崔雪萌;刘勇;梁艳萍
【摘 要】针对永磁同步发电机(PMSG)谐波含量和振动较大的问题,提出采用非均匀气隙削弱齿谐波和齿槽转矩的方法.分析了非均匀气隙永磁同步发电机的运行机理,讨论了不同偏心程度非均匀气隙情况下,永磁同步发电机的空载反电动势、输出功率、电机效率、波形畸变率等参数的变化规律.通过场路耦合法,以一台切向式永磁同步发电机为例进行了仿真,结果表明非均匀气隙能改善气隙磁场波形,电机波形畸变率THD由4.86％降到2.48％,齿槽转矩降低40％. 【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》
【年(卷),期】2014(019)003
【总页数】5页(P100-104)
【关键词】永磁同步发电机;非均匀气隙;电机性能
【作 者】崔雪萌;刘勇;梁艳萍
【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;山东职业学院电气工程系,山东济南250104;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080
【正文语种】中 文
【中图分类】TM351
0 引言
PMSG因其结构特点，励磁磁场由永磁体产生，省去了励磁绕组，且转子没有损耗，故与电励磁同步发电机相比具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点，获得了越来越广泛的应用［1］.
PMSG定子结构与电励磁同步发电机相同，其结构形式一般指转子结构形式［2］.根据永磁体所在转子位置不同分为内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor，IPM)和表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPM)，其中IPM根据永磁体磁化方向又分为径向式、切向式和混合式.这其中常用的结构有以下3种，切向式IPM、径向式IPM和径向式SPM.
切向式IPM主磁路磁通是由两块永磁体共同提供，所以气隙磁密较大，适合某些特定应用要求气隙磁密高的场合［3］.由于定子开槽，PMSG中普遍存在谐波含量较大的情况，影响电机的性能.不同的磁钢结构形式电机的磁场特性和电抗特性有着不同的影响［4］.通过如多段磁钢法、非均匀气隙法、斜槽法、调整磁极宽度等方法，优化气隙磁场来改善电机性能就成为了近年来众多学者研究的热点［5～12］.常用的切向式IPM和径向式SPM在发电状态下的性能有所不同［13］.斜槽宽度和气隙偏心程度对径向式SPM运行性能也有较大影响［14］.
对于切向式IPM，结合电机实例优化气隙磁场以及优化后电机性能如何变化，这一方面还没有相关文献.本文采用非均匀气隙方法优化切向式IPM气隙磁场，利用有限元方法和磁路计算，研究了非均匀气隙对切向式IPM空载反电势、输出功率、电机效率、齿槽转矩以及电势波形正弦畸变率(THD)的影响.
1 基本原理及电机模型
1.1 基本原理
对于均匀气隙的IPM，转子是标准的圆周，转子外圆与转轴均以点O为圆心.为了优化磁极形状，采用非均匀气隙，如图1所示，在永磁体磁极跨距范围内对应的转子冲片极弧以点O'为圆心，其余部分仍以以点O为圆心，把t=OO'称为偏心距，偏心距的大小来衡量气隙非均匀程度.
图1 偏心距的定义
IPM采用均匀气隙时，匝链定子绕组的气隙磁场波形呈梯形分布.切向式IPM的每极磁场由两块永磁体共同产生，如图2所示，该气隙磁场密度比一般同功率其他结构要强.由于电机在进行机电能量转换时，能量都以电磁能的形式通过定、转子之间的气隙磁场进行传递，气隙磁场是电机电磁场计算中重要的物理量.气隙磁场谐波含量大对IPM性能的影响主要表现为［15］:
1)系统转矩脉动大;
2)附加的振动噪声，系统振动噪音大;
3)铁心损耗比异步电机大得多，影响到电机运行时的效率.
通过非均匀气隙优化磁极形状以后，通过图2可以看出磁场中部磁密变强，波形正弦性变好，可以推测反电势中谐波含量将明显减少.
图2 偏心前后气隙磁场波形对比
1.2 电机模型
所研究电机的基本参数如表1所示，其中:SN为额定功率;UN为额定电压;IN为额定电流;P为极对数;m为相数;Q1为定子槽数;cos φ为功率因数;D1为定子外径;δ为气隙长度.铁心冲片材料为DW470－50，磁钢材料为钕铁硼.
表1 电机技术参数SN/kW UN/V IN/A P m Q1 40 380 60.8 2 3 48 cosφ D1/mm δ/mm 绕组层数 绕组节距 隔磁手段0.8 290 2.5 2 8隔磁桥
仿真分析时建立1/4切向式IPM模型，如图3所示，其中图3(a)为未考虑转子偏心的计算模型，图3(b)则考虑了转子偏心.
