李虎如　蘭志勇　廖克亮　魏雪環(huán)　陳麟

摘要：為研究大功率永磁同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率的降低措施，采用場(chǎng)路結(jié)合法進(jìn)行定性研究，然后通過(guò)有限元法進(jìn)行定量研究。首先定性分析永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率，然后定量分析發(fā)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度、定子槽型、鐵心長(zhǎng)度等參數(shù)，最后通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化永磁同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率與之前的仿真比較，證實(shí)多參數(shù)優(yōu)化的正確性。

關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；電壓調(diào)整率；多參數(shù)

中圖分類號(hào)：TM313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to reduce the voltage regulation rate of high power permanent magnet synchronous generator， the qualitative research was carried out by means of field circuit combination method， and then the quantitative analysis was carried out by the finite element method. The permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was qualitatively analyzed， and the generator air gap length， slot type， core length and other parameters were quantatively analyzed， and the multi parameter optimization simulation of permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was compared with the previous ones， which confirmed the correctness of the multi parameter optimization.

Key words：permanent magnet synchronous generator；voltage regulation rate；multi parameter

1引言

稀土永磁同步發(fā)電機(jī)不僅省去勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單運(yùn)行可靠，同時(shí)稀土永磁使得氣隙磁密增大，顯著縮小了電機(jī)的體積提高了功率與發(fā)電質(zhì)量。但由于發(fā)電機(jī)制成后磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)使得永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用受到限制。通過(guò)降低永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率可提高發(fā)電機(jī)的性能，減輕對(duì)用電設(shè)備的影響，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[1-2]。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率進(jìn)行了定性分析。文獻(xiàn)[6]針對(duì)前文的定性分析，對(duì)降低永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率進(jìn)行了定量研究。

本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)大功率永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率進(jìn)行定量研究，通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率的目的。

2永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率

永磁同步發(fā)電機(jī)的固有電壓調(diào)整率ΔU是其重要性能指標(biāo)之一，是指在負(fù)載變化而轉(zhuǎn)速保持不變的情況下的輸出電壓的變化，其數(shù)值完全取決于發(fā)電機(jī)本身的基本特性。其表達(dá)式如式（1）所示[1]：

ΔU=E0-U/UN×100% （1）

其中E0為空載反電動(dòng)勢(shì)，U為輸出電壓，UN為額定電壓。

鐵心長(zhǎng)度增加，定、轉(zhuǎn)子、永磁體以及銅的用量均增加，電壓調(diào)整率也隨之增加，鐵心長(zhǎng)度每增加5 mm，電壓調(diào)整率平均增加0.6%。

3.4每相串聯(lián)匝數(shù)的影響

電樞繞組每相的串聯(lián)匝數(shù)N與空載反電動(dòng)勢(shì)、額定負(fù)載時(shí)的直軸電動(dòng)勢(shì)、直軸電樞反應(yīng)電抗、交軸電樞反應(yīng)電抗均成正比關(guān)系。且每相串聯(lián)匝數(shù)減小時(shí)，空載反電動(dòng)勢(shì)的變化要小于交軸電樞反應(yīng)電抗。樣機(jī)取值為14，且由于樣機(jī)是采用雙層繞組，因此取間隔點(diǎn)值2，采樣結(jié)果如下。

從上表可以看出，永磁體矯頑磁力對(duì)電機(jī)電壓調(diào)整率影響，隨著矯頑磁力的增加，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率呈上升趨勢(shì)，矯頑磁力每改變10 kA·m-1，電壓調(diào)整率平均改變0.077%。

4多參數(shù)優(yōu)化電壓調(diào)整率

通過(guò)前文單一參數(shù)的定量分析可以看出，各變量對(duì)本設(shè)計(jì)樣機(jī)均有一定影響，但通過(guò)仿真表明繞組每相匝數(shù)在低于或高于14時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓過(guò)低、電壓調(diào)整率過(guò)高，不符合優(yōu)化因此每相串聯(lián)匝數(shù)在本優(yōu)化中影響可忽略不計(jì)。

由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)中，上述各參數(shù)相互之間均存在一定的聯(lián)系與影響，因此綜合各參數(shù)對(duì)電壓調(diào)整率進(jìn)行優(yōu)化有一定的可行性。

4.1定子槽整體優(yōu)化

由上文結(jié)論可知，當(dāng)槽口寬度增大，電壓調(diào)整率降低，當(dāng)槽口寬度達(dá)到4.2 mm時(shí)，電壓調(diào)整率降到7.76，而從實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)槽口寬度仍持續(xù)下降，電機(jī)仿真結(jié)果出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤，因此初步取槽口寬度4.2 mm；表4為定子槽深實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從結(jié)果可以看出，隨著槽深加深，電壓調(diào)整率變大，而實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)定子槽深小于22時(shí)，電機(jī)仿真結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此取槽深22定值模擬。

綜合上述兩表對(duì)比分析看出，電壓調(diào)整率隨著參數(shù)的改變有一定的變值，在槽口寬為4.2 mm、槽深為22 mm、槽身寬為8 mm時(shí)，電壓調(diào)整率取到最小值6.56。

4.2氣隙與矯頑磁力整體優(yōu)化

根據(jù)上文對(duì)氣隙與矯頑磁力的分析，考慮到發(fā)電機(jī)的性能需求、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工工藝等方面，現(xiàn)在生產(chǎn)發(fā)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般在0.5～2.0 mm間取值，因此本文初步定值氣隙長(zhǎng)度為1.8 mm，對(duì)比定值1.5 mm。同時(shí)現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)永磁體矯頑磁力常規(guī)選值為820 kA·m-1，因此初步定值矯頑磁力大小為790 kA·m-1，對(duì)比定值820 kA·m-1。

4.2.1氣隙長(zhǎng)度的確認(rèn)

在初步確定氣隙長(zhǎng)度與永磁體矯頑磁力時(shí)，比較分析不同永磁體厚度的影響如下表。

通過(guò)Ansoft Maxwell 14軟件仿真計(jì)算，得多參數(shù)優(yōu)化后的永磁同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率為4.89%，較之前的樣機(jī)7.86%相比，電壓調(diào)整率達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化，并優(yōu)化程度超過(guò)改變單一參數(shù)調(diào)整的電壓調(diào)整率。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Ansoft Maxwell 14軟件對(duì)一臺(tái)320kW的大功率永磁同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率進(jìn)行分析研究，提出了多參數(shù)優(yōu)化電壓調(diào)整率的方法，同時(shí)計(jì)算分析表明，多參數(shù)優(yōu)化電壓調(diào)整率比單一參數(shù)調(diào)節(jié)的方法更加有效，能夠大大降低永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。

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