分布式系统用盘式永磁同步发电机的设计与仿真*

李　争，　孙甜甜，　高培峰

(河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄　050018)



分布式系统用盘式永磁同步发电机的设计与仿真*

李争，孙甜甜，高培峰

(河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄050018)

摘要：盘式永磁发电机的磁通为轴向，其磁路与传统电机相比具有很大不同。介绍了分布式系统用盘式永磁发电机的结构特点并推导了其基本的电磁关系；通过经验及计算分析确定了电机的各尺寸和永磁体材料，利用Ansoft Maxwell 3D软件对电机的静态和瞬态磁场进行了仿真计算并对其磁场分布、电磁力、磁链等进行了分析。结果与设计相符，同时为改善风力发电机系统参数提供了理论依据，方便了电机的优化设计，可以有效降低研发成本，提高设计精度。

关键词：盘式永磁发电机； 有限元分析； 瞬态分析； 电磁计算

0引言

早期的盘式永磁电机磁能极低，体积庞大，效率低下，受当时工艺水平的限制，制造电枢盘难度很大，使得盘式永磁电机未能得到推广发展，取而代之的是现在广泛应用的传统径向磁场圆柱型电机。随着科技的快速发展，电机和材料技术有了很大的进步，永磁材料的机理、构成及制造技术得到深入研究。在实际应用中，圆柱型电机的缺点也逐步显露，如冷却困难、转子利用率低等无法克服的弱点，所以轴向磁场的盘式永磁电机又逐渐受到了电机界的高度重视[1-2]。

盘式永磁电机的定转子为平行结构。这样的特殊结构，克服了圆柱式电机定子包容转子的结构缺点，非常有利于散热，且其硅钢片利用率高，所以定转子可以采用较高的电流密度，获得较大的起动转矩。盘式永磁电机的转子为永磁体结构，结构简单，很容易做成高极对数的电机，研究表明，盘式永磁电机与传统的径向磁场相比，具有轴向尺寸短、体积小、重量轻等特点，在水下航行器推进装置、空调外机、汽车散热器的风扇、电动汽车及风力发电方面都有极大应用[3-9]。例如，文献[10]对降低轴向磁场永磁电机齿槽转矩和功率损耗的技术方法进行了试验验证，得出： 当采用磁性槽楔闭合槽口、斜磁极电机形式时，在两个转子盘之间引入一个30°的角度偏差，选择合适的磁极宽度，可以降低齿槽转矩和定子铁心损耗；文献[11]将盘式永磁电机的3D模型与等效直线电机2D模型仿真进行对比，结果表明后者模型可大大减少仿真工作量，有效缩短研发周期，为盘式电机的计算增加新的方法；文献[12]将盘式永磁同步发电机直接连到风力发电机组的轴上，在低速运转下保持较高的发电功率；文献[13]提出了一种分析盘式电机的新型电磁模型，通过采用分环计算和求解气隙矢量磁位方程的方法提高模型精度。结果证明该模型能够对电机特性和控制进行有效分析。文献[14]研究了无铁心轴向磁场永磁无刷电机的结构，提出了采用Halbanch永磁体阵列的单盘和多盘两种结构，同时研究了气隙磁场的分布。与同样功率径向磁场相比，该种盘式永磁电机效率提高了1.2%，重量降低了45%。

结合盘式电机结构特点，本文提出一种单边盘式永磁同步电机，利用Ansoft有限元软件对其进行静态和瞬态的仿真分析，最后得出发电机的电势、磁链、转矩等参数值。其结果为进一步优化设计方案提供理论参考。

1盘式永磁同步发电机的结构和原理

1.1电机结构

盘式永磁同步发电机有多种结构型式。为了便于仿真，本文采用盘式电机的基本型，是由一个盘(平面)形的定子和一个盘式转子组成，中间有一个轴向气隙，称为单定子、单转子型，或称为单气隙型。这种结构如图1所示。

图1　单定子、单转子结构

1.2主磁路结构

盘式永磁同步发电机的电枢绕组是径向分布的，有效导体位于永磁体前方的面上，当永磁体由原动机拖至同步转速时，将会在气隙中产生与电枢绕组交链的旋转磁场，从而感应出三相交流电动势。盘式永磁同步发电机的磁场分布比较复杂。图2给出了盘式永磁同步电机的简化模型及其主磁通路径[15]。从图15中可以看出，永磁体的磁通从N极流出，穿过气隙，然后经过定子铁心，再穿过气隙，到达永磁体的S极，最后穿过转子磁轭回到N极，即N极-气隙-定子铁心-气隙-S极-转子磁轭-N极。

