交直流永磁同步发电机的设计与研究

舰船、飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立系统中有许多交直流电力并存的场合,需要实现发供电系统的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品质。常规的电励磁发电机因为带有电刷使供电系统的运行安全存在隐患,并且励磁机的使用增加了电机的体积和损耗。为使系统节能高效,本文设计并制作了应用于独立交直流电力系统的交直流永磁同步发电机。永磁电机定子上带有三套三相绕组,一套绕组用于提供交流电力,其余的两套绕组相位互差30度电角度,接整流器为直流负载供电。文中对电机的设计以及电机的基本性能进行探讨。为了减小永磁发电机的电压调整率,在电机的交轴与电机的永磁磁极尾部之间加一软磁材料,通过增加电机负载时的交轴电抗压降,来改善电机的电压调整率。 首先,针对永磁电机设计的特殊性,应用二维有限元法计算电机的电磁场以确定电机的主要尺寸,并讨论了不同软磁材料尺寸对电机的影响。文中还根据电磁场的计算结果,应用傅立叶级数计算了电机的空载感应电动势以用于预测电机的性能,使用能量摄动法计算了计及饱和、槽影响下的电机电感参数。考虑到永磁材料的温度性能问题,应用电磁场和温度场耦合的方式计算了电机稳态时的温度场。 然后,为了了解永磁同步发电机的主要电磁关系,研究了电机的数学模型,推导了考虑漏磁时具有三套互差一定电角度三相绕组的永磁发电机在dq0坐标系下的方程,可以看到,在dq0坐标系下电机的电感参数为常数。这样,利用这个特性,在对电机运行性能进行研究时,可以得到简化电磁方程。根据电机稳态运行时的方程,得到了电机的向量图。 因为带有多套绕组的永磁电机中含有较多的谐波,而采用dq0坐标系下的方程会忽略掉气隙磁场中的谐波分量,为了对电机的仿真更加精确,电机仿真时采用电机在ABC坐标系下的基本电磁方程。应用Matlab/SimPowerSystems中的模块搭建电机的仿真模型,永磁体的影响用感应电动势来表示。根据仿真结果与样机试验结果的比较发现,两者吻合良好。 另外,本文还设计了一台电励磁的交直流发电机,电磁设计结果表明,永磁电机在体积、重量、效率方面都很有优势。