吴亚麟



稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计

吴亚麟

福州职业技术学院技术工程系

研究稀土永磁凸极同步发电机气隙磁场的特点，结合典型规格样机的实测空载气隙磁场波形和电压波形正弦性畸变率，阐述稀土永磁凸极同步发电机极靴的形状对空载气隙磁场的波形、电压波形正弦性畸变率以及稳态电压调整率的影响，探讨稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计。

稀土永磁同步发电机 气隙磁场 电压波形正弦性畸变率

电机的气隙磁场是由定子磁场和转子磁场偶合而成的，它在电机进行机电能量转换过程中起了主要的作用，决定了机电能量转换的能力和运行的技术性能。因此，分析与研究电机气隙磁场是电机设计者的重要研究的课题。

稀土永磁凸极同步发电机（以下简称稀土永磁发电机）的转子磁场是由永磁体提供的，与电励磁凸极同步发电机（以下简称电励磁发电机）相比，无需励磁电流，节省了励磁损耗，具有效率高、结构简单、运行可靠等优点。但是，凸极同步发电机的极靴形状直接影响了气隙磁场的分布波形，为了力求稀土永磁发电机的空载气隙磁场接近于正弦形分布、降低电压波形正弦性畸变率Ku、提高稀土永磁发电机的运行性能，对稀土永磁发电机的气隙磁场进行分析与研究，探讨稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计是非常必要的。

1 稀土永磁发电机气隙磁场的特点

由于凸极永磁发电机的气隙磁场性质与凸极电励磁发电机的气隙磁场性质不同，电枢反应产生的效果也有所不同，因此，磁极的极靴形状的设计参数选择也有所不同。

首先，电励磁发电机的电枢反应是可逆的，当电机卸载后，气隙磁场可以恢复到起始时的空载状态，随着电子技术的发展与应用，电励磁发电机的励磁可以采用电子电路可控励磁，对负载的变化实现励磁自动补偿供给，而永磁发电机在运行过程中，随着负载的变化，电枢反应使永磁体的工作点在磁化曲线的退磁回复线上变化，永磁体工作点的变化引起永磁体发出的磁能积随之变化，因此，永磁体提供的气隙磁场具有动态特性，当发电机卸载后（特别在突然短路状态后），电枢反应可能会使永磁体造成不可逆的去磁反应。

其次，电励磁发电机为了减小磁极间的漏磁，一般极弧系数αp（αp=bp/τ，bp为极弧长度，τ为极距）选取0.68～0.72为最佳值，而永磁发电机为了增强抵抗电枢的去磁反应能力，极弧系数要选得比电励磁发电机的极弧系数大得多，这样，就增大了磁极间的漏磁通，减少了气隙有效磁通。

第三，电励磁发电机极靴采用整块钢，或者在磁极表层增设阻尼绕组，可以起阻尼作用，而永磁发电机磁极表面如果带有软铁极靴的结构也可以起阻尼作用，如果没有带软铁极靴的结构，永磁磁钢直接面对着气隙，电枢反应直接作用于永磁体，因此，磁极表面应采取形成阻尼作用的措施，这样，就加长气隙长度。

第四，在永磁发电机磁路计算中，计算磁位差的方法和计算公式与电励磁发电机基本相似，但是，各个修正系数大小的选取，直接关系到磁路计算的准确与否。所以凸极永磁发电机与凸极电励磁发电机的转子极靴形状的设计存在着异同点。

永磁体提供一个沿着磁极极靴表面是不随时间变化的矩形波磁场，含有谐波分量比较大，气隙长度与最小气隙长度的比值、极弧系数、磁路饱和度、电枢齿槽效应、漏磁现象等等。为了力求空载气隙磁场波形接近正弦分布，尽量削弱谐波分量，对凸极稀土永磁发电机极靴形状的设计进行了探讨。

2 极靴形状设计方案

为了便于定性分析与研究永磁发电机气隙磁场，假定电枢表面光滑，铁的导磁率μFe为无穷大，忽略磁路饱和度等影响的因素。本文结合一台2极、3kW稀土永磁发电机的典型样机，采用不同磁极极靴形状结构、不同极弧系数αp、均匀气隙和不均匀气隙情况，实测出气隙磁场波形图和实测出空载电压波形正弦性畸变率，分析稀土永磁凸极同步发电机极靴形状对气隙磁场波形分布的影响。样机采用高矫顽力的稀土永磁（钕铁硼）瓦片形永磁体，磁极表面不带有软铁极靴的结构，磁极表面采取阻尼作用的措施。

2.1 均匀气隙

定子电枢内径与转子磁极极靴表面直径为同心圆，极靴表面到电枢表面之间的气隙长度δ为恒值，称为均匀气隙，如图1所示，由于极靴表面气隙磁导相等，永磁体提供的磁场在气隙中产生的磁感应分布规律B=f（x）是一个矩形波，如图2所示，均匀气隙中非正弦规律分布的磁感应B（x）含有较大的谐波分量。图3为一台2极、3kW均匀气隙的稀土永磁发电机样机的磁极结构截面示意图，磁极表面不带有软铁，由于定子冲片单边齿槽效应，使得齿和槽下的气隙磁导不一样，空载气隙磁场分布为锯齿形波，图4所示为利用示波器测出极弧系数αp分别为0.64和0.81时，样机的空载气隙磁场分布实际波形曲线，用波形畸变率测量仪测出电压波形正弦性畸变率Ku见表1。

