一、授課背景

      發(fā)電機作為一種將機械能轉化為電能的設備，廣泛應用于電力工業(yè)、交通運輸、建筑工業(yè)、通信工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等領域，為社會的發(fā)展和人們的生活提供重要的電力支持。發(fā)電機在現(xiàn)代社會中具有不可替代的重要性。它不僅是能源供應的核心設備，也是促進經(jīng)濟發(fā)展、保障社會穩(wěn)定、提升生活品質(zhì)、推動能源轉型、促進技術創(chuàng)新的關鍵因素。

      隨著科技的不斷進步，發(fā)電機設計技術日益復雜化、精細化，仿真技術在發(fā)電機設計與優(yōu)化過程中的作用愈發(fā)凸顯。通過發(fā)電機仿真，可以精確地模擬發(fā)電機在各種工況下的運行情況，包括正常運行、故障狀態(tài)以及不同負載條件下的表現(xiàn)。這種精確的模擬有助于工程師深入評估發(fā)電機的性能，包括效率、波形畸變率、電壓調(diào)整率、短路比等關鍵指標。通過仿真分析，可以優(yōu)化發(fā)電機的設計參數(shù)，提高其整體性能。

      因此，開展一次全面而深入的發(fā)電機設計與仿真培訓，對于提升設計人員專業(yè)能力、推動發(fā)電機技術創(chuàng)新具有重要意義。鑒于此，本次“現(xiàn)代發(fā)電機設計與仿真研修班”旨在通過系統(tǒng)化的教學，幫助學員掌握各類發(fā)電機的設計與仿真，從設計原理到優(yōu)化思路，從軟件操作到實際案例分析，全面提升學員的設計能力和解決實際問題的能力。

二、培訓對象及收益培訓對象：1.發(fā)電機企業(yè)從事研發(fā)、設計的技術人員2.整機企業(yè)從事發(fā)電機方向的技術人員3.有志于從事發(fā)電機設計的電動機技術人員4.課題研究方向為電機本體的高校大學生、研究生、老師5.對發(fā)電機技術感興趣的其他人員  培訓收益：1.知識更新：了解發(fā)電機領域的最新技術進展與行業(yè)動態(tài)。2.技能提升：掌握發(fā)電機設計工作流程、模型建立、材料設置、邊界條件和激勵設置等核心技能。3.案例分析：通過實際案例分析，增強對設計難點與解決方案的理解。4.優(yōu)化設計：學習優(yōu)化思路與方法，提升發(fā)電機性能與效率。5.擴展視野：拓寬專業(yè)視野，為職業(yè)生涯發(fā)展打下堅實基礎。通過本次培訓，學員將掌握各類發(fā)電機設計及仿真技術，增強自身核心競爭力，為未來的職業(yè)發(fā)展注入強勁動力。

三、課程大綱

四、授課老師

婁振袖 博士

杭州正弦電機科技有限公司技術總監(jiān)。2012年畢業(yè)于華中科技大學電機與電器專業(yè)，獲工學博士學位。獲得2013年度國家自然科學基金，曾在多家國內(nèi)知名電機企業(yè)擔任副總工程師、總工程師。以第一作者身份在IEEE Trans.、《微特電機》等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文4篇。主持研制了我國首艘基于直流組網(wǎng)電力推進技術的“沈括號”科考船用大功率低轉速永磁推進電動機。主持研發(fā)了百余款高性能電機產(chǎn)品，部分已經(jīng)大批量生產(chǎn)。擅長各類電機電磁、熱設計和振動噪聲分析。

五、課程費用及安排1.標準費用：4980元/人/3天，含學費、專業(yè)培訓教材、證書費。食宿可統(tǒng)一安排，費用自理。2.培訓時間：2024年9月21/22/23日（授課三天，可提前一天報到）3.培訓地點：杭州（具體地點會提前一周通知） 招生達20人開課4.報名方式：掃描下方二維碼進行預報名，提交報名信息后電機空間工作人員會通過報名手機聯(lián)系您

