盘式永磁同步发电机的设计研究

外径; 为永磁体每极所占的比率.
2 2 电磁设计软件的开发
在分析了盘式永磁同步发电机特点的基础上, 推
导出了此类电机的电磁设计程序, 并用 Visual Basic 6. 0 语言编成相应的 CAD 软件. 该软件适用于 Windows 98
以上的操作系统, 视窗化设计, 全汉化界面, 实现了盘
第 3期
电机内、外表面直径.
如果考虑其单根导体, 在该平面上的位置可用半
径 r 和极角 来描述. 气隙磁密用平均半径处的磁密代
表, 可写成 Bb( ) 的形式. 如图 3 所示, 设电机的机械角速度为 , 在( r , )
处的 dr 长导体所产生的电动势和转矩为
de = Bg( ) r dr ,
(2)
dT = DmiJ ( r ) Bg( ) rdr .
式中: g 为气隙长度; r 为磁铁相对磁导率; b 为绕组轴
向厚度; Br 为永磁体剩余磁通密度.
采用磁铁的尺寸比定子铁心大一点, 因为这样可
以减少端部漏磁通.
永磁体的总质量 mpm 的计算公式为
m pm =
pm
hm
(
D
2 2o
-
2
D 22i) .
( 12)
式中: pm 为永磁材料的密度; D2i, D2o 为转子的内径和
( College of Electrical and Information Engineering, Hunan U niv, Changsha, Hunan 410082, China)
Abstract:T his paper presented a new disk type PM synchronous generator, and analysed its principle and electromag netism design. An electromagnetism design software of the disk type PM synchronous generator, which was based on database management system, was developed. This softw are can provide a convenient man machine conversation and shorten great ly the period of generator design, therefore improving work efficiency. T his type of generator was applied to the wind energy system. It could make use of resource adequately and reduce the cost of wind energy.
同时绕组端部的长度相对较短, 则绕组阻抗小, 从而电 机的电阻损耗减少, 效率提高;
4) 定子不开槽时, 可使电机不考虑齿槽效应而降 低了电机噪音, 同时由于定子开槽引起的电机震动和 转子的高频损耗都可以忽略. 1 2 运行原理和基本电磁关系
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 拖动至同步转速时, 将会在气隙中产生与电枢绕组交 链的旋转磁场, 从而在电枢绕组中感应出三相交流电 动势.
以下是用一台 DPG 5/ 7 盘式永磁同步发电机数 据对程序进行检验的计算结果, 该电机的额定数据 为: Pn = 5 kVA, Un = 416 V, n = 200 r/ min, 相数 m = 3, 极对数 p = 7, 额定电压调整率为 10% , 效率 n = 0. 9.
表 1 电机主要输出数据 Tab. 1 The main output data of the generator
序号
名称
计算结果
1
永磁体空载工作点
2
空载气隙磁密/ T
3
空载定子轭磁密/ T
4
空载转子轭磁密/ T
5
永磁体负载工作点
6
负载气隙磁密/ T
7
负载定子轭磁密/ T
8
负载转子轭磁密/ T
9
最大热负荷/ ( A cm- 1)
10
输出相电压/ V
11
电压调整率/ %
12
短路电流倍数
13
效率
bmo= 0. 75 h mo= 0. 25
电机的极对数; L e 为电机铁心的有效长度; Dg 为气隙
直径; K L =
D mo Le
为电机表面比系数.
由( 7) 式可得电机外表面直径:
1
Dmo = p R3/
(1 K
m m1
Baidu Nhomakorabea2 K eK iK p
PR BgJ
f p
(1-
1
2)
1+ 2
) 3. (8)
最优化设计取 D mo/ D mi = 3/ 1, 最优化设计可以
图 2 盘式永磁同步发电机一对极的主磁通路径 Fig. 2 T he path of the main flux of one pole pair
因此要注意定子铁心的磁密选取, 因为两个转子
盘的磁通在定子铁心中相加, 可能会造成定子铁心出 现磁通饱和现象, 引起电机过热, 出现故障.
由于盘式永磁电机的电枢绕组的有效导体在空间
呈径向辐射分布, 所以电机的电负荷是沿电机的直径
变化而变化. 令 J( r ) 代表半径为 r 处的电负荷, 那么
J ( r ) = Ji Dmo/ D mi.
(1)
式中: J i =
mNI D mi
为内径处的电负荷,
m
为电机的相数,
N 为电枢总的导体数, I 为电枢电流, D mi 和 D mo 分别为
盘式永磁同步发电机的基本磁通路径如图 2 所 示. 从图中可以到, 磁通的路径是: N 极 气隙 定子 铁心 气隙 S 极.
图 1 盘式永磁同步发电机的示意图 Fig. 1 Sketch map of disc type permanent
synchronous generator
这种盘式电机具有如下特点. 1) 从电机的模型图中可以看出, 盘式电机的轴向 尺寸很短, 因而有较高的功率和质量比, 而且它可以直 接由风力机驱动, 从而形成一个结构紧凑的风力发电 系统; 2) 转子轭和磁铁也起到了一个风扇的作用, 所以 即使在较低的转速下, 电机内的通风效果和电枢绕组 的冷却效果都很好, 同时它的电枢绕组很薄且与机箱 内空气接触面积很大( 两面都接触到空气) , 因此, 电机 可以运行在高负载的情况下; 3) 定子不开槽使得电枢绕组的互感和漏感降低,
Key words: disks rot ating PM synchronous generator; electromagnetism design; CAD
随着电机技术的发展, 人们逐渐认识到了普通圆 柱式电机存在着自身结构无法克服的一些弱点, 如冷 却困难和转子铁心利用率低等. 因此, 轴向磁场的盘式 永磁电机逐渐受到了电机界的重视. 盘式永磁电机的 气隙是平面型的, 气隙磁场是轴向的, 所以又称为轴向 磁场电机. 目前, 国内外已经开发了许多不同种类的盘 式永磁电机, 并已广泛应用于家用电器、电动机车、机 器人、录像机、数控机床等方面.
