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摘要：为研究大功率永磁同步发电机电压调整率的降低措施，采用场路结合法进行定性研究，然后通过有限元法进行定量研究。首先定性分析永磁同步发电机的电压调整率，然后定量分析发电机的气隙长度、定子槽型、铁心长度等参数，最后通过多参数优化永磁同步发电机电压调整率与之前的仿真比较，证实多参数优化的正确性。
关键词：永磁同步发电机；电压调整率；多参数
中图分类号：TM313文献标识码：A
Abstract：In order to reduce the voltage regulation rate of high power permanent magnet synchronous generator， the qualitative research was carried out by means of field circuit combination method， and then the quantitative analysis was carried out by the finite element method. The permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was qualitatively analyzed， and the generator air gap length， slot type， core length and other parameters were quantatively analyzed， and the multi parameter optimization simulation of permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was compared with the previous ones， which confirmed the correctness of the multi parameter optimization.
Key words：permanent magnet synchronous generator；voltage regulation rate；multi parameter
1引言
稀土永磁同步发电机不仅省去励磁绕组、集电环和电刷，结构更加简单运行可靠，同时稀土永磁使得气隙磁密增大，显著缩小了电机的体积提高了功率与发电质量。但由于发电机制成后磁场难以调节使得永磁同步发电机的应用受到限制。通过降低永磁同步发电机的电压调整率可提高发电机的性能，减轻对用电设备的影响，扩大应用范围[1-2]。文献[3-5]对永磁同步发电机的电压调整率进行了定性分析。文献[6]针对前文的定性分析，对降低永磁同步发电机的电压调整率进行了定量研究。
本文通过对一台大功率永磁同步发电机的电压调整率进行定量研究，通过多参数优化设计，达到降低发电机电压调整率的目的。
2永磁同步发电机的电压调整率
永磁同步发电机的固有电压调整率ΔU是其重要性能指标之一，是指在负载变化而转速保持不变的情况下的输出电压的变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。其表达式如式（1）所示[1]：
ΔU=E0-U/UN×100% （1）
其中E0为空载反电动势，U为输出电压，UN为额定电压。
铁心长度增加，定、转子、永磁体以及铜的用量均增加，电压调整率也随之增加，铁心长度每增加5 mm，电压调整率平均增加0.6%。
3.4每相串联匝数的影响
电枢绕组每相的串联匝数N与空载反电动势、额定负载时的直轴电动势、直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗均成正比关系。且每相串联匝数减小时，空载反电动势的变化要小于交轴电枢反应电抗。样机取值为14，且由于样机是采用双层绕组，因此取间隔点值2，采样结果如下。
从上表可以看出，永磁体矫顽磁力对电机电压调整率影响，随着矫顽磁力的增加，发电机的电压调整率呈上升趋势，矫顽磁力每改变10 kA·m-1，电压调整率平均改变0.077%。
4多参数优化电压调整率
通过前文单一参数的定量分析可以看出，各变量对本设计样机均有一定影响，但通过仿真表明绕组每相匝数在低于或高于14时，发电机的输出电压过低、电压调整率过高，不符合优化因此每相串联匝数在本优化中影响可忽略不计。
由于永磁同步电机结构中，上述各参数相互之间均存在一定的联系与影响，因此综合各参数对电压调整率进行优化有一定的可行性。
4.1定子槽整体优化
由上文结论可知，当槽口宽度增大，电压调整率降低，当槽口宽度达到4.2 mm时，电压调整率降到7.76，而从实验表明，当槽口宽度仍持续下降，电机仿真结果出现一定的错误，因此初步取槽口宽度4.2 mm；表4为定子槽深实验结果，从结果可以看出，随着槽深加深，电压调整率变大，而实验表明，当定子槽深小于22时，电机仿真结果出现误差，因此取槽深22定值模拟。
综合上述两表对比分析看出，电压调整率随着参数的改变有一定的变值，在槽口宽为4.2 mm、槽深为22 mm、槽身宽为8 mm时，电压调整率取到最小值6.56。
4.2气隙与矫顽磁力整体优化
根据上文对气隙与矫顽磁力的分析，考虑到发电机的性能需求、生产设计、机械加工工艺等方面，现在生产发电机的气隙长度一般在0.5～2.0 mm间取值，因此本文初步定值气隙长度为1.8 mm，对比定值1.5 mm。同时现代电机设计永磁体矫顽磁力常规选值为820 kA·m-1，因此初步定值矫顽磁力大小为790 kA·m-1，对比定值820 kA·m-1。 4.2.1气隙长度的确认
在初步确定气隙长度与永磁体矫顽磁力时，比较分析不同永磁体厚度的影响如下表。
通过Ansoft Maxwell 14软件仿真计算，得多参数优化后的永磁同步发电机电压调整率为4.89%，较之前的样机7.86%相比，电压调整率达到进一步优化，并优化程度超过改变单一参数调整的电压调整率。
5结语
本文通过Ansoft Maxwell 14软件对一台320kW的大功率永磁同步发电机电压调整率进行分析研究，提出了多参数优化电压调整率的方法，同时计算分析表明，多参数优化电压调整率比单一参数调节的方法更加有效，能够大大降低永磁同步发电机的电压调整率。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]孟明， 许镇琳， 王家军. 内置式永磁同步发电机的低电压调整特性[J]. 电工技术学报， 2004， 19（2）：15-19.