六、增值服務1.前20位報名付款享9折優(yōu)惠，前50位報名付款享9.5折優(yōu)惠。。2.全日制在校學生憑學生證享5折優(yōu)惠。3.參培學員培訓后皆可領價值298元的電機空間線上課程1份（有效期90天）。4.每期培訓除課上答疑以外，建立專屬培訓群供學員后續(xù)交流討論，后續(xù)講師以郵件和直播形式提供線上集中答疑服務。其他事宜咨詢亦可聯(lián)系課程助理黃老師：193 5755 6569（微信同號），歡迎大家踴躍報名！

電動機是將電能轉化為機械能的一種機械設備，而發(fā)電機正好相反，是將機械能轉化為電能。發(fā)電機按運行方式，分為并網(wǎng)運行和單機運行兩種。并網(wǎng)運行的發(fā)電機主要用于水電站、火電廠、核電站、風電場，功率普遍比較大，像水電站發(fā)電機最大單機功率可達100萬千瓦，也就是1000MW。單機運行的發(fā)電機主要用作移動電源，功率一般都比較小，像我們曾設計的用于冷鏈運輸?shù)陌l(fā)電機功率是20kW，船用軸帶發(fā)電機功率是2MW。有網(wǎng)友說，功率2MW已經(jīng)很大了，怎么能說它小？我們說，電機功率大小是相對的，相對于電動機而言，2MW算是很大的了，但是在發(fā)電機特別是大型發(fā)電機里面，2MW算是比較小的。

從電機設計角度來講，由于發(fā)電機和電動機關心的指標不一樣，所以設計特點也有所不同。由于電動機輸出功率指的是機械功率，所以電動機更關心與機械相關的指標，比如啟動轉矩，最大轉矩，轉矩脈動等指標。發(fā)電機就沒有或者說不提以上這幾個轉矩的概念，由于發(fā)電機輸出功率指的是電功率，所以發(fā)電機更關心與電相關的指標，比如空載電壓波形畸變率，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，瞬態(tài)電壓調(diào)整率等指標。當然，要降低電動機轉矩脈動所采取的技術措施，與降低發(fā)電機空載電壓波形畸變率所采取的技術措施可以是一樣的，比如都采用斜槽，之所以如此，是因為這兩個指標都與齒諧波有關。另外，發(fā)電機的功率因數(shù)屬于設計輸入，而電動機的功率因數(shù)則屬于設計輸出，這也是它們的重要區(qū)別之一。由于發(fā)電機容量比較大，根據(jù)電機效率正比于單機容量這一原理，所以發(fā)電機效率要求會更高。我們曾設計過一款12.5MW同步發(fā)電機，效率要求是不低于98.5%，這對電動機是不可想象的。?? ?

大多數(shù)發(fā)電機都是以發(fā)出有功功率為主，所以功率因數(shù)一般都是0.8或者0.9，但是有一種發(fā)電機是專門用于發(fā)無功的，功率因數(shù)為0，這種發(fā)電機叫調(diào)相機。我們曾設計過一款50MVar，10.5kV，3000r/min的新能源電站用分布式調(diào)相機，主要解決新能源電站電壓不穩(wěn)定，電力送不出去的問題。調(diào)相機和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機設計有較大不同，主要在于短路比一定要高，以保證有較深的進相能力。同時瞬態(tài)參數(shù)和電時間常數(shù)要盡可能小，以保證較快的動態(tài)響應速度，另外，調(diào)相機損耗要盡可能小，以保證較高的運行效率。

原則上講，任何一臺電機既可以作為發(fā)電機運行，又可以作為電動機運行，這就是所謂的電機可逆原理。電機可逆原理從底層邏輯上闡明了，發(fā)電機和電動機不應視為兩種截然不同的電機，而只是同一電機的兩種不同運行方式。

但是將一臺電機從一種運行方式切換到另一種運行方式，往往是需要一定前提條件或者說需要付出一定代價的。以異步電機為例，作為電動機運行很容易，直接接電網(wǎng)上就可以轉。但作為發(fā)電機，如果直接拿原動機拖異步電機，是沒法發(fā)電的，因為沒有勵磁。所以異步電機要作為發(fā)電機運行，還需要額外勵磁，比如由電網(wǎng)勵磁或用電力電容器自行勵磁，前者適用于并網(wǎng)運行，后者適用于單機運行。

再說永磁同步電機。作為發(fā)電機運行很容易，直接拿原動機拖永磁同步電機就可以發(fā)電，但是作為電動機運行，直接接電網(wǎng)上永磁同步電機是轉不起來的。需要額外購置變頻器或者在轉子上設計專門的起動籠來解決永磁同步電機的起動問題，這需要增加成本。對于利用變頻器完成起動的永磁同步電機，一旦電機起動完成，如果不需要調(diào)速運行，為了省電，可以將變頻器切除，將電機切換到電網(wǎng)模式運行。對于利用轉子起動籠完成起動的永磁同步電機，一旦電機起動完成，起動籠完成了它的使命，起動籠中就基本沒有電流了。?? ?

