永磁同步发电机电枢反应去磁效应的分析

永磁同步发电机越来越多地应用于风力发电。永磁体的矫顽力有限,必须防止永磁体的不可逆去磁。本文应用ANSYS软件,计算了永磁体在环境温度为60~C时,电机突发短路条件下,最恶劣的去磁位置时的磁场分布,对实际的运行情况进行了计算分析。

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20年第2 05期第4 0巷(总第 13 ) 2期

永磁同步发电机电枢反应去磁效应的分析何山王维庆 吴小艳王小龙新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐(308 800 )摘要永磁同步发电机越来越多地应用于风力发电。永磁体的矫顽力有限，必须防止永磁体的不可逆去磁。本文应用 A S S N Y软件，计算了永磁体在环境温度为 6￣时， 0 C电机突发短路条件下，最恶劣的去磁位置时的磁场分布，对实际的运行情况进行了计算分析。关键词永磁同步发电机电枢反应去磁中图分类号 T 33文献标识码 A文章编号 1 8 78 (05 0— 0 8 o M1 0— 2 120 )2 00一 4 0 Th m a n tz t n An lsso m a u e Re ci n a o t e De g eia i ay i fAr t r a t b u o o

P r n n a n tS n h o ia i n Ge e a o e ma e tM g e y c r n z to n r t r HeS a h h,Wa g Weqn n iig,Wu Xio a a y n,a d Wa g Xioo g n n a lnAb ta t T eP r n n g e y c rn u e eao saew d l en s di— sr c h ema e tma n t n ho o sg n rtr r ieyb igu e n e s lcrct e e aig b n o e . B c u e o i td c ecv oc fp r a e tma— e t i g n rt ywid p w r e a s fl e o riefre o e i y n mi m n n g n t h o—e esbe d ma n t ain o s e p e e td I h sp p r h g e,t en n rv ril e g ei t fi mu tb rv ne . n t i a e,t e ma— z o t

n t ed dsr uin o h e a e tma n ta h mbe ttmp rt r 0 a h ei f l it b t fte p r n n g e tte a in e eau e 6% tt e ci i o mmo tsr u o i o fd ma n t ain i c lu ae n e h o dt n o u d

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sf w r o ae ANS . t YSKe r s P r a e t y c rn u e e ao,a au era t n,d ma n t ain y wo d e m n n n h o o sg n rtr r t r e ci s m o e g ei t . z o

1引言 随着钕铁硼永磁材料的1世，的高剩磁密司它度，高矫顽力，高磁能积和线性退磁曲线的优异性能特别适合用作永磁电机的磁钢材料。但是如果电机设计或使用不当，永磁电机在冲击电流产生的电枢反应磁场作用下，或者过高 (钕铁硼永磁 ) 过低(铁氧体永磁 )温度时，可能造成永磁体的不可逆退磁，电机性能降低甚至无法使用。使 永磁同步发电机在正常工作时，电枢磁场的

线位置可能和永磁体的轴线位置对齐，并且极性相同，方向相反，会对永磁体产生最严重的去磁效应，这些情况，应该在电机的设计中予以充分地考虑。 永磁同步风力发电机是不需要励磁绕组和直流励磁电源的无刷电机，无励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构简单，运行可靠。增大了气隙磁密，电机转速提高到并把最佳值，可以缩小电机体积，减轻质量，高功率提质量比。目前，永磁同步发电机在风力发电、航空

轴线和永磁体的轴线不重合，通常永久磁钢磁场航天和大型汽轮发电机的励磁机等方面得到了大的轴线位置超前电枢磁场的轴线位置，磁场量应用，电枢单机容量已经达到 50 k~ 00 W。 0 0 W 60 k对永磁体产生吸合或者排斥作用相对较弱；,但是 在电枢绕组发生最严重的短路时，电枢磁场的轴目前，永磁体的价格相对比较昂贵；风力发电 机的安装位置比较高，处于野外，安装维护不便，

收稿日期： 0 . . . 2 41 1 0 02何山男 17年生； 9 94 1 7年毕业于新疆大学电气工程学院工业自动化专业，疆大学电气工程学院控制理论与控制工程专业在 9新读硕士研

究生，长期从事电机及其控制的教学和科研工作 . 本文受到“6”目《 w级风力发电机组及关键零部件研制》项目号 20 A 52 1)资助 . 83项 M ( 0 3 A 100的8

永磁同步发电机越来越多地应用于风力发电。永磁体的矫顽力有限,必须防止永磁体的不可逆去磁。本文应用ANSYS软件,计算了永磁体在环境温度为60~C时,电机突发短路条件下,最恶劣的去磁位置时的磁场分布,对实际的运行情况进行了计算分析。

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更需保证发电机的安全运行，一旦发生永磁体的不可逆退磁，则更换永磁体的工作量很大 (一般永磁体是由粘接胶粘接在钢件上，电机的半径发又比较大，吊装很不便 )维修。基于以上原因，必

4最严重短路时的电枢反应的计算4 1建立物理模型 .