图1

图2

图3

图4

2.2 非均匀气隙

转子磁极极靴表面到电枢表面之间的气隙长度不均匀，磁极中心处气隙长度最小，沿着磁极两边气隙长度δ（x）按一定规律连续增大，磁极两端气隙长度最大δmax，称为非均匀气隙。此时由于极靴表面气隙长度不相等，故气隙磁导也不相等。为了力求永磁体提供的磁场在气隙中分布规律B=f（x）接近于正弦形波，采用合适的非均匀气隙的转子磁极极靴形式，有利于减小谐波分量，改善永磁发电机的电压波形，降低电压波形正弦性畸变率Ku。

2.2.1偏心圆弧形极靴

采用偏心圆弧形极靴，稀土永磁发电机转子磁极极靴表面为磁极直径DP与定子内径Di成偏心的偏心圆弧形结构，磁极中心处气隙长度最小为δ，磁极两端气隙长度最大δmax，极靴偏心距H为；

由于非均匀气隙中极靴表面气隙磁导不相等，永磁体提供的磁场在气隙中产生的磁感应分布规律B=f（x）是一个接近于正弦形波，利用电励磁凸极发电机推荐的最佳气隙长度比系数 δmax÷δ=1.5，图5所示为一台2极、3kW偏心圆弧形结构的稀土永磁发电机样机的磁极极靴截面示意图，磁极表面不带有软铁，图6所示为利用示波器测出极弧系数αp分别为0.64和0.81时，样机的空载气隙磁场实际波形曲线，用波形畸变率测量仪测出电压波形正弦性畸变率Ku见表1。

图5

图6

2.2.2气隙长度按正弦规律变化

采用气隙长度按正弦规律变化的偏心圆弧形极靴，在磁极中心处气隙长度最小为δ，沿着磁极两边气隙长度按正弦规律变化，磁极两端气隙长度最大δmax，转子磁极极靴表面到电枢表面之间的气隙长度不均匀。

空载气隙磁场分布；

空载气隙磁场基波幅值；

把（4）代入（3）可以求出；

当极弧系数αp选0.64和0.81时，磁极两端气隙长度分别为δmax=1.45δ和δmax= 1.48δ。此时非均匀气隙中正弦规律变化的磁感应B（x）波形如图7所示。一台2极、3kW稀土永磁发电机样机的磁极极靴表面结构与图5所示相似，磁极表面不带有软铁，利用示波器测出极弧系数αp为0.81时的空载气隙磁场实际波形曲线如图8所示，用波形畸变率测量仪测出电压波形正弦性畸变率Ku见表1。

图7

图8

表1 2极3kW稀土永磁发电机样机实测数据表

2.3 不同设计方案性能分析

从不同设计方案样机的实测空载气隙磁场的波形图和实测数据表可以看出，稀土永磁发电机的空载气隙磁场的波形、电压波形正弦性畸变率以及稳态电压调整率都受到磁极极靴形状和极弧系数的影响。可以得出：

2.3.1当磁极极靴形状一样时，极弧系数αp为0.81时电压波形正弦性畸变率和稳态电压调整率比极弧系数αp为0.64时小；

2.3.2当极弧系数αp为一样时，非均匀气隙时的电压波形正弦性畸变率和稳态电压调整率比均匀气隙时小，表明非均匀气隙的磁极极靴形状优于均匀气隙的磁极极靴形状；

2.3.3当气隙长度比系数 δmax/δ一样时，非均匀气隙的磁极极靴存在选取最佳的极弧系数的问题，比较电压波形正弦性畸变率和稳态电压调整率，由表1可知，气隙长度按公式（6）规律变化的样机与偏心圆弧形极靴比较接近。

3 结束语

本文结合典型规格的稀土永磁凸极同步发电机样机的实测空载气隙磁场的波形和实测数据，来阐述稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计，对空载气隙磁场的波形、电压波形正弦性畸变率以及稳态电压调整率的影响，由于永磁体励磁与电励磁的不同，决定了气隙磁场性质的不同，使得稀土永磁凸极同步发电机与电励磁凸极同步发电机的极靴形状设计存在着异同点，探讨稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的优化设计，选择最佳系数，力求达到稀土永磁凸极同步发电机气隙分布最接近于正弦波形，有利于减小谐波分量，减小电压波形正弦性畸变率，以改善永磁发电机的电压波形。

[1] 唐任远.现代永磁电机理论于设计[M]. 北京:机械工业出版社,1997.

[2] 陈俊峰.永磁电机[M].北京:机械工业出版社,1983.

[3] 汤薀璆.电机内的电磁场（第二版）[M].北京，科学出版社,1998.

[4] 胡之光.电机电磁场的分析与计算[M].北京:机械工业出版社,1989.

[5] 章名涛,肖如鸿.电机的电磁场[M]. 北京:机械工业出版社,1988.