深井信號(hào)探測(cè)用永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

涂小華 張 正

(1.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330100；2.南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000)

1 緒論

1.1 永磁同步電機(jī)的介紹及其特點(diǎn)

電機(jī)是一種電磁裝置，依據(jù)電磁感應(yīng)定律完成電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換。而永磁電機(jī)為了可以在電機(jī)內(nèi)建立適當(dāng)?shù)臋C(jī)電轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)，在普通電機(jī)的基礎(chǔ)上改變升級(jí)電磁裝置，主要依靠在電機(jī)其轉(zhuǎn)子上設(shè)置永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。與普通電機(jī)不同的是，永磁電機(jī)去掉了容易出問(wèn)題的電刷裝置和集電環(huán)，成為無(wú)刷電機(jī)。在永磁材料的固有性質(zhì)下，只需要通過(guò)預(yù)先磁化，不需要外加能量就可以在周圍的空間建立磁場(chǎng)，這樣不但簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，而且大大的節(jié)約了能量，使得運(yùn)行更加可靠。永磁同步電機(jī)在運(yùn)行的原理上，與電勵(lì)磁同步電機(jī)有異曲同工之處，但是后者的電機(jī)結(jié)構(gòu)顯然更為復(fù)雜。在與同功率的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較后不難發(fā)現(xiàn)，永磁電機(jī)在依靠永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)下，避免了電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組明顯的缺陷，如短路、斷線等，因此永磁發(fā)電機(jī)常常被用于深井下惡劣環(huán)境的設(shè)備供電。井下環(huán)境多變，存在積水、有毒氣體蓄積、排污不暢、信號(hào)微弱等一系列隨時(shí)可能引發(fā)事故和人員傷亡的問(wèn)題，在這種嚴(yán)峻的情況下，持續(xù)穩(wěn)定的供電就成為了必不可少的重要一環(huán)，假使出現(xiàn)發(fā)電機(jī)短路、斷路甚至是自燃起火的突發(fā)狀況，將對(duì)深井探測(cè)作業(yè)造成無(wú)可估量的損失。

深井下多變而特殊的環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)有一些嚴(yán)格的要求。 我國(guó)現(xiàn)階段深井作業(yè)多數(shù)使用的是電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，普通的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)要在電機(jī)內(nèi)部通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，不單單需要有專門的勵(lì)磁繞組，并且需要不間斷地供給能量，影響了整個(gè)發(fā)電機(jī)的工作效率。而永磁發(fā)電機(jī)在永磁材料充磁后，不用額外續(xù)加能量便可以在其四周的空間內(nèi)建創(chuàng)立磁場(chǎng)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)為深井信號(hào)探測(cè)提供了強(qiáng)有力的電力來(lái)源。

但是永磁體在電機(jī)內(nèi)所能夠提供的磁通量存在不穩(wěn)定因素。由于磁路其余部分的尺寸、材料性能、結(jié)構(gòu)類型以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，磁通量也會(huì)隨之發(fā)生變化。實(shí)際上，各種形式的三維交變磁場(chǎng)在永磁電機(jī)內(nèi)部存在，這種存在形式相當(dāng)復(fù)雜，不僅如此，空間建立模型求解也是一個(gè)難點(diǎn)。目前工程中隨著科技、軟件和電磁場(chǎng)數(shù)值解法的迅猛發(fā)展，大多使用有限元分析法(憑借軟件 MAXWELL)解決電機(jī)磁路的計(jì)算困境，依據(jù)求解的結(jié)果來(lái)評(píng)估電機(jī)的性能。本論文也是使用上述方法設(shè)計(jì)電機(jī)，借助計(jì)算結(jié)果對(duì)優(yōu)化方案做出客觀評(píng)估。