须保证永磁体在正常运行和突然发生短路时，永由于电机空载运行磁场对称分布，取电机的磁体都不会发生不可逆退磁。 局部建模，一方面可减少其工作量和解题规模，

2电枢反应磁场的计算目前电磁场的计算方法有两种：是场化路一的方法。将实际空间存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中 磁通沿截面和长度均匀分布，磁场的计算转化将为磁路的计算，然后用各种系数修正，使各段磁路

另一方面也不失代表性。电机物理模型如图 1所示。

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的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差；二是电磁场数值计算中的有限元法。有限元法是当今数值计算领域应用最为广泛、为成熟的一种计最

算方法，大的优点是通用性强、其最精度高，以可进行专门问题的计算如永磁电机的失磁、电永磁.机的磁极结构与尺寸的优化等。我方的电机为外 4 2基本假设图 1电机模型

转子旋转磁极式，结构复杂，材料用量大，更需精确计算，因而采用有限元方法计算。 A SS N Y软件是目前世界范围内增长最快的 C E软件， A也是最先通过 I0 01 S90质量认证的分析设计类软件。A S S可用来分析电磁领域多 NY方面的问题。其基本原理是将所处理的对象首先

() 1采用二维场模拟实际磁场；选取 M S国 K际单位制；直角坐标系。 ( )忽略电机的各种绝 2缘材料；对定子槽口、扇形片的圆角及磁极冲片部分圆角、角等细微之处作近似处理。( )计倒 3不

交变磁场在导电材料中如定子绕组、铁心冲片及机座中的涡流反应，因此同步电机的磁场可作为

划分成有限个单元(包含若干节点)然后根据矢非线性叵定磁场来处理。, .量磁势或标量电势求解一定边界条件和初始条件 4 3电枢产生磁场

下每一节点处的磁势和电势，而进一步求解出继

电机的实际磁场为交变的 (大小和空间位置出线端发生短路或其他故障时，电机突然短路时电流可达额定值的 2, 0倍设为短路电流最大值 )电枢绕组形成的去磁磁场位置和极性与永，磁体相同，方向相反，对永磁体会形成强烈的去磁

其他相关量。A S S N Y程序提供了丰富的线性和都在改变 )。考虑最为不利的因素 (电机绕组的非线性材料的表达方式，包括各向同性和正交各向异性线性磁导率，材料的 B H曲线和永磁体—的退磁曲线。后处理允许用户显示磁力线、磁通密度并进行力、、电压和其他参数的计算。力矩端

3 A S S的有限元分析 NYA SS N Y分析过程包含 3个步骤： ( )建有限元模型。包括：建或读入 1创①创有限元模型；义材料属性；②定③划分网格 (节点和单元 )。

效应。三相绕组中的电流的初相位设为 0,。则三相电流瞬时值的大小为：=

lcs t 1= O( t 10 ) moo, 8 LCS o一 2。, ) )m

, c=l

CS t一 4。 O( t 20 ) o

取 t 0时刻进行分析，=总有一相绕组的电流达到最大，图中 A相电流达到最大，末端流入，首端流

( )加载荷并求解。施加载荷及载荷选 2施项，然后求解。

出，其余两相电流幅值为 A相的一半，相位与 A相相反，则电枢绕组的磁场位置处于电流最大相绕组的轴线位置，中间最大块的永磁体的位即与9

() 3查看结果。查看分析结果，后检验结然

永磁同步发电机越来越多地应用于风力发电。永磁体的矫顽力有限,必须防止永磁体的不可逆去磁。本文应用ANSYS软件,计算了永磁体在环境温度为60~C时,电机突发短路条件下,最恶劣的去磁位置时的磁场分布,对实际的运行情况进行了计算分析。

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置相同，极性也相同，会产生强烈的去磁效应。 44有限元方法 .由于区域内存在电流，须用矢量磁位求解。考虑到铁心中的饱和效应，则满足非线性

可能去磁，电枢磁场的磁场强度远小于这个值，而

从而保证电机的磁钢不会被去磁，可以稳定运行。(1 x0 1T )

