高效率軸向磁場永磁同步發(fā)電機節(jié)能技術(shù)研究kdh

1、電機系統(tǒng)節(jié)能高效率軸向磁場永磁同步發(fā)電機節(jié)能技術(shù)研究吳海鷹 田 軍 郝清亮（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）摘要 提出了一種高效率軸向磁場永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)。分析了其運行原理，并進行了電磁設(shè)計與仿真計算。對磁極形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了正弦度高的相反電勢和負(fù)載相電流波形，并從多方面研究軸向磁場永磁同步發(fā)電機的節(jié)能技術(shù)，著重研究了減小電機鐵心損耗技術(shù)，提高了電機的效率。并設(shè)計制造了樣機，試驗結(jié)果驗證了文中提出的節(jié)能技術(shù)正確可行。關(guān)鍵詞：軸向磁場；正弦波永磁同步電機；表面式磁極結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；三維場路耦合分析Studies of Energy Saving Technique of

2、 the High Efficient Axial Flux PM Synchronous GeneratorWu Haiying Tian Jun Hao Qingliang（CSIC NO.712 Institute, Wuhan 430064)Abstract This paper presents the structure of the High Efficient Axial Flux PM synchronous generator. It does research on Electromagnetic Design and numerical calculation base

3、 on the operation principle of the Axial Flux PM synchronous generator. By mains of optimization design of the magnetic pole shape,the Axial Flux PM synchronous generator gives highly sinusoidal no-load back emf and loading phase current. It studies the Energy Saving technique from various ways,spec

4、ially studying the Reducing the iron Loss in the lamination. A sample was designed and made,using this kind of method.The result verifies that this kind of Energy Saving technique is applicable.Key words：Axial Flux；sinusoid PM synchronous generator；surface type magnetization structure； optimization

5、design；three-dimensional circuit-field coupled method向磁場的盤式永磁電機逐漸受到了電機界的重視。1 引言 盤式永磁電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向能源短缺是當(dāng)今世界面臨的重要問題，而節(jié)能的，所以又稱為軸向磁場電機。軸向磁場永磁電機技術(shù)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。電力能源是一（盤式電機）有效地利用定子鐵心內(nèi)徑到轉(zhuǎn)軸的空種常用的二次能源，作為電力消耗的最大對象電間，從而大幅縮短電機的軸向尺寸，與徑向磁通的機，高效節(jié)能一直是電機設(shè)計和研發(fā)的追求的目標(biāo)。永磁電機相比其轉(zhuǎn)矩密度進一步提高20%左右。 由于新型高性能稀土永磁材料的飛速發(fā)展，永磁體2

6、 軸向磁場永磁發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu) 作為勵磁源在電機中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，而永磁同步電機比起傳統(tǒng)的異步機和同步機來，有著節(jié)能、文中的軸向磁場永磁發(fā)電機選用由雙轉(zhuǎn)子和單高效、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點。 定子組成的中間定子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，有文獻稱隨著電機技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到了普通其為TORUS-NN型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點是可以圓柱式電機存在著自身結(jié)構(gòu)無法克服的一些弱點，大幅提高電機的轉(zhuǎn)矩密度，并且消除了單定子、單如電機冷卻困難、鐵心利用率低等問題。因此，軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子磁鋼與鐵心之間存在軸向力，轉(zhuǎn)動2008年第9期慣量較大從而提高發(fā)電機抗擾動能力，滿足運行的平穩(wěn)性和對負(fù)載提供穩(wěn)定的輸

7、出端電壓的要求。該結(jié)構(gòu)的磁路形式為兩側(cè)轉(zhuǎn)子的磁鋼是按同極性的順序排列的，即N極對N極，S極對S極。圖1中給出了該種磁路形式的磁通路徑的示意圖，磁通由N極經(jīng)過氣隙進入定子和軛部，在定子軛中沿周向流通，然后經(jīng)同側(cè)S極返回，定子沿軸向中間平面兩側(cè)的磁場完全對稱。定子繞組環(huán)繞于鐵心上，稱為背靠背（back to back）連接的環(huán)行繞組，如圖2所示。圖1 TORUS-NN型軸向磁場電機圖2 環(huán)行繞組形式圖3為樣機的主要電磁結(jié)構(gòu)部件由永磁體、定子鐵心、繞組和轉(zhuǎn)子盤組成。圖3 樣機的主要電磁結(jié)構(gòu)圖（永磁體、定子鐵心、繞組和轉(zhuǎn)子盤）3 減少軸向磁場永磁發(fā)電機損耗技術(shù)的研究該樣機的額定工作頻率較高為100Hz

