吳亞麟

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稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀的設(shè)計(jì)

吳亞麟

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院技術(shù)工程系

研究稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合典型規(guī)格樣機(jī)的實(shí)測(cè)空載氣隙磁場(chǎng)波形和電壓波形正弦性畸變率，闡述稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴的形狀對(duì)空載氣隙磁場(chǎng)的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率的影響，探討稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀的設(shè)計(jì)。

稀土永磁同步發(fā)電機(jī) 氣隙磁場(chǎng) 電壓波形正弦性畸變率

電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是由定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)偶合而成的，它在電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起了主要的作用，決定了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的能力和運(yùn)行的技術(shù)性能。因此，分析與研究電機(jī)氣隙磁場(chǎng)是電機(jī)設(shè)計(jì)者的重要研究的課題。

稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)稀土永磁發(fā)電機(jī)）的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由永磁體提供的，與電勵(lì)磁凸極同步發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)）相比，無(wú)需勵(lì)磁電流，節(jié)省了勵(lì)磁損耗，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，凸極同步發(fā)電機(jī)的極靴形狀直接影響了氣隙磁場(chǎng)的分布波形，為了力求稀土永磁發(fā)電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)接近于正弦形分布、降低電壓波形正弦性畸變率Ku、提高稀土永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，對(duì)稀土永磁發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行分析與研究，探討稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀的設(shè)計(jì)是非常必要的。

1 稀土永磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的特點(diǎn)

由于凸極永磁發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)性質(zhì)與凸極電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)性質(zhì)不同，電樞反應(yīng)產(chǎn)生的效果也有所不同，因此，磁極的極靴形狀的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇也有所不同。

首先，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)是可逆的，當(dāng)電機(jī)卸載后，氣隙磁場(chǎng)可以恢復(fù)到起始時(shí)的空載狀態(tài)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁可以采用電子電路可控勵(lì)磁，對(duì)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁自動(dòng)補(bǔ)償供給，而永磁發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，隨著負(fù)載的變化，電樞反應(yīng)使永磁體的工作點(diǎn)在磁化曲線(xiàn)的退磁回復(fù)線(xiàn)上變化，永磁體工作點(diǎn)的變化引起永磁體發(fā)出的磁能積隨之變化，因此，永磁體提供的氣隙磁場(chǎng)具有動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)發(fā)電機(jī)卸載后（特別在突然短路狀態(tài)后），電樞反應(yīng)可能會(huì)使永磁體造成不可逆的去磁反應(yīng)。

其次，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)為了減小磁極間的漏磁，一般極弧系數(shù)αp（αp=bp/τ，bp為極弧長(zhǎng)度，τ為極距）選取0.68～0.72為最佳值，而永磁發(fā)電機(jī)為了增強(qiáng)抵抗電樞的去磁反應(yīng)能力，極弧系數(shù)要選得比電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的極弧系數(shù)大得多，這樣，就增大了磁極間的漏磁通，減少了氣隙有效磁通。

第三，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)極靴采用整塊鋼，或者在磁極表層增設(shè)阻尼繞組，可以起阻尼作用，而永磁發(fā)電機(jī)磁極表面如果帶有軟鐵極靴的結(jié)構(gòu)也可以起阻尼作用，如果沒(méi)有帶軟鐵極靴的結(jié)構(gòu)，永磁磁鋼直接面對(duì)著氣隙，電樞反應(yīng)直接作用于永磁體，因此，磁極表面應(yīng)采取形成阻尼作用的措施，這樣，就加長(zhǎng)氣隙長(zhǎng)度。

第四，在永磁發(fā)電機(jī)磁路計(jì)算中，計(jì)算磁位差的方法和計(jì)算公式與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)基本相似，但是，各個(gè)修正系數(shù)大小的選取，直接關(guān)系到磁路計(jì)算的準(zhǔn)確與否。所以凸極永磁發(fā)電機(jī)與凸極電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極靴形狀的設(shè)計(jì)存在著異同點(diǎn)。

