一种永磁同步发电机转子结构选择和参数确定方法

摘要

本发明涉及一种永磁同步发电机转子结构选择和参数确定方法，包括：确定所设计的发电机基本结构，确定发电机的电机基本尺寸及额定功率，额定电压，额定转速和功率因数等重要参数；确定在制造电机过程中所需要的永磁体材料总体积，用总体积除以磁极极数，得出每个磁极所需要的永磁体材料体积；基于常见的永磁发电机转子模型，确定和计算各个转子结构中永磁体的具体形状和尺寸；分别建立对应的电磁模型，并比较四种永磁发电机的输出性能，从而选定最优的结构，采用该转子结构设计电机。本发明给出的设计方案能够提高永磁体材料在永磁电机中的利用率。

说明书

所属技术领域

本发明属于电机设计领域，涉及一种永磁同步发电机的设计方法。

背景技术

随着新材料的不断开发和利用，永磁材料成为当今工程研究的新宠，近年来被不断开发和利用。在电 气工程领域，永磁电机的研究也在不断深入。和传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有结构简单、 运行可靠、体积小、质量轻、损耗小和效率高等诸多优点，其应用范围正在逐步的扩大。永磁同步电机的 转子结构有许多种，在设计电机的过程中，各式各样的转子结构设计案也不断被提出。常见的永磁同步电 机的转子结构有内嵌式转子结构，切向式转子结构，外贴式转子结构和凸极转子结构等。不同结构各有特 点和优缺点，根据运行条件和环境可适用于不同场合。永磁体制造成本高，稀土永磁材料开采量有限，从 永磁同步电机节省永磁体的材料和制造成本这方面来看，提出一种较为简单可行的转子结构选择方案是该 领域目前急需解决的关键问题之一。

发明内容

本发明旨在提出一种以节省永磁体成本为目标，确定和选择永磁同步发电机转子结构的设计方案，以 提高永磁体材料在永磁电机中的利用率。

一种永磁同步发电机转子结构选择和参数确定方法，包括下列步骤：

第一步：确定所设计的发电机基本结构，根据发电机所适用的场合确定发电机的极对数，定子槽数， 极弧系数，气隙宽度，铁心长度等电机基本尺寸。同时根据发电机技术要求确定所设计的发电机额定功率， 额定电压，额定转速和功率因数等重要参数。

第二步：确定在制造电机过程中所需要的永磁体材料总体积，用总体积除以磁极极数，得出每个磁极 所需要的永磁体材料体积。

第三步：基于四种最常见的永磁发电机转子模型，即内嵌式，切向式，表贴式和凸极式，描绘出每种 模型对应的平面几何模型，再用数学中解析几何的方法，根据给定的永磁体体积和机械极弧系数确定和计 算各个转子结构中永磁体的具体形状和尺寸。

第四步：根据计算出的各个转子结构中永磁体的具体形状和尺寸分别建立对应的四种电磁模型，并比 较四种永磁发电机的输出性能，即比较包括输出功率、输出电压、效率在内的关键性能指标，判断在使用 相同体积永磁体材料的前提下，究竟采用哪一种结构，即采用哪种永磁体形状和布置方式所制造出来的发 电机其输出性能最优，得出结论后，采用该转子结构设计电机。

作为优选实施方式，上述技术方案提到的第三步：用数学中解析几何的方法，根据给定的永磁体体积 和机械极弧系数确定和计算各个转子结构中永磁体的具体形状和尺寸，对于内嵌式转子结构，计算出矩形 永磁体的切向长度和厚度以及嵌放的位置；对于切向式转子结构，计算出矩形永磁体的切向长度和厚度； 对于表贴式转子结构，确定瓦片形永磁体的弧度和厚度；对于凸极式转子结构，确定磁极的凸极弧形部分 对应的弧度以及非弧形部分即近似矩形部分的厚度。

本发明的有益效果如下：

1)该发明方案明确了常见的永磁同步发电机转子结构的计算方法，其数学解析推导过程和结论简化 了对应的电机设计过程。

2)该发明方案以节省永磁体材料为目标，故对永磁电机设计中节省永磁体材料成本有很大的帮助， 对国家的节能减排有贡献。

3)所设计电机可广泛应用于风力发电、波浪发电等应用领域，且所发明的设计方案对其他永磁电机 设计具有重要参考价值。

附图说明

图1是设计方案基本流程图。

图2是内嵌式转子的结构简图和简化数学模型，(a)为结构简图，(b)为简化数学模型。

图3是切向式转子的结构简图和简化数学模型，(a)为结构简图，(b)为简化数学模型。

图4是外贴式转子的结构简图和简化数学模型，(a)为结构简图，(b)为简化数学模型。

图5是凸极式转子的结构简图和简化数学模型，(a)为结构简图，(b)为简化数学模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

如图1，为了更加客观地比较各种转子结构永磁发电机的性能，设计前还要明确所设计的永磁同步发 电机的额定输出功率、额定电压、额定转速和功率因数等参数，并以此为设计要求开始进行下一步的设计。 本设计方案实施的前提首先是要保证所设计的这四种永磁同步发电机除了转子结构不同以外，其他部分都 相同，确保各个电机所耗用的永磁体量相等。同时，约束各电机的机械极弧系数相同，在此用ξ₁，ξ₂，ξ₃和ξ₄来表示四种电机的极弧系数，即有ξ₁＝ξ₂＝ξ₃＝ξ₄。同时规定电机铁芯计算长度也一致，则相同的永磁体 材料体积必将推出四种电机每块永磁体的横截面积大小也一致。永磁体的横截面积在此用S_PM表示，电机 转子外径用D_r表示，电机的极对数用字母p表示。接下来即进行四种常见永磁体转子结构的分析和计算， 通过解析法建立其简化数学模型以确定四种转子结构中永磁体的具体位置和尺寸。四种常见转子结构永磁 体的具体计算如下所述。

