昌 330100；2.南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西 南昌 330000)

1 绪论

1.1 永磁同步电机的介绍及其特点

电机是一种电磁装置，依据电磁感应定律完成电能与机械能转换。而永磁电机为了可以在电机内建立适当的机电转换磁场，在普通电机的基础上改变升级电磁装置，主要依靠在电机其转子上设置永磁体来产生磁场。与普通电机不同的是，永磁电机去掉了容易出问题的电刷装置和集电环，成为无刷电机。在永磁材料的固有性质下，只需要通过预先磁化，不需要外加能量就可以在周围的空间建立磁场，这样不但简化了电机结构，而且大大的节约了能量，使得运行更加可靠。永磁同步电机在运行的原理上，与电励磁同步电机有异曲同工之处，但是后者的电机结构显然更为复杂。在与同功率的电励磁发电机进行比较后不难发现，永磁电机在依靠永磁体产生磁场的强大优势下，避免了电励磁发电机的励磁绕组明显的缺陷，如短路、断线等，因此永磁发电机常常被用于深井下恶劣环境的设备供电。井下环境多变，存在积水、有毒气体蓄积、排污不畅、信号微弱等一系列随时可能引发事故和人员伤亡的问题，在这种严峻的情况下，持续稳定的供电就成为了必不可少的重要一环，假使出现发电机短路、断路甚至是自燃起火的突发状况，将对深井探测作业造成无可估量的损失。

深井下多变而特殊的环境对发电机有一些严格的要求。 我国现阶段深井作业多数使用的是电励磁发电机，普通的电励磁发电机要在电机内部通过电流产生磁场实现发电功能。为了实现这一过程，不单单需要有专门的励磁绕组，并且需要不间断地供给能量，影响了整个发电机的工作效率。而永磁发电机在永磁材料充磁后，不用额外续加能量便可以在其四周的空间内建创立磁场，简化结构的同时为深井信号探测提供了强有力的电力来源。

但是永磁体在电机内所能够提供的磁通量存在不稳定因素。由于磁路其余部分的尺寸、材料性能、结构类型以及电机运行状态的变化，磁通量也会随之发生变化。实际上，各种形式的三维交变磁场在永磁电机内部存在，这种存在形式相当复杂，不仅如此，空间建立模型求解也是一个难点。目前工程中随着科技、软件和电磁场数值解法的迅猛发展，大多使用有限元分析法(凭借软件 MAXWELL)解决电机磁路的计算困境，依据求解的结果来评估电机的性能。本论文也是使用上述方法设计电机，借助计算结果对优化方案做出客观评估。

1.2 永磁同步电机的发展及现状

永磁材料的发展是个漫长的过程，这一过程同时直接影响着永磁同步电机的发展。从19世纪20年代走入大众视野的世界第一台电机起，历经了由天然磁石到如今使用稀土钴永磁体的巨大转变。在这一时期，永磁同步电机也得到了较大的提高。

2 深井信号探测用永磁同步发电机的设计原理

2.1 深井信号探测用永磁同步发电机结构概况

深井信号探测用永磁同步发电机主要是外壳、轴承、定子、和转子组成。永磁电机和普通电励磁电机定子构件基本相同，都是使用叠片结构来减少电机运行带来的涡流损耗。此外，还有一个非常重要的地方在于永磁同步发电机的气隙长度，实际上，气隙长度对永磁同步电机的无功功率和无功电流造成的影响不及对电励磁的发电机的影响大，即便如此，它仍很大程度地影响了永磁电机的直、交轴电抗，并对电机其他性能产生间接影响。另一方面，槽满率(定子槽内下线程度的衡量)对工厂给电机绕组线圈的装配产生影响，特别是当槽满率大于75%，这时大多工厂并不能完成定子绕组加工。

2.2 转子结构

永磁同步电机所使用的转子结构通常是分为三种，内置式、表面式、和爪极式。本文设计的永磁同步电机采用的是表面凸出式转子结构，如图2-1所示。采用这种结构主要由于其制造成本较低，并且具有结构简单、转动惯量小等优点，广泛应用于低功率设备的供电系统。 此外，该转子在永磁同步发电机上的应用既可以提高电动机的稳定性，也能够提升整个系统的稳定性。

