MW級永磁同步發(fā)電機空載電勢正弦畸變率分析

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總結了非平勻氣隙和斜槽對切向和徑向永磁同步發(fā)電機性能的影響。文[17]對切向永磁同步電機舉行了非平勻氣隙優(yōu)化。文[18]利用田口法對徑向式V型磁體布局的永磁電機舉行優(yōu)化。文[19]利用遺傳算法對徑向V型轉(zhuǎn)子磁路布局舉行優(yōu)化。文[20]通過在不影響性能的條件下鑿空轉(zhuǎn)子鐵心的方式舉行轉(zhuǎn)子布局優(yōu)化。而針對由3段永磁磁鋼構成的U型轉(zhuǎn)子磁路布局永磁同步發(fā)電機的電壓波形優(yōu)化與概括實例分析是少見的。本文中主要采用內(nèi)置式U永磁磁鋼型永磁同步發(fā)電機舉行有限元仿真測驗，來探討永磁同步發(fā)電機的電動勢波形的影響因素，同時提出了通過非平勻氣隙舉行轉(zhuǎn)子優(yōu)化與定子斜槽的提升措施。

1空載電勢畸變理由

建立如表1所示的永磁同步風力發(fā)電機，其定子槽數(shù)為72，極對數(shù)為3，采用U型磁鋼轉(zhuǎn)子布局。三相雙繞組布局，工作溫度120℃，永磁風力發(fā)電機的參數(shù)列于表1。

平勻氣隙永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子模型如圖1所示。

由圖2是空載電勢波形，可以看出的空載電勢根本呈正弦性分布，但是其諧波含量豐富，在應用如圖1所示的轉(zhuǎn)子模型時，經(jīng)計算可得出其諧波含量高達7.32%?？蛰d電勢正弦畸變率較大。電勢波形正弦性畸變率是指各次諧波的有效值的平方和的平方根與基波有效值的比值，其表達式如下：

THD=E22+E23+…+E2r…E1×100%

式中：Er為相電勢中γ次諧波（γ=1，2，3…）；E1為相電勢中基波的有效值。

上述問題是永磁同步發(fā)電機所存在的普遍問題，這是由于該種電機存在較大的齒槽轉(zhuǎn)矩[21]。齒槽轉(zhuǎn)矩是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下，由永磁體產(chǎn)生的磁場同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會引起轉(zhuǎn)矩脈動、振動及噪聲使得電機運行不平穩(wěn)。由于齒槽的存在使得氣隙不平勻，導致氣隙磁場的畸變，同時電力電子設備的引用，磁路的非線性和磁極外形、繞組分布等理由，也會展現(xiàn)諧波電壓電流。

同時，本電機當中槽型為開口槽、沒有斜槽也是諧波含量較大的理由之一。

2不平勻氣隙對空載電勢畸變率影響

轉(zhuǎn)子平勻氣隙是指轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子外圓均以A點為圓心，而為了優(yōu)化氣隙磁密波形，將永磁磁鋼所對應極距的范圍以B為圓心，其他位置不變，AB之間距離為偏心距，用氣來衡量不平勻氣隙程度。

如圖3所示，是采用不平勻氣隙后的轉(zhuǎn)子模型，其偏心距為10mm。

圖4和圖5分別是采用平勻氣隙和不平勻氣隙時的氣隙磁密波形，將二者相對比，可以明顯的看出采用不平勻氣隙后的氣隙磁密波形的正弦性變得更好了，由此可以推出其空載電勢的諧波含量有所裁減。經(jīng)計算，可以得出不平勻氣隙的畸變率為5.87%，比平勻氣隙的畸變率大大減小。

圖6是采用不平勻氣隙時的空載電勢波形。與圖2相對比，可以看到頂部波動較小。

圖7為轉(zhuǎn)子布局采用平勻氣隙和不平勻氣隙時的傅里葉諧波分析，可以看到，采用不平勻氣隙后，各次諧波較平勻氣隙時有所減小。

圖8是平勻氣隙與非平勻氣隙這兩種處境下的齒槽轉(zhuǎn)矩，虛線為平勻氣隙，實線為不平勻氣隙，由圖可見，不平勻氣隙能夠有效地裁減齒槽轉(zhuǎn)矩。

3定子斜槽對電勢波形的影響

根據(jù)電機原理，繞組的分布和短距能夠抑制電動勢諧波，但是總有一些節(jié)距因數(shù)和分布因數(shù)與基波一致的諧波不能夠有效的被抑制，而通常采用的方法為斜極或斜槽，在這里通過有限元參數(shù)化來求得最正確斜槽度數(shù)。

在一般處境下，由于定子斜槽的處境不得志有限元方法的軸向?qū)ΨQ原那么，大多采用3D有限元模型，然而，3D有限元模型仿真較為費時，因此，本模型機采用3D模型的2D分段法舉行。2D分段法就是將所設定斜槽程度通過參數(shù)化的方法平均分成若干份，得出在不同位置時的電勢參數(shù)，舉行分解求取各次諧波平均值得出最終結果。如圖9是不同位置時的電勢波形。圖9中的第一層轉(zhuǎn)子初相角為0，結果一層轉(zhuǎn)子初相角是所需轉(zhuǎn)子斜槽程度的大小，每一層的轉(zhuǎn)子初相角成等差。因此每一層的電勢作和求平均值的大小等于斜槽后所對應電勢大小。

圖10表示模型電機的一階齒諧波（25次諧波）隨斜槽度數(shù)變化的處境。圖11是在各個斜槽程度下齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。由圖10和圖11可以分別看出隨著斜槽程度的增加，一階齒諧波呈減小趨勢；在不同的斜槽下，齒槽轉(zhuǎn)矩是變化的。

根據(jù)圖10～13及表2，經(jīng)計算，在該電機模型中選擇一倍齒距為佳。此時的諧波含量為4.8%，得志設計要求。

4結論

通過有限元的方法舉行建模分析，得到了如下結論：

1）永磁同步發(fā)電機中空載電勢畸變率大、脈動大，主要是由其齒槽轉(zhuǎn)矩和其轉(zhuǎn)子磁路布局的不同引起的，在本模型機中槽型為開口槽、沒有斜槽也是諧波含量較大的理由之一。

2）采用非平勻的氣隙，即通過轉(zhuǎn)子布局的優(yōu)化，可以使得氣隙磁密波形的正弦性得以改善，從而降低諧波含量，改善電壓波形；同時可以有效地裁減齒槽轉(zhuǎn)矩。

3）定子斜槽程度并不是越大越好，在確定范圍內(nèi)，可以有效抑制諧波含量，減小齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。隨著斜槽程度的變化，齒槽轉(zhuǎn)矩存在一個最小值。斜槽程度的增加將會使定子繞組切割磁力線的數(shù)量變少，導磁磁耦合程度降低，會引起空載相電勢幅值變化。

4）通過采用非平勻氣隙與定子斜槽，本文所采用模型機的諧波含量由最開頭的7.32%降為4.8%。

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