1.2 永磁同步電機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀

永磁材料的發(fā)展是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程同時(shí)直接影響著永磁同步電機(jī)的發(fā)展。從19世紀(jì)20年代走入大眾視野的世界第一臺(tái)電機(jī)起，歷經(jīng)了由天然磁石到如今使用稀土鈷永磁體的巨大轉(zhuǎn)變。在這一時(shí)期，永磁同步電機(jī)也得到了較大的提高。

2 深井信號(hào)探測(cè)用永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理

2.1 深井信號(hào)探測(cè)用永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概況

深井信號(hào)探測(cè)用永磁同步發(fā)電機(jī)主要是外殼、軸承、定子、和轉(zhuǎn)子組成。永磁電機(jī)和普通電勵(lì)磁電機(jī)定子構(gòu)件基本相同，都是使用疊片結(jié)構(gòu)來(lái)減少電機(jī)運(yùn)行帶來(lái)的渦流損耗。此外，還有一個(gè)非常重要的地方在于永磁同步發(fā)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度，實(shí)際上，氣隙長(zhǎng)度對(duì)永磁同步電機(jī)的無(wú)功功率和無(wú)功電流造成的影響不及對(duì)電勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)的影響大，即便如此，它仍很大程度地影響了永磁電機(jī)的直、交軸電抗，并對(duì)電機(jī)其他性能產(chǎn)生間接影響。另一方面，槽滿率(定子槽內(nèi)下線程度的衡量)對(duì)工廠給電機(jī)繞組線圈的裝配產(chǎn)生影響，特別是當(dāng)槽滿率大于75%，這時(shí)大多工廠并不能完成定子繞組加工。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)所使用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常是分為三種，內(nèi)置式、表面式、和爪極式。本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)采用的是表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。采用這種結(jié)構(gòu)主要由于其制造成本較低，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低功率設(shè)備的供電系統(tǒng)。 此外，該轉(zhuǎn)子在永磁同步發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用既可以提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，也能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2-1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2-2 磁滯回線

2.3 永磁材料的選擇

選擇永磁材料需要提前學(xué)習(xí)歸納和嚴(yán)謹(jǐn)考慮，由于永磁材料具有多樣性和復(fù)雜性，做出較為合理的選擇就需要綜合運(yùn)用多項(xiàng)因素，最大化提升永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能。

首先永磁材料需要用磁滯回線來(lái)描繪它磁化過(guò)程的特點(diǎn)，也就是用B=f(H)曲線來(lái)展示永磁體的磁特性。如圖2-2所示，該回線所包含的面積大小根據(jù)最大充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度Hmax的大小產(chǎn)生變化，Hmax越大，回線的面積也就越大。保持在未飽和部分的定子齒、定子軛的磁特性較好，具體的磁通密度也根據(jù)不同的永磁體產(chǎn)生不同。

永磁體擇選標(biāo)準(zhǔn)可歸納為：

(1)經(jīng)濟(jì)性好，成本較低，價(jià)格適中。

(2)具有較為良好的機(jī)械性能，以方便裝配加工。

(3)可以維持電機(jī)的氣隙內(nèi)有夠大的氣隙磁場(chǎng)，既能保持優(yōu)越的性能，又能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)目前永磁同步發(fā)電機(jī)的工程以及永磁材料的性能的要求的學(xué)習(xí)，可以總結(jié)出以下關(guān)于內(nèi)部永磁體的擇選原則：

(1)在性能要求一般，且體積質(zhì)量限制不高的情況下，經(jīng)濟(jì)性好成為一種優(yōu)先選擇，例如鐵氧體永磁這類極具價(jià)格優(yōu)勢(shì)的永磁材料。

(2)當(dāng)被應(yīng)用的環(huán)境溫度高于300攝氏度，應(yīng)當(dāng)選擇溫度系數(shù)較為低的鋁鎳鈷永磁。同理，實(shí)際上遇到對(duì)溫度有高度要求的情況下，也是選擇該材料。

(3)落實(shí)到詳細(xì)選擇，更應(yīng)該根據(jù)不同的實(shí)際要求，從永磁體的各個(gè)方面做出分析和考慮，給出最優(yōu)最符合實(shí)情的選擇方案。