图2-1 转子结构图

图2-2 磁滞回线

2.3 永磁材料的选择

选择永磁材料需要提前学习归纳和严谨考虑，由于永磁材料具有多样性和复杂性，做出较为合理的选择就需要综合运用多项因素，最大化提升永磁同步电机的运行性能。

首先永磁材料需要用磁滞回线来描绘它磁化过程的特点，也就是用B=f(H)曲线来展示永磁体的磁特性。如图2-2所示，该回线所包含的面积大小根据最大充磁磁场强度Hmax的大小产生变化，Hmax越大，回线的面积也就越大。保持在未饱和部分的定子齿、定子轭的磁特性较好，具体的磁通密度也根据不同的永磁体产生不同。

永磁体择选标准可归纳为：

(1)经济性好，成本较低，价格适中。

(2)具有较为良好的机械性能，以方便装配加工。

(3)可以维持电机的气隙内有够大的气隙磁场，既能保持优越的性能，又能保证电机的正常运行。

通过对目前永磁同步发电机的工程以及永磁材料的性能的要求的学习，可以总结出以下关于内部永磁体的择选原则：

(1)在性能要求一般，且体积质量限制不高的情况下，经济性好成为一种优先选择，例如铁氧体永磁这类极具价格优势的永磁材料。

(2)当被应用的环境温度高于300摄氏度，应当选择温度系数较为低的铝镍钴永磁。同理，实际上遇到对温度有高度要求的情况下，也是选择该材料。

(3)落实到详细选择，更应该根据不同的实际要求，从永磁体的各个方面做出分析和考虑，给出最优最符合实情的选择方案。

2.4 永磁体尺寸的确定

设计永磁体的尺寸时要初步确定永磁体的轴向长度LM、磁化方向的永磁体长度hM和宽度bM。永磁体的轴向长度普遍使用同电机铁芯轴向长度相等或是略小于铁芯轴向长度，因而事实上只是需要设计永磁体磁化方向的永磁体的宽度与长度。一个重要的决定直轴电抗Xab的因素是电机磁化方向长度bM，故选hM时应当保持Xab较合理。

现在再来估算径向式转子磁路结构的永磁体磁化方向长度hM值，计算公式如下：

(2.1)

该公式中：Ks是电机的饱和系数，该值为1.05～1.3；Kα是与转子结构有关的参数，取值范围为0.7～1.2；bm0为电机永磁体在空载运行时的最佳工作点的初步估计，初始值设为0.8；σ0为电机永磁体空载漏磁系数的初步估计，值为1.2。

永磁体可以提供磁通的面积直接由bM决定，而永磁体宽度估算如公式(2.2)：

(2.2)

实际上在设计时，永磁体的轴向长度一般取为LM=L1。

在径向转子结构中，计算永磁体的每极截面积是AM=bMhM；每对极磁化方向长度是hMp=2hM。永磁体体积是Vm=pAMhMp，其中p为极对数。永磁体质量为mm=ρVm×10-3，式中ρ=8.1g/cm3。

2.5 永磁电机尺寸的优化

在永磁电机中，永磁材料的用量在很大程度上决定了电机的价格。想要降低永磁同步电机的价格成本，首先想到的便是优化磁极结构尺寸，实际上电磁场逆问题也是解决这方面问题主要因素之一。永磁体结构尺寸和有关变量作为设计变量，以此为参考条件来确保降低成本而不损坏电机的性能。除此之外，在使用电磁场计算来进行电机优化设计时，局部失磁问题也应当作为一个约束条件纳入考虑。

同样，对于一定结构的永磁电机，想要得到更加合理的结构尺寸可以通过优化设计。如在原有样机的基础上进行优化，可以选用永磁材料体积最小作为目标函数。令电枢绕组的线规及厚度不发生改变，只需保证主磁通大于一定值，外径和总长度不大于要求值则可。相应的数学模型为如下公式(2.3)：

(2.3)

式中：Δ1，Δ2——分别为两铁轭的厚度，

∑h——电机总长度，

Dm0、Dm1——分别为永磁体的内、外径。

结构尺寸的优化问题一样需要通过一定的优化方法产生设计点，由电磁场分析求出电机在某一设计下的性能，通过反复迭代计算找到问题的最优解。

2.6 气隙的选择

选择气隙δ时应当纳入考虑的因素，如：电机的静态和动态稳定性、电机的过载能力及电机的经济性。增加δ可以提升电机的稳定性和过载能力，但随着励磁功率的增加，电机的经济性会变地越来越差。此外，还应当合理利用磁铁磁特性，由磁铁利用率出发，需要尽可能提升有效磁导，即尽可能减小气隙。但气隙的最小值被加工条件限制，其值应选在普通工厂都可以加工的范围中选择。

