永磁体厚度增大对于降低直驱永磁汽油发电机的电枢电流、提高其功率因数和效率是有利的。但是永磁体的重量与永磁体厚度成正比例增加的,而永磁材料又是所有电机电磁材料中单价贵的,因此势必会增加电机的成本;另外随着永磁体厚度的增加,电机的端电压也不断增加,但是发电机的端电压不能超过直流母线电压}dc的值。因此在实际设计中应综合考虑电机性能、成本以及系统对电机的约束等各方面的因素来优选永磁体厚度。
发电机定子绕组匝数少时,虽然电机的过载能力加强,但是电机端电压会降低,造成直流母线电压利用率下降,并且电流会上升,可能会对功率器件造成危害;定子绕组匝数多时,定子电流会下降,但是发电机的极限电磁功率也会降低,可能造成电机不能输出额定功率,同时发电机的端电压也会上升,也会电机的绝缘及对功率器件造成危害。因此,选择直驱永磁汽油发电机匝数时,应充分考虑与电机其它设计参数的匹配,使直驱永磁发电机的综合性能得到优化。
直驱永磁汽油发电机具有转速低、体积庞大的特点,因此其设计参数具有较大的选择空间,因此参数分析对直驱永磁汽油发电机而言尤为重要。以直驱永磁汽油发电机的极数、极槽配合数、永磁体厚度和极弧系数、定子绕组匝数等为对象,详细分析了参数变化时,直驱永磁汽油发电机的性能和体积的变化规律,为后续对直驱永磁汽油发电机优化设计奠定基础。
齿槽转矩是永磁电机的固有特性,对于直驱永磁汽油发电机而言,齿槽转矩增大了发电机的起动转矩,使得切入提高,不利于发电机的运行和能量捕获。从直驱永磁汽油发电机齿槽转矩产生的机理、与电机参数的关系以及削弱方法等方面进行阐述。
三、
1永磁电机齿槽转矩产生机理
齿槽转矩是由电机因本身的物理结构而产生的。在永磁电机的运行中,齿槽转矩会引起电机输出转矩的脉动,带来振动和噪声。永磁电机中的永磁体与对面的齿槽结构存在相互作用的切向力。这种作用力产生的转矩试图使电机的永磁磁极与齿槽保持对齐。这个转矩就是齿槽转矩,即使在绕组不通电的情况下也会存在。当电机转子转动时,与永磁体极弧部分相对应位置的电枢齿与永磁体间的磁导基本不变,因此这些电枢齿周围的磁场也基本不变,而与永磁体两个侧面对应的一个或两个电枢齿所在的一小段区域内,磁导变化较大,会引起磁场储存能量的变化,因而产生齿槽转矩
2永磁电机齿槽转矩削弱原理
当定转子相对运动时,与永磁体极弧部分相对的电枢齿与永磁体间的磁导是基本没有变化的,而因此,电枢齿周围的磁场也基本保持不变,而永磁体两端侧面对应的电枢齿区域的磁导是变化的,从而会引起电机磁场储能的变化,产生齿槽转矩。因此,齿槽转矩可以定义为电机电枢绕组不通电时,电机磁场能量可以表示为
当磁极偏移,永磁体所产生齿槽转矩的相位将产生偏移。同理,将基本齿槽单元进行偏移,可以使其所产生的基本齿槽转矩的相位产生偏移。若以几个相邻的基本齿槽单元为一个消除组,通过偏移消除组内的每个基本齿槽单元的位置,使得该消除组的合成齿槽转矩某次谐波为零,则可消除电机总的齿槽转矩中的该次谐波。
从直驱永磁汽油发电机的运行原理、设计模型、参数化分析以及设计方法等几方面进行了阐述,将上述理论和方法结合起来进行2MW直驱永磁汽油发电机的设计,并对设计结果通过仿真和试验结果进行验证。