图3 电机计算模型
2 非均匀气隙对切向式IPM性能的影响
2.1 非均匀气隙对空载反电势的影响
对比偏心前后电机空载反电势，如图4所示，反电势正弦性变好.图5和图6中，可见齿谐波占总体谐波大部分，偏心后低次谐波保持不变，一阶齿谐波减小至30%左右.
图4 偏心前后空载反电势对比
图5 反电势低次谐波含量对比
图6 反电势一阶齿谐波含量对比
2.2 非均匀气隙对额定负载时线电压影响
电机带额定感性负载时［16］，对比偏心前后外电路线电压，如图7所示，在线电压基本不变的前提下，波形正弦性变好.图8和图9中，可见齿谐波占总体谐波大部分，偏心后一阶齿谐波削弱明显.经计算偏心前畸变率约为4.86%，偏心后畸变率约为2.48%.
图7 偏心前后额定负载线电压对比
图8 线电压低次谐波含量对比
图9 线电压一阶齿谐波含量对比
2.3 非均匀气隙对齿槽转矩的影响
PMSG由于定子开槽，转子存在齿槽转矩.齿槽转矩会带来振动和噪声，并影响电机运行时性能［17］.在引入非均匀气隙后，由于气隙磁密谐波含量减小，会减小齿槽效应，从图10可以看出，同一个齿距里，齿槽转矩削弱至30%左右.
图10 偏心前后齿槽转矩对比
3 偏心程度对切向式IPM性能影响
下面比较不同偏心距对于电机性能的影响，取偏心距为 0 ～7 mm的8组不同转子情况进行仿真并计算，其中E0为空载反电势;η为额定负载时的效率;P0为额定负载时的输出功率;THD为电压波形畸变率，具体情况如下.
3.1 气隙非均匀程度对空载反电势和线电压波形的影响
从图11可以看出，空载反电势随着偏心距的增加而略微的下降.原因是虽然气隙磁场正弦分布变好，但总体平均水平是略有下降的，即由于气隙偏心使得平均气隙长度增加，磁阻变得更大，相应磁链减少，导致空载反电势略微下降.
图11 空载反电势和THD随气隙偏心程度变化
同步发电机的电动势波形有着严格的要求，实际电动势(通常是指空载线电压)波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率(THD)表示［18］.公式为:
式中:Ur为线电压中r次谐波的有效值;U1为线电压中基波的有效值.
从图11可以看到，随着偏心距增大，气隙磁场正弦性越来越好，电压中齿谐波含量越来越少，线电压波形变好，后来趋势较为缓慢，最终THD减小近一倍.随着偏心距增大制造和工艺难度也逐渐加大，所以要在工艺允许的基础上选取合适的偏心距.
3.2 气隙非均匀程度对输出功率和效率的影响
从图12可以看出，随着偏心距的增加输出功率和效率有着略微的减小，随着气隙偏心增大，
由上述结论反电势变小，进而导致对负载的输出功率略微下降，额定负载时电机的绕组铜损、铁损和其他损耗变化不大，其他损耗也基本不变.所以总的输出功率和效率略微下降.
图12 输出功率和效率随气隙偏心距离变化
3.3 气隙非均匀程度对齿槽转矩的影响
取3个偏心情况时电机的齿槽转矩进行对比，从图13可以看出，非均匀气隙可以明显削弱齿槽转矩，但可以看出不是偏心距越大削弱程度越明显，而是随气隙非均匀程度齿槽转矩先达到最小值，然后有略微的增加.这个最小值的求取需通过对电机极槽配合、永磁体极弧系数和永磁体的剩磁有关［19－21］，需要更深入的研究.
图13 齿槽转矩随气隙非均匀程度变化
4 结论
内置切向式PMSG，合理设计转子形状，采用非均匀气隙，能有效改善气隙磁场波形，降低噪声和振动.研究结论如下:
1)非均匀气隙对THD的影响最大，随着偏心距的增大，谐波含量减小，波形正弦性变好.THD由最初4.86%减小至2.48%，减小近一倍.
2)非均匀气隙的引入能明显优化气隙磁场减小齿槽效应，使齿槽转矩为原来的40%以下，甚至30%.
3)非均匀气隙虽然能降低噪声和谐波，但会使电机的空载电势降低2%，效率降低0.2%，设计时应全面考虑.
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