大型發(fā)電機有汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機兩種，其中前者用于火電廠和核電站發(fā)電，后者用于水電站發(fā)電，本文不作詳細闡述。本文主要介紹常見的中小型發(fā)電機，包括無刷勵磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機，有刷雙饋異步發(fā)電機和籠型異步發(fā)電機等。

無刷勵磁同步發(fā)電機由副勵磁機、勵磁機和主發(fā)電機等三臺電機共同組成，并且三臺電機的轉子是同軸旋轉的。其中副勵磁機為永磁同步發(fā)電機，勵磁機為旋轉電樞式同步發(fā)電機，主發(fā)電機為常規(guī)的旋轉磁極式同步發(fā)電機。無刷勵磁同步發(fā)電機工作原理是，當原動機拖動轉子旋轉后，由副勵磁機定子直接發(fā)出交流電壓經(jīng)過外部整流后形成直流電壓。該直流電壓接到勵磁機的定子上，勵磁機的定子形成恒定磁場，勵磁機的轉子線圈切割磁力線產(chǎn)生交流電壓再經(jīng)過在主軸上的旋轉二極管整流成直流電壓后接到主發(fā)電機的轉子線圈上，主發(fā)電機轉子形成磁場，主發(fā)電機定子切割磁力線得到發(fā)電電壓。也有的無刷勵磁同步發(fā)電機沒有副勵磁機，僅由勵磁機和主發(fā)電機兩部分組成，此時勵磁機定子電壓由主發(fā)電機的剩磁電壓經(jīng)整流后提供。無刷勵磁同步發(fā)電機主要用于各種船用、陸用電站電源，以及核電站中的應急發(fā)電機組。?? ?

永磁同步發(fā)電機轉子結構為表貼式或者內(nèi)置式，其中表貼式結構更適合于低速和高速運行，內(nèi)置式結構更適合于中速運行。永磁同步發(fā)電機具有結構簡單、可靠性高、效率高、適合直驅(qū)等優(yōu)點，但也有成本高、無法通過調(diào)節(jié)勵磁來實現(xiàn)恒壓等缺點，主要用于風力發(fā)電、無刷勵磁同步發(fā)電機的副勵磁機以及航空航天高速發(fā)電機等場合。針對永磁同步電機無法通過調(diào)節(jié)勵磁來實現(xiàn)恒壓的缺點，可以采用混合勵磁（即電勵磁+永磁體勵磁）結構的發(fā)電機或者外接全功率變流器來解決，前者結構比較復雜，后者成本比較高。?? ?

有刷雙饋異步發(fā)電機是一種繞線式感應發(fā)電機，即定子、轉子都有三相對稱的繞組。所謂有刷，指的是感應發(fā)電機轉子上存在電刷-滑環(huán)。所謂雙饋，指的是感應發(fā)電機的定子、轉子能同時向電網(wǎng)發(fā)出電能，其中定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉子繞組通過電刷-滑環(huán)經(jīng)變流器與電網(wǎng)連接。當發(fā)電機轉速變化時，通過變流器控制轉子電流的頻率，可以確保定子的輸出始終是恒頻恒壓的交流電。由于上述特點，發(fā)電機工作轉速可以是亞同步，同步或超同步。由于流過轉子繞組中的功率為轉差功率，一般只有發(fā)電機容量的1/4～1/3，因而變流器的最大容量也僅為發(fā)電機容量的1/4～1/3，這樣“雙饋異步發(fā)電機+轉差功率的變流器”的總體配置費用與“永磁同步發(fā)電機+全功率變流器”組合相比，就明顯降低。雙饋異步發(fā)電機的主要優(yōu)點是適合于變速恒頻運行，并且成本也較低；缺點是需要安裝電刷-滑環(huán)，故障率較高，必須定期維護、檢修和更換，另外效率也較低。雙饋異步發(fā)電機主要用于風力發(fā)電和水力發(fā)電。?? ?