8、，交變磁場電機系統(tǒng)節(jié)能在鐵心中變化時會產(chǎn)生渦流，因而定子鐵心中的渦流損耗是成為盤式電機的主要損耗，是影響電機的效率和安全性能的關(guān)鍵因素，我們結(jié)合盤式電機三維電磁場分析、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面開展減小渦流損耗技術(shù)的研究。主要研究內(nèi)容如下：（1）氣隙磁密對電機渦流損耗的影響。 （2）定子硅鋼片的選擇對電機渦流損耗的影響。 （3）定子硅鋼片厚度對渦流損耗的影響。 （4）定子硅鋼片材料對渦流損耗的影響。 （5）磁極優(yōu)化設(shè)計，減少空載時鐵心中的附加損耗。（6）得到正弦度高的負(fù)載相電流波形，消弱諧波磁勢所產(chǎn)生的諧波磁場，減小諧波磁場產(chǎn)生負(fù)載時的附加損耗。（7）采用徑向式磁極結(jié)構(gòu)，減小電樞反應(yīng)，提高了電機

9、的功率因數(shù)，減少了無功功率，減小定子銅損耗。（8）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減少漏磁通在結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗。對于樣機鐵心損耗的計算這里使用Ansoft軟件中計算鐵心磁滯損耗的方法。在對樣機進行場路運動耦合數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)瞬態(tài)計算分別得到定、轉(zhuǎn)子鐵心不同區(qū)域磁密的變化規(guī)律，該方法同時可考慮空載時鐵心中的附加損耗的計算。最終配合試驗測量電機的鐵心損耗，從而和上述各種方法進行對比。3.1 氣隙磁密對電機渦流損耗的影響眾所周知，電機的磁負(fù)荷對電機的性能和經(jīng)濟性有重要的影響。在低頻、正弦磁通條件下，磁通沿硅鋼片截面均勻分布時，忽略鐵磁材料的非線性性質(zhì)，則電機鐵心的損耗系數(shù)（或稱比耗，即單位重量的損耗）的計算公式

10、P2Fe=Pe+P2h=efBm+hfBm 式中，=2。若氣隙磁密取值較高，保持線負(fù)荷不變時，電機的尺寸和體積將減小，可節(jié)省鐵的用量。因為電機鐵心中的磁密與氣隙磁密之間近似成一次函數(shù)關(guān)系，增大氣隙磁密，則鐵心中的磁密將相應(yīng)增大，鐵的比損耗與鐵內(nèi)磁密的平方成正比。因此隨著氣隙磁密的提高，比損耗增加的速度比電樞鐵心重量減小的速度快。而定子鐵心中的基本鐵耗等于鐵心重量和比損耗的乘積，因此氣隙磁密提高后，將導(dǎo)致鐵心損耗的增加。而且隨氣隙磁密的提高，磁路的飽和程度將增加，2008年第9期 35電機系統(tǒng)節(jié)能則勢必增加磁鋼的用量，浪費價格昂貴的永磁材料。由于該樣機的工作頻率較高，為減小鐵心損耗因而該樣機設(shè)計

11、時選取較低的磁負(fù)荷。圖4 1/8模型矢量b的分布圖通過Ansoft三維電磁場對樣機1/8模型進行分析計算，得到的1/8模型磁通密度的矢量分布如圖4所示，從中可見磁力線從定子鐵心兩側(cè)沿周向進入鐵心后沿軸向穿過氣隙經(jīng)永磁體，最后從轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè)沿周向穿出。磁密分布如圖5所示，氣隙中徑處氣隙磁密分布如圖6所示。從計算結(jié)果可見，我們可以通過三維電磁場計算來準(zhǔn)確獲得空載或負(fù)載工況電機各部件磁密的分布情況，從而可在設(shè)計階段通過對磁路各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，將各部件磁密值控制在合理的范圍內(nèi)。圖5 1/8模型磁密幅值云圖圖6 三維磁場中氣隙中徑處氣隙磁密分布3.2 定子硅鋼片的選擇對電機渦流損耗的影響利用Anso

12、ft軟件在給定頻率、正弦磁通條件下，硅鋼片的鐵心損耗為p=K2hBmf+K2c(Bmf)+Ke(Bmf)1.5=K1.51B2m+K2Bm式中，Kh為磁滯損耗系數(shù)；Kc為渦流損耗系2008年第9期數(shù)；Ke為附加渦流損耗系數(shù)；Bm為磁密幅值；f為頻率。K1=Khf+Kcf2K2=Kef1.5圖7為六相負(fù)載分析外電路。Ansoft軟件可計算出一個周期任意時刻的單元磁密，從而插值算出單元的損耗，最后可對一個周期內(nèi)鐵心損耗進行積分得到平均值。分別對定子鐵心采用35DW310和50DW470硅鋼片時的鐵心損耗進行計算。圖7 負(fù)載分析外電路圖8為定子鐵心采用50DW470硅鋼片時定子鐵心中的渦流損耗，對圖