图2给出了内嵌式转子结构的结构简图和数学模型。

由图2可知，

${\xi }_1=\frac{{\alpha }_1}{{\beta }_1}---\left(1\right)$

α₁＝∠BOC                 (2)

${\beta }_1=\angle \mathrm{AOD}=\frac{\pi }{p}---\left(3\right)$

在图2中，B点和C点是永磁体径向侧边的中点，B'是永磁体与转子外径之间的交点。A和D是转子 外径上的两点，且弧AD对应着一个磁极。理想状态下，永磁体的配置应该紧邻转子外径，这样才能激发 最大的气隙磁密。由数学上解析几何的方法可以推导得到B'的坐标：

$B^{\prime }(\frac{l_1}{2\tan \frac{{\alpha }_1}{2}}+\frac{S_{\mathrm{PM}}}{{2l}_1},\frac{l_1}{2})---\left(4\right)$

又由于B'在⊙O₁上，故有

${(\frac{l_1}{2\tan \frac{{\alpha }_1}{2}}+\frac{S_{\mathrm{PM}}}{{2l}_1})}^2+{\left(\frac{l_1}{2}\right)}^2={\left(\frac{D_r}{2}\right)}^2---\left(5\right)$

${\alpha }_1=\frac{\pi }{p}\times {\xi }_1---\left(6\right)$

$d_1=\frac{S_{\mathrm{PM}}}{l_1}---\left(7\right)$

由式(5)～(7)，可以计算得到参数l₁和d₁，对应永磁体具体的形状也即确定。

图3给出了切向式转子结构的结构简图和数学模型。考虑到对于切向式来说，其等效的永磁体部分是 两相邻的转子磁极之间的那部分转子轭，所以，其机械极弧系数可以简单的定义为：

${\xi }_2=\frac{\mathrm{FG}}{\mathrm{EH}}---\left(8\right)$

其中E和H是永磁体切向方向边的中点，弧EH对应着一个等效的磁极。F和G是转子外径上的点， 其弧FG是相邻两磁极之间的转子轭部分对应的弧长。

永磁体的形状可以近似视为矩形，所以整个计算过程可以简化为如下公式：

$d_2\approx \frac{\pi }{p}\times (1-{\xi }_2)---\left(9\right)$

$l_2=\frac{S_{\mathrm{PM}}}{d_2}---\left(10\right)$

则l₂和d₂可以通过解方程(8)～(10)得到，对应永磁体具体的位置形状也可确定。

图4给出了外贴式转子结构的结构简图和数学模型。由图4可得到：

${\xi }_3=\frac{{\alpha }_3}{{\beta }_3}---\left(11\right)$

其中：

α₃＝∠JO₃K               (12)

β₃＝∠IO₃L               (13)

图中弧JK对应于瓦片式永磁体内侧的弧，弧MN对应永磁体外侧的弧，弧IL对应一个磁极。对于 扇形JO₃K和MO₃N来说，根据它们的面积S_MO3N和S_JO3K可以建立以下的方程：

$S_{M{O}_{3}N}=\frac{1}{2}\times \frac{\pi }{p}\times {\xi }_3\times {\left(\frac{D_r}{2}\right)}^2---\left(14\right)$

$S_{J{O}_{3}K}=\frac{1}{2}\times \frac{\pi }{p}\times {\xi }_3\times {(\frac{D_r}{2}-d_3)}^2---\left(15\right)$

$S_{{\mathrm{MO}}_{3}N}-S_{{\mathrm{JO}}_{3}K}=S_{\mathrm{PM}}---\left(16\right)$

由式(14)～(16)可以算出d₃的值，因此永磁体具体的形状和位置也随之确定。

图5给出了凸极式转子结构的结构简图和数学模型。

其中，弧QR是永磁体突出部分的弧线，弧PS是对应于一个磁极的弧线，易得到其机械极弧系数的 表达式为：

${\xi }_4=\frac{{\alpha }_4}{{\beta }_4}---\left(17\right)$

α₄＝∠QO₄R               (18)

β₄＝∠PO₄S               (19)

由几何关系可以得到：

$\tan \frac{{\alpha }_4}{2}=\frac{d_4}{l_4}---\left(20\right)$

$S_{\mathrm{PM}}=\frac{1}{2}\times {\alpha }_4\times {\left(\frac{D_r}{2}\right)}^2-\frac{1}{2}\times {\alpha }_4\times {\left(\frac{D_r-\sqrt{l_4^2+d_4^2}}{2}\right)}^2---\left(21\right)$

由方程(20)和(21)可以求得l₄和d₄的值，进而永磁体的形状和位置也就确定了。

由于上述分析和设计过程中规定永磁体体积相同，故根据有限元模型的建立和分析，以及对系统参数 输出功率、效率、输出电压等的比较，可进一步得出哪种结构的永磁体利用率最高，即得到了最节省永磁 体材料的电机设计方案。