[4]孟明， 许镇琳， 王家军. 内埋式永磁交流发电机低电压调整率的条件分析[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版， 2004， 37（6）：531-534.
[5]孟明， 许镇琳. 低电压调整率交流永磁发电机的设计[J]. 电工电能新技术， 2004， 23（3）：47-50.
[6]郭兵， 冷政， 杨仲源. 永磁电机固有电压调整率降低措施的定量研究[J]. 电机与控制应用， 2012， 39（8）：16-19.
[7]邓秋玲， 黄守道， 肖锋. 表面插入式永磁同步发电机低电压调整特性[J]. 防爆电机， 2008， 43（6）：6-9.
[8]陈尔奎， 包日南， 颜景浩，等. 永磁发电机电压调整率降低方法的研究[J]. 微电机， 2013， 46（12）：17-20.
[9]康华. 基于有限元法永磁同步发电机电压调整率的计算分析[J]. 船电技术， 2014， 34（5）：66-69.
[10]OVACIK L， BILGIN B. Developments in voltage regulation of variablespeed PM synchronous alternators in automotive electric systems[C]// Applied Electronics （AE）， 2011 International Conference on. IEEE， 2011：1 - 6.
[11]CHAU K T，CHAN C C. Emerging EnergyEfficient Technologies for Hybrid Electric Vehicles[J]. Proceedings of the IEEE， 2007， 95（4）：821-835.
关键词：永磁同步发电机；电压调整率；多参数
中图分类号：TM313文献标识码：A
Abstract：In order to reduce the voltage regulation rate of high power permanent magnet synchronous generator， the qualitative research was carried out by means of field circuit combination method， and then the quantitative analysis was carried out by the finite element method. The permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was qualitatively analyzed， and the generator air gap length， slot type， core length and other parameters were quantatively analyzed， and the multi parameter optimization simulation of permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was compared with the previous ones， which confirmed the correctness of the multi parameter optimization.
Key words：permanent magnet synchronous generator；voltage regulation rate；multi parameter
1引言
稀土永磁同步发电机不仅省去励磁绕组、集电环和电刷，结构更加简单运行可靠，同时稀土永磁使得气隙磁密增大，显著缩小了电机的体积提高了功率与发电质量。但由于发电机制成后磁场难以调节使得永磁同步发电机的应用受到限制。通过降低永磁同步发电机的电压调整率可提高发电机的性能，减轻对用电设备的影响，扩大应用范围[1-2]。文献[3-5]对永磁同步发电机的电压调整率进行了定性分析。文献[6]针对前文的定性分析，对降低永磁同步发电机的电压调整率进行了定量研究。
本文通过对一台大功率永磁同步发电机的电压调整率进行定量研究，通过多参数优化设计，达到降低发电机电压调整率的目的。
2永磁同步发电机的电压调整率
永磁同步发电机的固有电压调整率ΔU是其重要性能指标之一，是指在负载变化而转速保持不变的情况下的输出电压的变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。其表达式如式（1）所示[1]：
ΔU=E0-U/UN×100% （1）
其中E0为空载反电动势，U为输出电压，UN为额定电压。
铁心长度增加，定、转子、永磁体以及铜的用量均增加，电压调整率也随之增加，铁心长度每增加5 mm，电压调整率平均增加0.6%。