上世纪 90 年代, 国外就有人提出将盘式永磁同步 发电机应用于风力发电系统中. 本文提出的新型盘式 永磁同步发电机适用于变速恒频的风力发电系统, 可 由风力机直接驱动, 从而取消了以往风力发电系统中 的沉重的齿轮箱. 同时, 盘式永磁同步发电机的定子内 径很大, 转子尺寸及转动惯量很大, 这样就不会因为风 力机的一个轻微扰动而对发电机的输出产生很大的影 响, 这对平抑风力起伏引起的电动势的波动是有利的.
47
1 盘式永磁同步发电机的结构和原理
1 1 结构分析 盘式永磁同步发电机有多种结构形式, 本文提出
的是一种中间定子的结构, 即电机由双转子和单定子 组成双气隙, 定子铁心是由带状硅钢片卷制的环形结 构, 有开槽和不开槽两种结构. 在不开槽的电机中, 为 了固定电枢绕组和提供更好的散热条件, 往往在电枢 绕组之间充满环氧树脂. 转子为高性能永磁材料固定 在实心钢构成的圆盘上. 这种结构的电机的转动惯量 比中间转子结构的要大, 模型图如图 1 所示.
罗德荣等: 盘式永磁同步发电机的设计研究
49
式永磁同步发电机的计算机辅助设计, 电机外特性曲 线的绘制, 数据库管理, 报表打印等功能, 使人机交流 十分方便, 缩短了电机设计周期, 提高了工作效率. 用 一系列电机产品进行检验, 程序运行稳定可靠, 计算达 到预期结果. 主程序流程图如图 4 所示.
收稿日期: 2005 06 10 基金项目: 湖南省自然科学基金资助项目( 04JJ3007) 作者简介: 罗德荣( 1968- ) , 男, 湖南望城人, 湖南大学讲师
通讯联系人: E mail: wang- yaonan@ hot mail. com
第 3期
罗德荣等: 盘式永磁同步发电机的设计研究
力发电系统中, 可以有效的利用资源, 降低风电成本.
关键词: 盘式永磁同步发电机; 电磁设计; CAD
中图分类号: T M315
文献标识码: A
Design Study of Disk Type Permanent Magnet Synchronous Generator
LUO De rong, WANG Yao nan , HE Dong xia, HUANG Shou dao
罗德荣, 王耀南 , 何东霞, 黄守道
( 湖南大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082)
摘 要: 提出了一种新型的盘式永磁同步发电机, 对其运行原理和电磁设计进行了分析和推
导. 开发了基于数据库管理系统的盘式永磁同步发电机的电磁设计软件. 该软件实现人机交流十
分方便, 缩短了电机设计周期, 提高了工作效率. 将这种盘式永磁同步发电机应用于变速恒频风
2 电磁设计软件的开发
2 1 电机尺寸分析 下面给出轴向磁通电机的尺寸设计方程[ 2] :
PR =
1 1+ K
m m1
2 K eK iK pK L
BgJ
f p
(1-
2)
1+ 2
D 2moLe.
( 7)
式中: P R 为电机的额定输出功率; K
=
J r 为转子和定 Js
子电负荷的比率(当转子没有绕组时, K = 0) ; m1 为 每个定子绕组的相数; K e, K i, K p 分别为电动势系数、 电流波形系数、功率波形系数; 为电机效率; Bg 为气 隙磁通密度; J 为总的电负荷; f 为变频器的频率; p 为
0 Dmi 2
1 4
Bg
vJ
iD
3 mo
( 1-
2),
( 5)
P=
2n 120
B
g
vJiD
3 mo
(1-
2) .
( 6)
式中: = D mi/ D mo,
Bg v 为个极距下的气隙磁密的平均值.
图 3 结构示意图 Fig. 3 Sketch map of the generator structure
rBg BgK
f/
K
(
d
g
+
Wcu) .
( 10)
式中: K f 为盘式电机的气隙磁通密度在径向方向上的
最大值修正系数; K d 为漏磁系数; Wcu 为电枢绕组端部
伸出的长度.
磁铁的厚度 hm 计算采用最基本的磁铁回路规 则[ 6] ,
hm =
Bg 0.
r(g + 8Br -
b) Bg
.
( 11)
(3)
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湖南大学学报( 自然科学版)
2006 年
因而每根导体产生的平均电动势、总的转矩( 考虑
到定子两面都将产生转矩) 和相应的输出功率为
p
Ec = p
Dmo 2
Bg( )rdrd =
0D mi 2
1 8
Bg
v(
D
2 mo
-
D 2mi) ,
( 4)
D mo
p2
T = 2p
D miJi Bg( ) r dr d =
第 33 卷 第 3 期 2006年 6月
湖 南 大 学 学 报 ( 自然 科学版) Journal of Hunan University( Natural Sciences)
文章编号: 1000 2472( 2006) 03 0046 04
Vol.33, No. 3 Jun 2 0 0 6
盘式永磁同步发电机的设计研究
在外径和负载给定的情况下输出最大功率. 然而, 出于
机械和经济方面的考虑, 一般不选用此最优化比率. 电机轴向长度为:
L e = Ls + 2L r + 2g
(9)
L s 为电机定子的轴向长度, L r 为转子的轴向长度, g 为
气隙的长度.
永磁体长度 L PM 可以表示为[ 2]
L PM =
Br -