2.4 永磁體尺寸的確定

設(shè)計(jì)永磁體的尺寸時(shí)要初步確定永磁體的軸向長(zhǎng)度LM、磁化方向的永磁體長(zhǎng)度hM和寬度bM。永磁體的軸向長(zhǎng)度普遍使用同電機(jī)鐵芯軸向長(zhǎng)度相等或是略小于鐵芯軸向長(zhǎng)度，因而事實(shí)上只是需要設(shè)計(jì)永磁體磁化方向的永磁體的寬度與長(zhǎng)度。一個(gè)重要的決定直軸電抗Xab的因素是電機(jī)磁化方向長(zhǎng)度bM，故選hM時(shí)應(yīng)當(dāng)保持Xab較合理。

現(xiàn)在再來(lái)估算徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁體磁化方向長(zhǎng)度hM值，計(jì)算公式如下：

(2.1)

該公式中：Ks是電機(jī)的飽和系數(shù)，該值為1.05～1.3；Kα是與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，取值范圍為0.7～1.2；bm0為電機(jī)永磁體在空載運(yùn)行時(shí)的最佳工作點(diǎn)的初步估計(jì)，初始值設(shè)為0.8；σ0為電機(jī)永磁體空載漏磁系數(shù)的初步估計(jì)，值為1.2。

永磁體可以提供磁通的面積直接由bM決定，而永磁體寬度估算如公式(2.2)：

(2.2)

實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)，永磁體的軸向長(zhǎng)度一般取為L(zhǎng)M=L1。

在徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，計(jì)算永磁體的每極截面積是AM=bMhM；每對(duì)極磁化方向長(zhǎng)度是hMp=2hM。永磁體體積是Vm=pAMhMp，其中p為極對(duì)數(shù)。永磁體質(zhì)量為mm=ρVm×10-3，式中ρ=8.1g/cm3。

2.5 永磁電機(jī)尺寸的優(yōu)化

在永磁電機(jī)中，永磁材料的用量在很大程度上決定了電機(jī)的價(jià)格。想要降低永磁同步電機(jī)的價(jià)格成本，首先想到的便是優(yōu)化磁極結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)際上電磁場(chǎng)逆問(wèn)題也是解決這方面問(wèn)題主要因素之一。永磁體結(jié)構(gòu)尺寸和有關(guān)變量作為設(shè)計(jì)變量，以此為參考條件來(lái)確保降低成本而不損壞電機(jī)的性能。除此之外，在使用電磁場(chǎng)計(jì)算來(lái)進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，局部失磁問(wèn)題也應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)約束條件納入考慮。

同樣，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，想要得到更加合理的結(jié)構(gòu)尺寸可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如在原有樣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，可以選用永磁材料體積最小作為目標(biāo)函數(shù)。令電樞繞組的線規(guī)及厚度不發(fā)生改變，只需保證主磁通大于一定值，外徑和總長(zhǎng)度不大于要求值則可。相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為如下公式(2.3)：

(2.3)

式中：Δ1，Δ2——分別為兩鐵軛的厚度，

∑h——電機(jī)總長(zhǎng)度，

Dm0、Dm1——分別為永磁體的內(nèi)、外徑。

結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化問(wèn)題一樣需要通過(guò)一定的優(yōu)化方法產(chǎn)生設(shè)計(jì)點(diǎn)，由電磁場(chǎng)分析求出電機(jī)在某一設(shè)計(jì)下的性能，通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算找到問(wèn)題的最優(yōu)解。

