新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機*

楊衛(wèi)平， 袁龍生， 趙朝會

(上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240)

0 引言

在能源短缺的今天，作為可再生能源的風(fēng)能成為研究熱點之一，風(fēng)力發(fā)電也引起了各國學(xué)者的不斷關(guān)注。

文獻［1］通過對幾種常見的永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(DDPMG)類型(徑向結(jié)構(gòu)發(fā)電機、軸向結(jié)構(gòu)發(fā)電機)的研究，設(shè)計了一臺具有輔助磁極的切向磁鋼直驅(qū)發(fā)電機［2］，該電機為切向結(jié)構(gòu)和徑向結(jié)構(gòu)的組合，減小了轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體的漏磁，提高了氣隙磁密;但電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵心損耗嚴(yán)重。文獻［3］介紹了一個軸向磁通永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，并優(yōu)化設(shè)計了100 kW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，但該電機的氣隙磁密較低，功率密度難以提高，導(dǎo)致材料利用率較低。文獻［4］介紹了10 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，雖然其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但電機定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力較大，使得電機的結(jié)構(gòu)重量大，要求電機有一定的結(jié)構(gòu)剛度。

為了解決傳統(tǒng)DDPMG結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重、鐵心損耗較大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力等問題，文獻［5］提出了一種定子無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，該電機重量得到了很大程度地減輕，但氣隙磁密相對較低，高功率密度難以滿足。

本文采用Ansoft軟件中的Maxwell2D平臺，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度，并對定、轉(zhuǎn)子分別為導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料三種組合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機進行了建模與仿真，分析比較了這三種發(fā)電機的優(yōu)、缺點;最后，為了降低永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、重量，并且保持較高的氣隙磁密，提出了永磁體采用Halbach陣列的新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及優(yōu)化

1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

圖1為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖，表1顯示了電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 電機的結(jié)構(gòu)圖

表1 電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機極數(shù)、磁鋼厚度和磁鋼寬度的確定

圖1所示的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，極數(shù)P與磁鋼寬度bm決定了電機極弧系數(shù)α的大小。在極距τ相同(即極數(shù)一定)時，磁鋼寬度bm窄，則極弧系數(shù)α就小，電機氣隙磁密Bδ相對就較低;磁鋼寬度bm寬，則極弧系數(shù)α就大，電機氣隙磁密Bδ就相對較高。但bm過寬時，將出現(xiàn)極間漏磁，使得Bδ增加不多。

1.2.1 極數(shù)的選擇

在磁鋼寬度bm=33 mm、極數(shù)不同時，極弧系數(shù)和氣隙磁密Bδ的變化情況，如表2所示。

由表2可以繪制出圖2所示在磁鋼厚度hm=12 mm和磁鋼寬度bm=33 mm時，電機極數(shù)P與氣隙磁密Bδ之間的關(guān)系曲線。

由圖2可看出:在磁鋼厚度、磁鋼寬度、氣隙一定的情況下，隨著極數(shù)的增加，氣隙磁密逐漸增大;但當(dāng)極數(shù)增大到50時，氣隙磁密的增加量明顯減小，原因是隨著極數(shù)的增加，電機極間漏磁增大，這一點可以從圖3看出，圖3所示為不同極弧系數(shù)下(即不同極數(shù))電機的磁力線分布。

表2 氣隙磁密Bδ隨極數(shù)的變化情況

圖2 極數(shù)P與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

圖3 不同極弧系數(shù)下電機的磁力線分布

由以上討論可知，為了保證永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機較高的氣隙磁密和較小的極間漏磁，選取電機的極數(shù)為50，即極弧系數(shù)為0.875。

1.2.2 磁鋼寬度的選擇

圖4為P=50、磁鋼厚度hm=12 mm的情況下，磁鋼寬度bm與電機氣隙磁密之間的關(guān)系。

由圖4可以看出:在極數(shù)P、磁鋼厚度、氣隙一定的情況下，隨著磁鋼寬度的逐漸增加，氣隙磁密逐漸增大，但當(dāng)磁鋼寬度增加到33 mm時，氣隙磁密的增加量減小，原因是極間漏磁的增加。因此，選取合適的磁鋼寬度為33 mm。

圖4 磁鋼寬度bm不同時，氣隙磁密Bδ的變化情況

1.2.3 磁鋼厚度hm的選擇

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機中，電機的磁動勢取決于磁鋼厚度hm:磁鋼厚度hm薄，電機中的磁勢就小，氣隙磁密較低;磁鋼厚度hm增厚，電機的氣隙磁密增大。但當(dāng)磁鋼厚度hm增加到一定程度時，氣隙磁密的增加量減小，而增加磁鋼厚度又會提高電機的制造成本，因此hm存在一個最優(yōu)值。

在P=50，磁鋼寬度bm=33 mm的情況下，磁鋼厚度hm與氣隙磁密之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 磁鋼厚度hm與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖5可看出:在極數(shù)、磁鋼寬度和氣隙一定的情況下，隨磁鋼厚度的增加，氣隙磁密逐漸增大，但當(dāng)磁鋼厚度大于12 mm后，氣隙磁密的增加量減小。因此，選取合適的磁鋼厚度為12 mm。

1.3 不同定、轉(zhuǎn)子材料的三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的對比分析

傳統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重、鐵心損耗大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力，使得電機高空安裝困難、電機軸承使用壽命短和發(fā)熱嚴(yán)重，這些缺點限制了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的推廣和應(yīng)用。為了解決以上問題，對比分析了以下三種不同定、轉(zhuǎn)子材料的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機在相同結(jié)構(gòu)尺寸下的氣隙磁密大小:(1)定子為非導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式;(2)定子為非導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子也為非導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式;(3)定子為導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子也為導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式。