永磁體提供一個(gè)沿著磁極極靴表面是不隨時(shí)間變化的矩形波磁場(chǎng)，含有諧波分量比較大，氣隙長(zhǎng)度與最小氣隙長(zhǎng)度的比值、極弧系數(shù)、磁路飽和度、電樞齒槽效應(yīng)、漏磁現(xiàn)象等等。為了力求空載氣隙磁場(chǎng)波形接近正弦分布，盡量削弱諧波分量，對(duì)凸極稀土永磁發(fā)電機(jī)極靴形狀的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

2 極靴形狀設(shè)計(jì)方案

為了便于定性分析與研究永磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，假定電樞表面光滑，鐵的導(dǎo)磁率μFe為無(wú)窮大，忽略磁路飽和度等影響的因素。本文結(jié)合一臺(tái)2極、3kW稀土永磁發(fā)電機(jī)的典型樣機(jī)，采用不同磁極極靴形狀結(jié)構(gòu)、不同極弧系數(shù)αp、均勻氣隙和不均勻氣隙情況，實(shí)測(cè)出氣隙磁場(chǎng)波形圖和實(shí)測(cè)出空載電壓波形正弦性畸變率，分析稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀對(duì)氣隙磁場(chǎng)波形分布的影響。樣機(jī)采用高矯頑力的稀土永磁（釹鐵硼）瓦片形永磁體，磁極表面不帶有軟鐵極靴的結(jié)構(gòu)，磁極表面采取阻尼作用的措施。

2.1 均勻氣隙

定子電樞內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子磁極極靴表面直徑為同心圓，極靴表面到電樞表面之間的氣隙長(zhǎng)度δ為恒值，稱(chēng)為均勻氣隙，如圖1所示，由于極靴表面氣隙磁導(dǎo)相等，永磁體提供的磁場(chǎng)在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)分布規(guī)律B=f（x）是一個(gè)矩形波，如圖2所示，均勻氣隙中非正弦規(guī)律分布的磁感應(yīng)B（x）含有較大的諧波分量。圖3為一臺(tái)2極、3kW均勻氣隙的稀土永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)截面示意圖，磁極表面不帶有軟鐵，由于定子沖片單邊齒槽效應(yīng)，使得齒和槽下的氣隙磁導(dǎo)不一樣，空載氣隙磁場(chǎng)分布為鋸齒形波，圖4所示為利用示波器測(cè)出極弧系數(shù)αp分別為0.64和0.81時(shí)，樣機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)分布實(shí)際波形曲線(xiàn)，用波形畸變率測(cè)量?jī)x測(cè)出電壓波形正弦性畸變率Ku見(jiàn)表1。

圖1

圖2

圖3

圖4

2.2 非均勻氣隙

轉(zhuǎn)子磁極極靴表面到電樞表面之間的氣隙長(zhǎng)度不均勻，磁極中心處氣隙長(zhǎng)度最小，沿著磁極兩邊氣隙長(zhǎng)度δ（x）按一定規(guī)律連續(xù)增大，磁極兩端氣隙長(zhǎng)度最大δmax，稱(chēng)為非均勻氣隙。此時(shí)由于極靴表面氣隙長(zhǎng)度不相等，故氣隙磁導(dǎo)也不相等。為了力求永磁體提供的磁場(chǎng)在氣隙中分布規(guī)律B=f（x）接近于正弦形波，采用合適的非均勻氣隙的轉(zhuǎn)子磁極極靴形式，有利于減小諧波分量，改善永磁發(fā)電機(jī)的電壓波形，降低電壓波形正弦性畸變率Ku。

2.2.1偏心圓弧形極靴

采用偏心圓弧形極靴，稀土永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極極靴表面為磁極直徑DP與定子內(nèi)徑Di成偏心的偏心圓弧形結(jié)構(gòu)，磁極中心處氣隙長(zhǎng)度最小為δ，磁極兩端氣隙長(zhǎng)度最大δmax，極靴偏心距H為；