3.4每相串联匝数的影响
电枢绕组每相的串联匝数N与空载反电动势、额定负载时的直轴电动势、直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗均成正比关系。且每相串联匝数减小时，空载反电动势的变化要小于交轴电枢反应电抗。样机取值为14，且由于样机是采用双层绕组，因此取间隔点值2，采样结果如下。
从上表可以看出，永磁体矫顽磁力对电机电压调整率影响，随着矫顽磁力的增加，发电机的电压调整率呈上升趋势，矫顽磁力每改变10 kA·m-1，电压调整率平均改变0.077%。
4多参数优化电压调整率
通过前文单一参数的定量分析可以看出，各变量对本设计样机均有一定影响，但通过仿真表明绕组每相匝数在低于或高于14时，发电机的输出电压过低、电压调整率过高，不符合优化因此每相串联匝数在本优化中影响可忽略不计。
由于永磁同步电机结构中，上述各参数相互之间均存在一定的联系与影响，因此综合各参数对电压调整率进行优化有一定的可行性。
4.1定子槽整体优化
由上文结论可知，当槽口宽度增大，电压调整率降低，当槽口宽度达到4.2 mm时，电压调整率降到7.76，而从实验表明，当槽口宽度仍持续下降，电机仿真结果出现一定的错误，因此初步取槽口宽度4.2 mm；表4为定子槽深实验结果，从结果可以看出，随着槽深加深，电压调整率变大，而实验表明，当定子槽深小于22时，电机仿真结果出现误差，因此取槽深22定值模拟。
综合上述两表对比分析看出，电压调整率随着参数的改变有一定的变值，在槽口宽为4.2 mm、槽深为22 mm、槽身宽为8 mm时，电压调整率取到最小值6.56。
4.2气隙与矫顽磁力整体优化
根据上文对气隙与矫顽磁力的分析，考虑到发电机的性能需求、生产设计、机械加工工艺等方面，现在生产发电机的气隙长度一般在0.5～2.0 mm间取值，因此本文初步定值气隙长度为1.8 mm，对比定值1.5 mm。同时现代电机设计永磁体矫顽磁力常规选值为820 kA·m-1，因此初步定值矫顽磁力大小为790 kA·m-1，对比定值820 kA·m-1。 4.2.1气隙长度的确认
在初步确定气隙长度与永磁体矫顽磁力时，比较分析不同永磁体厚度的影响如下表。
通过Ansoft Maxwell 14软件仿真计算，得多参数优化后的永磁同步发电机电压调整率为4.89%，较之前的样机7.86%相比，电压调整率达到进一步优化，并优化程度超过改变单一参数调整的电压调整率。
5结语
本文通过Ansoft Maxwell 14软件对一台320kW的大功率永磁同步发电机电压调整率进行分析研究，提出了多参数优化电压调整率的方法，同时计算分析表明，多参数优化电压调整率比单一参数调节的方法更加有效，能够大大降低永磁同步发电机的电压调整率。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]孟明， 许镇琳， 王家军. 内置式永磁同步发电机的低电压调整特性[J]. 电工技术学报， 2004， 19（2）：15-19.
[4]孟明， 许镇琳， 王家军. 内埋式永磁交流发电机低电压调整率的条件分析[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版， 2004， 37（6）：531-534.
[5]孟明， 许镇琳. 低电压调整率交流永磁发电机的设计[J]. 电工电能新技术， 2004， 23（3）：47-50.
[6]郭兵， 冷政， 杨仲源. 永磁电机固有电压调整率降低措施的定量研究[J]. 电机与控制应用， 2012， 39（8）：16-19.
[7]邓秋玲， 黄守道， 肖锋. 表面插入式永磁同步发电机低电压调整特性[J]. 防爆电机， 2008， 43（6）：6-9.
[8]陈尔奎， 包日南， 颜景浩，等. 永磁发电机电压调整率降低方法的研究[J]. 微电机， 2013， 46（12）：17-20.
[9]康华. 基于有限元法永磁同步发电机电压调整率的计算分析[J]. 船电技术， 2014， 34（5）：66-69.
[10]OVACIK L， BILGIN B. Developments in voltage regulation of variablespeed PM synchronous alternators in automotive electric systems[C]// Applied Electronics （AE）， 2011 International Conference on. IEEE， 2011：1 - 6.
[11]CHAU K T，CHAN C C. Emerging EnergyEfficient Technologies for Hybrid Electric Vehicles[J]. Proceedings of the IEEE， 2007， 95（4）：821-835.