图2　主磁通路径

1.3基本电磁关系

盘式永磁同步发电机电枢绕组的有效导体在空间呈径向辐射分布，其单根导体在电枢盘平面的位置可用半径r和极角θ来描述，气隙磁密用平均半径处的磁密代表，可写成Bδ(θ)的形式。

如图3所示，设电机的机械角速度为Ω，在(r，θ)处dr长导体所产生的电动势和转矩为

de=ΩBδ(θ)rdr

(1)

dT=πDmiJ(r)Bδ(θ)rdr

(2)

图3　磁极结构示意图

因为每根导体产生的平均电动势：

(3)

式中：Dmi——内直径；

Dmo——外直径；

Bδav——一个极距下气隙磁密的平均值；

Bδ——磁密值，且Bav=αiBδ。

如果绕组的并联支路数为a，总导体数为N，则电枢电动势为

(4)

电机转矩为

(5)

(6)

经同样推导，可得出盘式永磁同步发电机的电磁转矩公式与普通圆柱式电机一致：

Tem=CTφI

(7)

相应的电磁功率为

(8)

2盘式永磁同步发电机主要参数的确定

2.1额定功率与额定电压的设定

本文所设计发电机适合于小型分布式风力发电系统，其特点为结构简单，便于安装和维护，一般为低电压大电流，可离网运行，并接蓄电池储能。设定额定功率为300W，额定电压40V。发电机的输出功率是随风速增加而增加的，发电机功率提高，发热增加，但随着风速增加，由于其特殊结构，散热条件大大改善，因此，发电机可以选取较高的A值。盘式永磁发电机的A可取为100～150A/cm。本文所取A值为120A/cm。配套设计风机的额定转速为328r/min。

2.2发电机尺寸的确定

2.3永磁体极数的确定

2.4磁极尺寸的确定

当磁极内、外径确定之后，关键的问题是如何选择永磁体的厚度。它的取值与气隙大小δ有关。当电机的极数不变，在一定的气隙下增加磁体高度，其气隙磁密也随之增加，但增加到某一高度值时，气隙磁密就不再随磁体高度增加而增加了，即在一定范围内，磁极高度的变化对气隙磁密有较大影响。通过分析可以得出在理想情况下，永磁体最经济的尺寸是永磁体的厚度等于气隙长度。本文即采用这种情况且永磁材料为钕铁硼。

综上所述，本文所采用电机参数如表1所示。

表1　所设计电机的参数

3盘式永磁同步发电机的磁场分析

在分析磁场问题时，需要引入位函数作为辅助变量来求出场量与场源的关系。由于求解区域存在电流，需要引入矢量磁位A，磁感应强度与矢量磁位之间满足：

B=×A

(9)

则有：

(10)

式中：J0——电流密度。

又有：

×(×A)=μJ0

(11)

利用恒等式：

×(×A)=(·A)-2A=-2A

(12)

得

2A=-μJ0

(13)

对以位函数为变量进行偏微分方程求解可以完成磁场的分析，但必须确定边界条件才能使其解唯一。本文选用Maxwell 3D来分析，建立电机的三维模型，分别采用静态和瞬态求解器来对上述盘式永磁同步发电机进行电磁场分析。

3.1静态分析

3.1.1电机模型的建立

有限元分析的第一步是建立有限元模型，利用Maxwell 2D/3D准确地建立电机的物理模型，并对几何模型定义材料属性、边界条件和激励源，最后通过网格剖分建立有限元模型，建模结果如图4所示。建模完成后需要进行参数定义，然后网格剖分，发电机的网格剖分图如图5所示。

图4　发电机求解模型图

图5　发电机网格剖分图

3.1.2求解过程

首先设置求解参数。本文定义了转子、定子的转矩和受力参数，进而完成计算设置，分别设定计算的迭代步数、求解收敛误差值和每次更新的单元百分比，最后对发电机进行静态分析。经过4步自适应求解，系统的误差小于1%，达到了预定的目标要求。

在静态分析中，对发电机的定子和转子的受力和转矩进行了求解，求解结果如表2所示。

表2　电机定转子受力和转矩计算值

从表2的计算结果可以看出，单定子、单转子的盘式电机其转子盘和定子受力均沿轴向方向，且受力大小相等，方向相反。这种结构的盘式电机运行时产生轴向拉力，使轴承负荷加大，所以这种电机多用在仿真试验中。