的准泊松方程。在转子内圆和定子外圆圆弧线

D、G上， EF磁场满足A 0即满足

第一类齐次边 =,界条件； D在 F和 E G线上满足 A F=一 l I D A

E, G即满足周期性边界条件。所以磁场的准泊松方程边值问题为

喜 1[】 =+茜DE, FG: Az=0 A/ z DF=一Az EG/

-一电流密度；一， 磁阻率。 45 A S S求解 . N Y由于仅进行平面分析，采用 A S S的故 NY PA E 3电磁单元， LN 5气隙部分最为重要，也是关注的地方，因此在网格剖分时，在气隙中间取了一条曲线，模型的单元划分数目尽量细致。对电机内部的各种材料进行定义。根据前面的分析后对模型施加边界条件并进行求解。A S S求解可 NY以得出电机的磁力线分布图，图 2如所示。

图 2电枢短路时电机磁力线分布

图 3为磁钢单独作用时，一个主磁极下气隙中磁密的分布，为一平顶波，其幅值为 253图4 .2;为电枢绕组发生短路时，电枢绕组单独形成的磁

图 5磁钢和电枢短路共同形成的气隙磁密分布

场在一个主磁极下气隙中磁密的分布，为一接近的正弦形； 5为磁钢和绕组短路共同作用时形图成的磁场在一个主磁极下气隙中磁密的分布，幅值为 2 49 .6。由图可以看出，电机的磁钢受到绕

5结论 永磁电机的去磁反应是影响其正常工作的重要因素。使用 A S S N Y软件，以精确计算出电机可气隙磁密的大小 (如果需要可以知道任意部位的

组的去磁作用，磁场的幅值有所减弱，但是磁钢覆磁密的大小 )较以前场化路的方法更加直接和，盖的大部分区域磁密依然能够保持一定的数值，精确；以对去磁效应进行定量的计算， 可以确定电减小程度很小，以不会被完全去磁，所磁路某些部位会变得较为饱和；结合永磁体在 6￣的内禀退 0C1 0

机的最终工作点；并且同电机的退磁曲线比较，以

确保电机的工作点在退磁曲线的拐点以上，从而(下转 1 7页)

磁曲线，电机在反向磁场强度为 110/ 1A m时，才可以保证电机的安全运行。

永磁同步发电机越来越多地应用于风力发电。永磁体的矫顽力有限,必须防止永磁体的不可逆去磁。本文应用ANSYS软件,计算了永磁体在环境温度为60~C时,电机突发短路条件下,最恶劣的去磁位置时的磁场分布,对实际的运行情况进行了计算分析。

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链模型切换时传统模型和滞环模型都未发生明显的转速振荡，控制系统采用滞环改进模型的但是磁链轨迹

曲线明显比采用传统滞环模型磁链曲线轨迹更接近圆形。图 5改进滞环速度曲线

6结论 直接转矩控制调速系统的传统滞环模型因滞环宽度的存在而导致模型切换存在切换死区。本图 3传统、改进滞环磁链曲线比较图

文提出的改进模型切换方法克服了传统滞环模型

如图 4图 5、所示，采用改进滞环控制策略的调速系统的转速响应曲线在低速阶段稳态性能明显要比控制系统采用传统滞环模型的稳态误差小。

切换方法的缺陷，并且在采用这种方法的情况下可以忽略定子电阻变化带来的影响，从而使系统具有良好的静、动态性能。参考文献

由以上分析可见，改进滞环模型要优于传统滞环模型。。

[]李夙.异步电动机直接转矩控制.北京： 1 机械工业出版社。 9. 19 9 []周箴等. 2直接转矩控制中的模型切换计算机仿真.19 ( ) 99 1 .

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[]朱鹏程等. 3异步电机直接转矩控制系统研究.电力电子技术.0 32 20 .. 4 Si .L n hnT .Dr te nr f n] h K .adC a .F i c sf otl — e lc o o id ci o rbsdo e rl e ok E E O A 3 ( ) ut nm t ae nnua n t r.I E N I 7 5 o o w2 0 o】

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(接 7页)上

5结论 直接考虑斜槽影响的有限元法与多截面时步法有限元与转矩方程耦合的计算方法可以解决异高，均满足工程要求。参考文献

出版社， 9. 18 9

[]陈世元. 2交流电机磁场的有限元分析[ . M]哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 9 . 1 8 9

3江建中.斜槽异步电机起动过程的时步法有步电机起动过程难以准确计算的问题，计算精度较[]傅为农，限元计算.电机与控制学报.97 19 .

[]江建中， 4傅为农.斜槽异步电机的多截面有限元法分

[]汤蕴廖. 1电机内的电磁场 (第二版) M]北京：[ .科学析.电工技术学报.97 19 .

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(上接 l 0页)参考文献

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[]唐任远. 1 现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社， 9 . 1 7 9[] D s nadF i—l et nl io a O t.o r 2 e g n it Ee n A a s f n u r t i ne m y s e R oP r n n- g e e eaofrDiet o pe id T r ema e tMa tG n rtro rcl C u ld W n u·· n y -

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