本设计中预取非磁性材料套环的厚度Δ为0.5mm，空气隙长度δ1为0.5mm，因此气隙长度δ=δ1+Δ=1mm。

2.7 定子的设计

定子绕组的设计大致可以分为确定定子绕组型式、每极每项槽数q、斜槽宽度和绕组节距y以及绕组因数计算。永磁同步发电机定子截面模型如图2-3所示。

图2-3 定子截面图

2.7.1 定子冲片的设计

在永磁同步发电机中最普遍采用的是梨型槽和梯形槽，这两种槽型均为半闭口槽，梨型槽和梯形槽的尺寸代码已在图2-4中标示了出来。选用该槽型的优点为：提高功率因数；减小有效气隙程度。其中的梨型槽与梯形槽相比较，冲模寿命明显要长，槽面积利用率较高，并且槽绝缘的弯曲程度十分小，不易损伤。故本设计采用的是梨型槽。

图2-4 定子槽

2.7.2 极对数与槽数的确定

由永磁同步电机的转速与极对数的关系n1=60f1/p，给定的转速为2000rpm/min。假设同步电机频率为50Hz，则p=1。因此给定的永磁同步电机极对数为2，即极数为4。通过同功率的异步电机的参数，取同步发电机的槽数为18。

根据计算槽面积和槽绝缘所占面积，可以得出槽的有效面积。接着可以得出定子槽满率。

2.8 磁路计算

通过计算交轴同步电抗、总漏磁导、交轴电枢反应电抗、每极直轴电枢磁动势和内功率因数角等参数，确定永磁体负载工作点。

2.9 损耗和效率计算

计算定子轭部质量和定子齿质量，分别得到轭部单位铁耗和齿部单位铁耗，因而计算出定子铁耗。在计算机械损耗、电子绕组铜耗及杂散损耗得出总损耗∑p。发电机效率可表示为公式(2.4)：

η=(1-∑p/(PNcosφ×103+∑p))×100%

(2.4)

3 永磁同步发电机设计结果及其性能优化

3.1 初步设计结果

通过永磁同步发电机的电磁设计流程，使用MAXWELL软件计算所设计的电机性能。计算得出电机效率、槽满率等参数，直到满足设计的要求为止。

永磁同步发电机的设计要求为：

(1)转速2000rpm；(2)功率100W；

(3)电压35V；(4)外径44mm。

设计结果如表3-1所示：

表3-1 同步电机初步设计参数

图3-1 同步电机截面图

Hs0Hs1Hs20.5mm0.3mm3.8mmBs0Bs1Bs21.8mm2.8mm3.8mm

3.2 设计结果的验证与仿真

凭借设计结果在RMxprt内生成同步电机的模型如图3-1；另外加上外部条件进而仿真得到以下结果，如图3-2和3-3。

图3-2 反电动势波形(负载)

图3-3 电流波形(负载)

据分析：

根据工厂的加工条件限制，槽满率唯有低于70%才可以把绕组安装到定子槽内，74%明显不符合要求，因此该项数据有待优化。

(1)齿转矩越大就会产生越多的损耗，因此应尽可能减小齿转矩的数值，以优化同步电机的运行状态。

(2)定子齿/轭磁密最适宜的取值在1.7T上下，为的是令同步电机在运行过程中，定子冲片的B-H曲线能够维持在较好的线性位置。

(3)铜耗或电流密度若是过大的话，将产生过多的热量，影响发电机的效率。

3.3 永磁同步电机的性能优化

影响发电机性能的重要指标参数有：定子直径、转子直径(空气间隙)、永磁体的厚度和定子齿中的线圈数。

首先，根据工厂不能够完成74.1%槽满率同步电机的加工，因此，以降低槽满率为目的，现有两种方案纳入考虑：一是减小绕组线圈的线径，从而令线圈数不变。二是减少绕组的圈数，而线圈的线径保持不变。