Maxwell 2D/3D提供了强大的后处理功能，不仅可以很直观地看到电机内电磁场的分布，还可以对电机内部的电磁场进行计算。图6表示电机中相邻两极的磁场，图7表示电机转子矢量B的分布情况，从图7中可以清楚地看到电机主磁通路径，与上述说明相吻合；图8为电机气隙磁密云图分布，图9为电机气隙磁密沿周向分布图，可以看出靠近中心处的磁密较小，沿周向向两侧越来越大，形成凹陷状。从图9中也可以看出磁密从内半径到外半径有增长趋势，并且可以看到齿槽效应对磁密的影响。

图6　相邻两极的磁场

图7　电机转子磁极B矢量图

图8　电机气隙磁密云图

图9　气隙磁密沿周向分布

3.2瞬态分析

空载特性反映了电机磁路的饱和趋势及电机输出电压的大小，对发电机的空载特性进行分析是十分有必要的。盘式永磁同步发电机的永磁体在电机内建立起主极磁场，主极磁场通过气隙与定子绕组交链。当转子以同步转速328r/min旋转时，定子绕组切割旋转的主极磁场而感应出三相交流电势。在Maxwell 3D中，为了模拟发电机的空载运行，可将定子绕组接高阻值的电阻(20GΩ)，空载回路如图10所示。

利用Ansoft瞬态求解器，可以求出电机的电压、电流、磁链等一系列曲线。取电机旋转半周时间进行计算，图11为电机电流变化曲线。从图11中可以看出，电流的最大幅值为1.5E-10 A，电压表v_a、v_b、v_c所测的电压值近似为发电机的空载电压。图12为电机的位置曲线图。可以看出，电机在50ms内转动120°，符合低转速发电机的要求。图13为电机的磁链变化曲线，由于磁链与建立磁通的电流有关，所以从图13中可以看出发电机的磁链曲线为标准正弦波，与电流波形相似且磁链最大幅值为0.18Wb，周期为27ms，符合实际情况。图14为电机输出电压曲线，从电动势波形可以看出为稍有波动的正弦波，是由于受到齿谐波的影响，若要消除，可在其后增加整流滤波环节，也可以采用不均匀气隙和定子斜槽来减少谐波含量，此内容将在以后研究中将做详细说明。由于转速较慢，所以发电机的最大幅值为40V，不是太大，与前面设计相符。图15为转矩曲线，转矩的变化近似为对称且周期性变化，时间约为4ms，最大幅值可达400N·m。

图10　空载回路

图11　盘式永磁同步发电机电流曲线

图12　盘式永磁同步发电机位置曲线

图13　盘式永磁同步发电机磁链曲线

图14　盘式永磁同步发电机电压曲线

图15　盘式永磁同步发电机转矩曲线

4结语

利用Maxwell 3D建立盘式永磁同步发电机的三维模型，通过分析确定电机的各项参数值，对模型进行了静态和瞬态仿真试验，仿真结果从数据和图表等不同形式反映了电机磁通密度和电磁力分布，从而可以判断电机设计的合理性。同时，计算和仿真结果也为改善风力发电系统参数提供了理论依据，方便了优化设计。

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Design and Simulation of Disc Permanent Magnet Synchronous

Generator for Distributed Systems*

LIZheng，SUNTiantian，GAOPeifeng

(School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology，

Shijiazhuang 050018， China)

Abstract：The flux of the disc permanent magnet generator is axial， and its magnetic circuit is very different from the traditional motor. The structure characteristics of disc permanent magnet generator for distributed system applications were introduced， and the basic electromagnetic relationship was deduced， the size of the motor and the permanent magnet material had been determined through empirical calculation and analysis， the static and transient magnetic field of the motor was simulated and calculated by the Ansoft Maxwell 3D and the magnetic field distribution， electromagnetic force and flux linkage were analyzed. The results were consistent with the design as well as provide the theoretical basis to improve the parameters of wind turbine system and reduce its development costs， increasing its design accuracy.

Key words：disc permanent magnet generator； finite element analysis； transient analysis； electromagnetic computation

收稿日期：2015-08-17

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0029- 06

作者简介：李争(1980—)，男，博士，教授，研究方向为特种电机及其控制，新型电力传动装置。孙甜甜(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为风力发电技术。

*基金项目：国家自然科学基金(51107031，51577048)；河北省自然科学基金(E2014208134)