2.6 氣隙的選擇

選擇氣隙δ時(shí)應(yīng)當(dāng)納入考慮的因素，如：電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、電機(jī)的過(guò)載能力及電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。增加δ可以提升電機(jī)的穩(wěn)定性和過(guò)載能力，但隨著勵(lì)磁功率的增加，電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)變地越來(lái)越差。此外，還應(yīng)當(dāng)合理利用磁鐵磁特性，由磁鐵利用率出發(fā)，需要盡可能提升有效磁導(dǎo)，即盡可能減小氣隙。但氣隙的最小值被加工條件限制，其值應(yīng)選在普通工廠都可以加工的范圍中選擇。

本設(shè)計(jì)中預(yù)取非磁性材料套環(huán)的厚度Δ為0.5mm，空氣隙長(zhǎng)度δ1為0.5mm，因此氣隙長(zhǎng)度δ=δ1+Δ=1mm。

2.7 定子的設(shè)計(jì)

定子繞組的設(shè)計(jì)大致可以分為確定定子繞組型式、每極每項(xiàng)槽數(shù)q、斜槽寬度和繞組節(jié)距y以及繞組因數(shù)計(jì)算。永磁同步發(fā)電機(jī)定子截面模型如圖2-3所示。

圖2-3 定子截面圖

2.7.1 定子沖片的設(shè)計(jì)

在永磁同步發(fā)電機(jī)中最普遍采用的是梨型槽和梯形槽，這兩種槽型均為半閉口槽，梨型槽和梯形槽的尺寸代碼已在圖2-4中標(biāo)示了出來(lái)。選用該槽型的優(yōu)點(diǎn)為：提高功率因數(shù)；減小有效氣隙程度。其中的梨型槽與梯形槽相比較，沖模壽命明顯要長(zhǎng)，槽面積利用率較高，并且槽絕緣的彎曲程度十分小，不易損傷。故本設(shè)計(jì)采用的是梨型槽。

圖2-4 定子槽

2.7.2 極對(duì)數(shù)與槽數(shù)的確定

由永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)的關(guān)系n1=60f1/p，給定的轉(zhuǎn)速為2000rpm/min。假設(shè)同步電機(jī)頻率為50Hz，則p=1。因此給定的永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，即極數(shù)為4。通過(guò)同功率的異步電機(jī)的參數(shù)，取同步發(fā)電機(jī)的槽數(shù)為18。

根據(jù)計(jì)算槽面積和槽絕緣所占面積，可以得出槽的有效面積。接著可以得出定子槽滿率。

2.8 磁路計(jì)算

通過(guò)計(jì)算交軸同步電抗、總漏磁導(dǎo)、交軸電樞反應(yīng)電抗、每極直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和內(nèi)功率因數(shù)角等參數(shù)，確定永磁體負(fù)載工作點(diǎn)。

2.9 損耗和效率計(jì)算

計(jì)算定子軛部質(zhì)量和定子齒質(zhì)量，分別得到軛部單位鐵耗和齒部單位鐵耗，因而計(jì)算出定子鐵耗。在計(jì)算機(jī)械損耗、電子繞組銅耗及雜散損耗得出總損耗∑p。發(fā)電機(jī)效率可表示為公式(2.4)：

η=(1-∑p/(PNcosφ×103+∑p))×100%

(2.4)

3 永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果及其性能優(yōu)化

3.1 初步設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)流程，使用MAXWELL軟件計(jì)算所設(shè)計(jì)的電機(jī)性能。計(jì)算得出電機(jī)效率、槽滿率等參數(shù)，直到滿足設(shè)計(jì)的要求為止。

永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求為：

(1)轉(zhuǎn)速2000rpm；(2)功率100W；

(3)電壓35V；(4)外徑44mm。

設(shè)計(jì)結(jié)果如表3-1所示：

表3-1 同步電機(jī)初步設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3-1 同步電機(jī)截面圖

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

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證與仿真

憑借設(shè)計(jì)結(jié)果在RMxprt內(nèi)生成同步電機(jī)的模型如圖3-1；另外加上外部條件進(jìn)而仿真得到以下結(jié)果，如圖3-2和3-3。

圖3-2 反電動(dòng)勢(shì)波形(負(fù)載)