方案1：原设计方案采用的线径为0.56mm，现减小线径为0.53mm，此外数据不变，再进行仿真，得出性能参数如表3-4：

表3-4 仿真运行参数

当给同步发电机上添加负载后，利用MAXWELL进行仿真，波形得出如图3-5：

图3-5 同步发电机反电动势波形

根据图像可知，电压稳定后的幅值为32.58V。

方案2：原设计方案的线圈匝数是34匝，现把匝数减小至32匝，其余数据不动，进行仿真，则性能参数如表3-5：

表3-5 仿真运行参数

同理，在此方案下，同步发电机加负载后输出波形如图3-6：

图3-6 同步发电机反电动势波形(负载)

由图像所示，电压稳定后的幅值为30.8043V。

对比上述两种方案的性能参数，得出：

方案1、2均可以降低槽满率来满足工厂加工需求，即槽满率小于70%。

在方案2中，电流密度大幅度减小，但效率却显著增加，同步电机性能较好。

但是加上负载后方案2的电压值明显比方案1小，不符合设计要求，而方案1的电压值在可允许的范围内。

综上所述，采用方案2解决槽满率过高的问题，较合理，即将绕组线径减小一个等级。

3.4 同步发电机性能评估

由于定子冲片大小是标准型号，因此型号选定后定子内径就不可以改变，故选择定子槽开口大小和转子直径作为控制同步电机性能的变量。

接下来探究单一变量对同步发电机性能造成的影响。

(1)当只改变电机转子外径，保持其余参数不变，计算可得出永磁同步发电机效率、电流密度、齿转矩以及定子齿/轭磁密等结果。

表3-6 同步发电机性能比较

根据表3-6，可见当转子外径的不断增大，定子轭磁密和定子齿磁密随之不断增大，为维持磁密较好的线性关系，令其保持在1.7T上下为最佳状态。因此转子外径应在23.5mm和24mm的范围内选取。进而比较23.5mm和24mm两种方案，不难发现两个方案的空载反电动势都达到了条件要求。但加上负载之后，外径为23.5mm的电动势波形如图3-7：

图3-7 反电动势波形

可得出，同步发电机负载电动势是28.5V，大大低于设计要求，故设计的转子外径应为24mm。

选择另一个变量是定子槽开口尺寸，改变其参数，并对同步发电机的性能进行仿真，这次重点讨论定子槽开口对于同步电机空载齿转矩的影响。

由于根据原理得出定子槽开口较为适宜的大小为1.8mm左右，因此现考虑研究当开口大小分别为1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm与2.0mm时同步发电机的性能。

经过模拟仿真实验，得出：

当定子槽开口是1.6mm时，齿轮转矩的有效值为0.0069529N·m

当定子槽开口是1.7mm时，齿轮转矩的有效值为0.0081535N·m

当定子槽开口是1.8mm时，齿轮转矩的有效值为0.010605N·m

当定子槽开口是1.9mm时，齿轮转矩的有效值为0.011451N·m

当定子槽开口为2.0mm时，齿轮转矩的有效值为0.0127851N·m

根据以上仿真数据可得，在不同的开口大小下，齿轮转矩均不是很大，因此改变定子槽开口对齿轮转矩的影响并不是很大。故定子槽开口值取为1.8mm。

通过以上比较能够得出优化后的同步发电机参数如表3-7所示：

表3-7 同步发电机设计结果

3.5 同步电机的性能评估

在ANSOFT MAXWELL软件中，把RMxprt模型生成为2D模型，并且在2D模型内仿真同步电机在空载时外电路的特性，分析其参数是否符合工程要求如图3-8和如图3-9。

图3-8 同步电机磁力线(空载)

图3-9 同步电机空载反电动势

根据生成图，同步电机空载反电动势的波形靠近正弦波，同步电机性能为优。

空载反电动势的谐波分析如图3-10和如图3-11。

设计永磁同步发电机的内部参数时，除去需要考虑发电机反电动势的幅值可以达到要求外，还应该尽可能的减少反电动势中高次谐波对于外电路的影响，除此之外，反电动势的谐波含量还可以作为衡量同步发电机性能优劣的因素。以对此影响做一个定量的评估为目的，故需要对反电动势的波形做一个谐波分析，以从理论上证明该设计的合理性。

图3-11 空载反电动势谐波分析图

根据图3-10以及图3-11可得出，3次谐波分量和基波分量在反电动势的谐波分量中所占比例较大。其中，3次谐波分量的幅值为3.274，基波幅值是32.4，且基本无高次谐波。因此同步电机反电动势波形基本为正弦波，对于外电路的干扰影响比较小。同步电机的设计结果较为优良，基本可以满足工程需求。