籠型異步發(fā)電機轉子為封閉式鼠籠結構，不需要電刷-滑環(huán)，因而結構簡單、可靠性高。由于籠型異步發(fā)電機轉子上沒有像電勵磁同步發(fā)電機或者雙饋異步發(fā)電機一樣的專門勵磁繞組，因而需要從外部（如電網(wǎng)或者電容器）獲取勵磁。由于籠型異步發(fā)電機工作轉速只能是超同步，為實現(xiàn)大范圍變速恒頻發(fā)電，因此定子需要接全功率變流器，變流器成本高于雙饋變流器?；\型異步發(fā)電機主要適用于對可靠性要求特別高的場合，比如海上風力發(fā)電等。

關于發(fā)電機就先介紹這么多內(nèi)容，如果大家還有什么需要了解的，歡迎在評論區(qū)給我們留言。

1.?隔磁橋的參數(shù)

     隔磁橋主要受三個參數(shù)約束，分別是：初始位置，寬度和厚度。隔磁橋的初始位置會影響主磁場在機械圓周上所占的機械角度，本文中用θB表示，如圖1a所示。寬度和厚度則是隔磁橋的實際尺寸，會影響漏磁通以及轉子鐵心的機械強度，分別用Bw和dh來表示，如圖1b所示。因此，以上三個參數(shù)必須仔細設計，以保證優(yōu)良的電磁性能和安全的機械強度。

2.?設計思路

     對這三個參數(shù)進行優(yōu)化即可降低電機的轉矩脈動，提高轉矩性能。文獻[1]針對4極48槽電機，通過窮舉法來實現(xiàn)這一目標。電機的參數(shù)如表1所示。

表1

設計思路如下：1）根據(jù)永磁體的尺寸和轉子外徑的幾何約束，給出隔磁橋三個約束的備選尺寸，如圖2所示。2）將三個約束參數(shù)的三個尺寸排列組合，共有3³個方案，并對每個方案編號。值得注意的是，方案總數(shù)與每個參數(shù)的備選尺寸數(shù)有關，備選尺寸越多，總方案數(shù)越大。3）對上述27個方案依次仿真，選出最佳方案。

3.?設計結果

  27個方案的仿真結果如表2所示。從表2中可以看出，方案9的轉矩波動最大，而方案7的轉矩波動最小，最終選擇方案7為最終隔磁橋的尺寸。此外，仔細觀察還能發(fā)現(xiàn)，轉矩波動小于20%的方案有三個，分別是方案7，方案16和方案25。而他們的共同點是均采用θB1和Bw3，但他們的電磁轉矩卻隨著厚度的增加而減小。

表2

4.?隔磁橋開輔助槽

隔磁橋開輔助槽能進一步降低電機的轉矩波動。對方案7的隔磁橋添加輔助槽，輔助槽分別采用矩形槽和橢圓槽，如圖3所示。兩種槽的寬度和深度一致，只有槽型不同，如圖4所示。  

輔助槽的尺寸同樣需要優(yōu)化，仍采用窮舉法來實現(xiàn)，每個尺寸三個備選尺寸，共有3²個方案。此外，為比較不同方案的優(yōu)化效果，引入?yún)?shù)k_te來衡量各方案優(yōu)化結果。

各方案優(yōu)化結果如表3所示。

表3

從表3中可以看出，矩形槽中，方案6的k_te值最大。橢圓槽中，方案8的k_te值最大。將優(yōu)化前后的方案進行對比，輸出轉矩波形如圖5所示。

仿真結果表明，隔磁橋開輔助槽不僅能降低電機的轉矩波動，還能提高電機的輸出轉矩。 

總結：本文根據(jù)文獻[1]，介紹了內(nèi)置式永磁電機隔磁橋的優(yōu)化設計方法，為電機設計人員提供參考。

參考文獻 [1] C. -H. Song, D. -H. Kim and K. -C. Kim. Design of a Novel IPMSM Bridge for Torque Ripple Reduction. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 57, no. 2, pp. 1-4, Feb. 2021.

添加微信好友19357556569或識別文末二維碼，聯(lián)系小編獲取文中所述文獻[1]。