比較時電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:P=50，磁鋼厚度hm=12 mm，磁鋼寬度bm=33 mm，通過改變定、轉(zhuǎn)子材料，用Maxwell2D計算了氣隙長度與氣隙磁密的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 氣隙δ與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖6可以看出，在氣隙大小相同的情況下，電機的定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料時，氣隙磁密明顯高于其他兩種情況;而且定、轉(zhuǎn)子都為非導(dǎo)磁材料時氣隙磁密最低。三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的定性對比如表3所示。

表3 不同定、轉(zhuǎn)子材料的三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的定性比較

由表3可看出，定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料的電機氣隙磁密相對較低，但其結(jié)構(gòu)重量輕，且不存在齒槽轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力，在風(fēng)力發(fā)電機中具有很大的應(yīng)用潛力。因此，如何在結(jié)構(gòu)重量較輕、齒槽轉(zhuǎn)矩為零和不存在定、轉(zhuǎn)子之間電磁吸力的情況下，盡可能提高氣隙磁密成為一個新的研究熱點。

2 Halbach列無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機

2.1 Halbach列

圖6和表3均說明無鐵心電機雖然電機的氣隙磁密較低，但電機結(jié)構(gòu)重量最輕，且無齒槽轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子間電磁吸力。為了提高無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的氣隙磁密，提出轉(zhuǎn)子中應(yīng)用Halbach列永磁結(jié)構(gòu)的新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機。

Halbach列是美國學(xué)者Klaus Halbach提出的一種新穎的永磁體排列方式，它分為平面陣列和曲面陣列。曲面陣列的Halbach有內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體兩種排列。圖7所示的是外轉(zhuǎn)子Halbach陣列。對外轉(zhuǎn)子Halbach陣列，磁場分布在Halbach列磁體的外部，其內(nèi)部磁場幾乎為零，即在Halbach列中形成單邊磁場的永磁陣列本身就為磁場提供了通路，而另一邊幾乎不受磁場的影響，這被稱為Halbach列的自屏蔽(Self Shielding)效應(yīng)［8］。

圖7 典型Halbach列

在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機中，應(yīng)用Halbach列的自屏蔽效應(yīng)，可使電機轉(zhuǎn)子材料有較大的選擇余地，本來為磁場提供通路的導(dǎo)磁材料也可以用非導(dǎo)磁材料代替，這在提高電機功率密度的同時也極大地減少了電機定、轉(zhuǎn)子之間的定位轉(zhuǎn)矩和鐵心損耗。

2.2 Halbach列無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的仿真

定、轉(zhuǎn)子都為非導(dǎo)磁材料的情況下，在P=50，磁鋼厚度hm=12 mm，磁鋼寬度bm=33 mm的條件下建模，其充磁方向如圖8所示，圖9為其磁力線分布情況，氣隙δ不同時電機的氣隙磁密Bδ的變化情況如圖10所示。

圖8 磁鋼充磁方向

圖9 Halbach永磁電機的磁力線分布

圖10 氣隙δ與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖10可看出:在氣隙較小時，Halbach列無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的氣隙磁密大小接近于定、轉(zhuǎn)子都為導(dǎo)磁材料的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，由此可看出Halbach陣列對于提高無鐵心電機氣隙磁密具有良好的效果;在實際應(yīng)用中，加入Halbach列的新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機不僅轉(zhuǎn)子側(cè)可以使用工程塑料或其他非導(dǎo)磁質(zhì)量較輕的材料，而且定子側(cè)也可以換成非導(dǎo)磁材料，這樣在保證了電機結(jié)構(gòu)重量較輕的同時也不會降低電機的氣隙磁密。

3 Halbach列電機與傳統(tǒng)電機氣隙磁密和重量的比較

根據(jù)上述討論，比較了定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料，定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料，定子為非導(dǎo)磁材料、轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料和Halbach列的新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機4種結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，計算了4種情況下電機的重量、氣隙磁密和重量百分比浮動，如表4所示。

表4 不同情況下的電機重量和氣隙磁密參數(shù)

表4中，重量僅包括定子、轉(zhuǎn)子、磁鋼和Halbach列的重量，L代表該電機的長度。以情況1為例計算電機的質(zhì)量:

式中:r1，r2——轉(zhuǎn)子外徑，內(nèi)徑;

r3，r4——定子外徑，內(nèi)徑;

a——磁鋼長度;

b——磁鋼厚度;

ah——Halbach 磁鋼長度;

bh——Halbach 磁鋼厚度;

ρ——不同材料的密度。

式(1)中，對材料是非導(dǎo)磁材料的各部分，質(zhì)量忽略不計;同理可得其他三種電機的質(zhì)量W。

表4最后一列以傳統(tǒng)永磁風(fēng)力發(fā)電機為標(biāo)準(zhǔn)，給出各電機的重量百分比浮動，以情況1為例:

仿真和計算結(jié)果表明，在相同氣隙長度的情況下，雖然定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料的電機氣隙磁密最大，但電機的結(jié)構(gòu)重量最重;而Halbach列新型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機可以在不減小電機氣隙磁密的同時，大幅度降低電機的結(jié)構(gòu)重量，并能減小或者消除定、轉(zhuǎn)子之間的齒槽轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)語

(1)優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和磁鋼厚度;

(2)比較分析了定、轉(zhuǎn)子材料分別為導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料等三種情況下永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的特點;

(3)提出了Halbach列新型無鐵心永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機;

(4)通過仿真和計算結(jié)果驗證了Halbach列新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機具有較高氣隙磁磁密、較輕的結(jié)構(gòu)重量，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力，有效地解決了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機高空安裝困難的問題，同時延長了電機的使用壽命。

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