圖3-3 電流波形(負(fù)載)

據(jù)分析：

根據(jù)工廠的加工條件限制，槽滿率唯有低于70%才可以把繞組安裝到定子槽內(nèi)，74%明顯不符合要求，因此該項(xiàng)數(shù)據(jù)有待優(yōu)化。

(1)齒轉(zhuǎn)矩越大就會(huì)產(chǎn)生越多的損耗，因此應(yīng)盡可能減小齒轉(zhuǎn)矩的數(shù)值，以優(yōu)化同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

(2)定子齒/軛磁密最適宜的取值在1.7T上下，為的是令同步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，定子沖片的B-H曲線能夠維持在較好的線性位置。

(3)銅耗或電流密度若是過(guò)大的話，將產(chǎn)生過(guò)多的熱量，影響發(fā)電機(jī)的效率。

3.3 永磁同步電機(jī)的性能優(yōu)化

影響發(fā)電機(jī)性能的重要指標(biāo)參數(shù)有：定子直徑、轉(zhuǎn)子直徑(空氣間隙)、永磁體的厚度和定子齒中的線圈數(shù)。

首先，根據(jù)工廠不能夠完成74.1%槽滿率同步電機(jī)的加工，因此，以降低槽滿率為目的，現(xiàn)有兩種方案納入考慮：一是減小繞組線圈的線徑，從而令線圈數(shù)不變。二是減少繞組的圈數(shù)，而線圈的線徑保持不變。

方案1：原設(shè)計(jì)方案采用的線徑為0.56mm，現(xiàn)減小線徑為0.53mm，此外數(shù)據(jù)不變，再進(jìn)行仿真，得出性能參數(shù)如表3-4：

表3-4 仿真運(yùn)行參數(shù)

當(dāng)給同步發(fā)電機(jī)上添加負(fù)載后，利用MAXWELL進(jìn)行仿真，波形得出如圖3-5：

圖3-5 同步發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形

根據(jù)圖像可知，電壓穩(wěn)定后的幅值為32.58V。

方案2：原設(shè)計(jì)方案的線圈匝數(shù)是34匝，現(xiàn)把匝數(shù)減小至32匝，其余數(shù)據(jù)不動(dòng)，進(jìn)行仿真，則性能參數(shù)如表3-5：

表3-5 仿真運(yùn)行參數(shù)

同理，在此方案下，同步發(fā)電機(jī)加負(fù)載后輸出波形如圖3-6：

圖3-6 同步發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形(負(fù)載)

由圖像所示，電壓穩(wěn)定后的幅值為30.8043V。

對(duì)比上述兩種方案的性能參數(shù)，得出：

方案1、2均可以降低槽滿率來(lái)滿足工廠加工需求，即槽滿率小于70%。

在方案2中，電流密度大幅度減小，但效率卻顯著增加，同步電機(jī)性能較好。

但是加上負(fù)載后方案2的電壓值明顯比方案1小，不符合設(shè)計(jì)要求，而方案1的電壓值在可允許的范圍內(nèi)。

綜上所述，采用方案2解決槽滿率過(guò)高的問(wèn)題，較合理，即將繞組線徑減小一個(gè)等級(jí)。

3.4 同步發(fā)電機(jī)性能評(píng)估

由于定子沖片大小是標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，因此型號(hào)選定后定子內(nèi)徑就不可以改變，故選擇定子槽開口大小和轉(zhuǎn)子直徑作為控制同步電機(jī)性能的變量。

接下來(lái)探究單一變量對(duì)同步發(fā)電機(jī)性能造成的影響。

(1)當(dāng)只改變電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑，保持其余參數(shù)不變，計(jì)算可得出永磁同步發(fā)電機(jī)效率、電流密度、齒轉(zhuǎn)矩以及定子齒/軛磁密等結(jié)果。