由于非均勻氣隙中極靴表面氣隙磁導(dǎo)不相等，永磁體提供的磁場(chǎng)在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)分布規(guī)律B=f（x）是一個(gè)接近于正弦形波，利用電勵(lì)磁凸極發(fā)電機(jī)推薦的最佳氣隙長(zhǎng)度比系數(shù) δmax÷δ=1.5，圖5所示為一臺(tái)2極、3kW偏心圓弧形結(jié)構(gòu)的稀土永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的磁極極靴截面示意圖，磁極表面不帶有軟鐵，圖6所示為利用示波器測(cè)出極弧系數(shù)αp分別為0.64和0.81時(shí)，樣機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)實(shí)際波形曲線(xiàn)，用波形畸變率測(cè)量?jī)x測(cè)出電壓波形正弦性畸變率Ku見(jiàn)表1。

圖5

圖6

2.2.2氣隙長(zhǎng)度按正弦規(guī)律變化

采用氣隙長(zhǎng)度按正弦規(guī)律變化的偏心圓弧形極靴，在磁極中心處氣隙長(zhǎng)度最小為δ，沿著磁極兩邊氣隙長(zhǎng)度按正弦規(guī)律變化，磁極兩端氣隙長(zhǎng)度最大δmax，轉(zhuǎn)子磁極極靴表面到電樞表面之間的氣隙長(zhǎng)度不均勻。

空載氣隙磁場(chǎng)分布；

空載氣隙磁場(chǎng)基波幅值；

把（4）代入（3）可以求出；

當(dāng)極弧系數(shù)αp選0.64和0.81時(shí)，磁極兩端氣隙長(zhǎng)度分別為δmax=1.45δ和δmax= 1.48δ。此時(shí)非均勻氣隙中正弦規(guī)律變化的磁感應(yīng)B（x）波形如圖7所示。一臺(tái)2極、3kW稀土永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的磁極極靴表面結(jié)構(gòu)與圖5所示相似，磁極表面不帶有軟鐵，利用示波器測(cè)出極弧系數(shù)αp為0.81時(shí)的空載氣隙磁場(chǎng)實(shí)際波形曲線(xiàn)如圖8所示，用波形畸變率測(cè)量?jī)x測(cè)出電壓波形正弦性畸變率Ku見(jiàn)表1。

圖7

圖8

表1 2極3kW稀土永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

2.3 不同設(shè)計(jì)方案性能分析

從不同設(shè)計(jì)方案樣機(jī)的實(shí)測(cè)空載氣隙磁場(chǎng)的波形圖和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表可以看出，稀土永磁發(fā)電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率都受到磁極極靴形狀和極弧系數(shù)的影響?？梢缘贸觯?/p>

2.3.1當(dāng)磁極極靴形狀一樣時(shí)，極弧系數(shù)αp為0.81時(shí)電壓波形正弦性畸變率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率比極弧系數(shù)αp為0.64時(shí)??；

2.3.2當(dāng)極弧系數(shù)αp為一樣時(shí)，非均勻氣隙時(shí)的電壓波形正弦性畸變率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率比均勻氣隙時(shí)小，表明非均勻氣隙的磁極極靴形狀優(yōu)于均勻氣隙的磁極極靴形狀；

2.3.3當(dāng)氣隙長(zhǎng)度比系數(shù) δmax/δ一樣時(shí)，非均勻氣隙的磁極極靴存在選取最佳的極弧系數(shù)的問(wèn)題，比較電壓波形正弦性畸變率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，由表1可知，氣隙長(zhǎng)度按公式（6）規(guī)律變化的樣機(jī)與偏心圓弧形極靴比較接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合典型規(guī)格的稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)的實(shí)測(cè)空載氣隙磁場(chǎng)的波形和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)闡述稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀的設(shè)計(jì)，對(duì)空載氣隙磁場(chǎng)的波形、電壓波形正弦性畸變率以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率的影響，由于永磁體勵(lì)磁與電勵(lì)磁的不同，決定了氣隙磁場(chǎng)性質(zhì)的不同，使得稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁凸極同步發(fā)電機(jī)的極靴形狀設(shè)計(jì)存在著異同點(diǎn)，探討稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳系數(shù)，力求達(dá)到稀土永磁凸極同步發(fā)電機(jī)氣隙分布最接近于正弦波形，有利于減小諧波分量，減小電壓波形正弦性畸變率，以改善永磁發(fā)電機(jī)的電壓波形。

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