13、中損耗曲線在一個周期內(nèi)求平均值，得到定子鐵心中的渦流損耗為258.9W。圖9為定子鐵心采用35DW310硅鋼片時定子鐵心中的渦流損耗，對圖中曲線在一個周期內(nèi)求得定子鐵心中的渦流損耗平均值155W。從計算結(jié)果比較可見采用50DW470硅鋼片時的渦流損耗比DW31035硅鋼片時大103.9W，因而采用厚度為0.35mm的DW31035硅鋼片可以大幅減小渦流損耗。圖8 50DW470定子鐵心中渦流損耗圖9 35DW310定子鐵心中渦流損耗3.3 磁極形狀的優(yōu)化設(shè)計，減少空載時鐵心中的附加損耗空載時鐵心中的附加損耗主要是指鐵心表面損耗和齒中的脈振損耗，它是由氣隙中的諧波磁場引起的。這些諧波磁場可由兩種

14、原因造成：電機鐵心開槽導(dǎo)致氣隙磁導(dǎo)不均勻；空載勵磁磁勢空間分布曲線中有諧波存在。減小電機空載時鐵心中的附加損耗的主要措施是使電機空載氣隙磁通密度的分布接近正弦形，以消弱諧波磁場在鐵心表面引起磁滯損耗和渦流損耗。而普通軸向充磁結(jié)構(gòu)的磁鋼產(chǎn)生的氣隙磁密呈馬鞍形，不能滿足要求，因此需要對磁極進行優(yōu)化。為使電機空載氣隙磁通密度的分布呈正弦形，樣機采用階梯狀的扇形永磁體。計算時仍采用抽取該盤式電機氣隙中徑處截面的二維電磁場分析計算，計算結(jié)果如圖1012所示。圖10 優(yōu)化前模型圖11 優(yōu)化后模型電機系統(tǒng)節(jié)能圖12 優(yōu)化前氣隙磁密波形從圖13中可見氣隙磁場波形已經(jīng)相當(dāng)接近正弦波，為量化氣隙磁場波形接近正弦形

15、的程度，將圖中的氣隙磁密波形進行了傅立葉分析。數(shù)學(xué)分析和生產(chǎn)實踐表明，諧波次數(shù)越高，它的幅值越小，對氣隙磁密波形的影響也越小。因此，影響氣隙磁密波形的主要是3，5，7，9等次諧波。從傅立葉分析的結(jié)果可見，影響較大的各次諧波幅值已大大減小，明顯的消弱了低次諧波對電機性能的影響。圖14為磁極經(jīng)氣隙磁密波形正弦畸變率優(yōu)化計算后的階梯形狀。圖13 優(yōu)化后氣隙磁密波圖14 磁極經(jīng)氣隙磁密波形正弦 畸變率優(yōu)化計算后的階梯形狀3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減少漏磁通在結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗本研究通過對盤式電機進行二維電磁場分析和三維電磁場分析，優(yōu)化了電機結(jié)構(gòu)形式和尺寸，減小了結(jié)構(gòu)件中的漏磁通，從而減小了渦流損耗的產(chǎn)生。

16、圖15是盤式電機結(jié)構(gòu)圖。2008年第9期 37電機系統(tǒng)節(jié)能圖15 盤式電機結(jié)構(gòu)圖由于該盤式電機頻率較高，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，較大的漏磁通在轉(zhuǎn)子盤靠轉(zhuǎn)軸內(nèi)的部分、端蓋和機座部分會產(chǎn)生渦流損耗，而且造成磁鋼的浪費，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時結(jié)合二維、三維磁場分析，考慮機座、端蓋等結(jié)構(gòu)件，對不同結(jié)構(gòu)方案進行多方案對比，調(diào)整結(jié)構(gòu)件與轉(zhuǎn)子磁鋼間的氣隙，并在相關(guān)結(jié)構(gòu)件上設(shè)置磁障，從而減小結(jié)構(gòu)件中的漏磁，起到降低渦流損耗的目的。4 試驗試驗采用永磁直流電機為原動機，被試電機為3kW軸向磁通永磁電機，作6相發(fā)電機運行，被試電機輸出與可調(diào)節(jié)電阻連接。圖16為試驗機組，圖17為試驗系統(tǒng)現(xiàn)場。圖16 試驗機組圖17 試驗系統(tǒng)我們對樣機電磁場仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，圖18和圖20分別為仿真和實測的空載相反電勢波形，圖19和圖21分別為仿真和實測的負(fù)載電流波形?？梢钥闯觯撾姍C采用表面式磁鋼修形后，電機電樞反應(yīng)較小，電流波形和電壓波形較好。樣機電磁場仿真結(jié)果和試驗結(jié)果表明仿真計算的誤差2008年第9期小于5