表3-6 同步發(fā)電機(jī)性能比較

根據(jù)表3-6，可見(jiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子外徑的不斷增大，定子軛磁密和定子齒磁密隨之不斷增大，為維持磁密較好的線性關(guān)系，令其保持在1.7T上下為最佳狀態(tài)。因此轉(zhuǎn)子外徑應(yīng)在23.5mm和24mm的范圍內(nèi)選取。進(jìn)而比較23.5mm和24mm兩種方案，不難發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方案的空載反電動(dòng)勢(shì)都達(dá)到了條件要求。但加上負(fù)載之后，外徑為23.5mm的電動(dòng)勢(shì)波形如圖3-7：

圖3-7 反電動(dòng)勢(shì)波形

可得出，同步發(fā)電機(jī)負(fù)載電動(dòng)勢(shì)是28.5V，大大低于設(shè)計(jì)要求，故設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子外徑應(yīng)為24mm。

選擇另一個(gè)變量是定子槽開口尺寸，改變其參數(shù)，并對(duì)同步發(fā)電機(jī)的性能進(jìn)行仿真，這次重點(diǎn)討論定子槽開口對(duì)于同步電機(jī)空載齒轉(zhuǎn)矩的影響。

由于根據(jù)原理得出定子槽開口較為適宜的大小為1.8mm左右，因此現(xiàn)考慮研究當(dāng)開口大小分別為1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm與2.0mm時(shí)同步發(fā)電機(jī)的性能。

經(jīng)過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，得出：

當(dāng)定子槽開口是1.6mm時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)矩的有效值為0.0069529N·m

當(dāng)定子槽開口是1.7mm時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)矩的有效值為0.0081535N·m

當(dāng)定子槽開口是1.8mm時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)矩的有效值為0.010605N·m

當(dāng)定子槽開口是1.9mm時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)矩的有效值為0.011451N·m

當(dāng)定子槽開口為2.0mm時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)矩的有效值為0.0127851N·m

根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)可得，在不同的開口大小下，齒輪轉(zhuǎn)矩均不是很大，因此改變定子槽開口對(duì)齒輪轉(zhuǎn)矩的影響并不是很大。故定子槽開口值取為1.8mm。

通過(guò)以上比較能夠得出優(yōu)化后的同步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表3-7所示：

表3-7 同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.5 同步電機(jī)的性能評(píng)估

在ANSOFT MAXWELL軟件中，把RMxprt模型生成為2D模型，并且在2D模型內(nèi)仿真同步電機(jī)在空載時(shí)外電路的特性，分析其參數(shù)是否符合工程要求如圖3-8和如圖3-9。

圖3-8 同步電機(jī)磁力線(空載)

圖3-9 同步電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)

根據(jù)生成圖，同步電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)的波形靠近正弦波，同步電機(jī)性能為優(yōu)。

空載反電動(dòng)勢(shì)的諧波分析如圖3-10和如圖3-11。

設(shè)計(jì)永磁同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)時(shí)，除去需要考慮發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的幅值可以達(dá)到要求外，還應(yīng)該盡可能的減少反電動(dòng)勢(shì)中高次諧波對(duì)于外電路的影響，除此之外，反電動(dòng)勢(shì)的諧波含量還可以作為衡量同步發(fā)電機(jī)性能優(yōu)劣的因素。以對(duì)此影響做一個(gè)定量的評(píng)估為目的，故需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的波形做一個(gè)諧波分析，以從理論上證明該設(shè)計(jì)的合理性。

圖3-11 空載反電動(dòng)勢(shì)諧波分析圖

根據(jù)圖3-10以及圖3-11可得出，3次諧波分量和基波分量在反電動(dòng)勢(shì)的諧波分量中所占比例較大。其中，3次諧波分量的幅值為3.274，基波幅值是32.4，且基本無(wú)高次諧波。因此同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形基本為正弦波，對(duì)于外電路的干擾影響比較小。同步電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果較為優(yōu)良，基本可以滿足工程需求。