離網(wǎng)型小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與有限元仿真

符 榮，竇滿峰

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2.渭南師范學(xué)院，陜西渭南714000)

0 引 言

隨著可再生能源的日益緊張，風(fēng)能作為綠色可再生能源之一受到了越來越多的關(guān)注［1］。近幾年，隨著高性能永磁材料的出現(xiàn)，小功率直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機也成為研究的熱點。與傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機相比，永磁同步發(fā)電機由于轉(zhuǎn)子由永磁體直接勵磁，省掉了容易出現(xiàn)問題的集電滑環(huán)、電刷等裝置，從而提高了永磁同步發(fā)電機運行的可靠性和效率;同時，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸直接與風(fēng)輪機耦合，它們之間取消了增速齒輪箱機構(gòu)，使得整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，減少了振動和噪音，降低了維護成本，延長了離網(wǎng)型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(如圖1所示)的使用壽命。

圖1 離網(wǎng)型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

我國地形復(fù)雜，人口眾多，居住分散，像內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)以及一些特殊的地區(qū)，如：牧區(qū)、海島及邊防哨卡，往往是電網(wǎng)無法涉及的地方，所以，離網(wǎng)型小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機在城市路燈、電動漁船、家庭照明等方面都得到了廣泛應(yīng)用［2］。

1 小功率直驅(qū)永磁同步發(fā)電機設(shè)計特點

在普通大功率永磁同步發(fā)電機設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，離網(wǎng)型小功率直驅(qū)永磁同步發(fā)電機具有以下設(shè)計特點：

(1)離網(wǎng)型小功率直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機由于取消了增速齒輪箱機構(gòu)，永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)軸直接與風(fēng)輪機耦合，所以發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速比較低，一般不超過500 r/min;同時，為了增加系統(tǒng)風(fēng)能的利用率和風(fēng)輪機的輸出功率，要求在風(fēng)速較低時(通常3 m/s)，就能夠克服阻轉(zhuǎn)矩，迅速起動，快速發(fā)電。因此，要求所設(shè)計的小功率直驅(qū)永磁同步發(fā)電機要盡可能地減小齒槽轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的起動阻轉(zhuǎn)矩。

(2)考慮到小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的功率等級比較小，發(fā)電機損耗中銅耗比例大;而發(fā)電機轉(zhuǎn)速一般都比較低，使得電機鐵心中磁場變化的頻率比較低，所以，鐵耗占電機損耗比例較小;同時，考慮到永磁同步風(fēng)力發(fā)電機長時運行時，定子溫升比轉(zhuǎn)子溫升要明顯，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子式，可以有效地增加定子散熱面積，提高風(fēng)力發(fā)電機運行的可靠性。針對上述特點，在選擇小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)時，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而不采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

(3)由于永磁同步發(fā)電機由轉(zhuǎn)子永磁體勵磁，其勵磁磁場固定，無法隨意調(diào)節(jié)，而小功率永磁同步發(fā)電機的自身銅耗較大，使得發(fā)電機的固有電壓調(diào)整率比較高，所以，在選擇電機轉(zhuǎn)子永磁體勵磁方式時，必須選擇電壓調(diào)整率較小的永磁體勵磁方式進行設(shè)計，以保證負載運行時的風(fēng)力發(fā)電機能高效運行。

2 電磁設(shè)計

2.1 技術(shù)指標

表1 永磁同步發(fā)電機的主要技術(shù)指標

2.2 定子設(shè)計

小功率低速直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機采用蓄電池儲能，選取過高的額定輸出電壓，必須用更多的蓄電池，考慮到整機成本，一般額定輸出直流電壓不取得很高，即小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機具有低壓大電流的特點。例如，本文所研制的永磁同步發(fā)電機容量為2 kVA，額定直流電壓僅為48 V，這樣該電機的額定電流比較大，電機的線負荷比較高，電機的銅耗大，約占總損耗的70%左右。

2.2.1 定子沖片設(shè)計

在設(shè)計永磁同步發(fā)電機定子沖片時，原則上，在保證定子鐵心沖片有足夠的機械強度及磁通密度允許的前提下，應(yīng)盡量減小齒寬和軛部高度，增大定子槽面積，增加定子繞組導(dǎo)線面積，減少繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，這樣就可以降低電機銅耗，提高電機效率。

2.2.2 定子繞組設(shè)計

從電機理論上講，采用定子斜槽、轉(zhuǎn)子斜極及分數(shù)槽繞組都可以降低永磁同步發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩引起的阻轉(zhuǎn)矩。但是，考慮到小功率永磁同步發(fā)電機的體積小，空間受到限制，如果采用定子斜槽往往對發(fā)電機電氣性能有所影響;而轉(zhuǎn)子斜極很難從工藝上實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鋼扭到合理尺寸;所以，綜合考慮加工工藝和加工成本后，采用分數(shù)槽繞組則成為小功率直驅(qū)永磁同步發(fā)電機抑制齒槽轉(zhuǎn)矩最為有效的方法。

本文所研制的2kVA直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，采用定轉(zhuǎn)子槽極比為45/14的分數(shù)槽繞組來降低齒槽轉(zhuǎn)矩引起的起動阻轉(zhuǎn)矩;同時，為了減小反電勢的波形畸變率，采用120°相帶雙層分布式繞組。

2.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 轉(zhuǎn)子極對數(shù)的選取

為了保證直驅(qū)永磁同步發(fā)電機輸出頻率在正常頻率范圍內(nèi)(30～80 Hz)，轉(zhuǎn)子永磁體一般選擇極對數(shù)較多的形式，本文選取電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)p=7。

2.3.2 爾雅通識課程學(xué)習(xí)效果情況。爾雅通識課程以網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)為依托，學(xué)生在規(guī)定的教學(xué)周內(nèi)自主制定學(xué)習(xí)計劃，通過觀看教學(xué)視頻、完成課堂測驗、參與提問、討論及參加考核等方式進行學(xué)習(xí)，教學(xué)視頻和課堂測驗總共完成達到80%方有資格參加考試。爾雅通識課程成績由四部分組成，即視頻學(xué)習(xí)（30%）+課堂測驗（35%）+訪問數(shù)（5%）+考試成績（30%），成績達到60分即為合格可獲取相應(yīng)的學(xué)分，否則需要重修或者選修其他課程獲取學(xué)分。2016—2017學(xué)年第二學(xué)期的學(xué)習(xí)結(jié)果統(tǒng)計分析顯示，開設(shè)185門課程，1 360人次獲得考試資格，最終1 346人次獲得學(xué)分，通過率達99%。

當(dāng)定子直徑確定后，由于轉(zhuǎn)子永磁體磁極數(shù)量較多而造成磁極極距較小，尤其是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體的有效放置空間比外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)要小;但是，由于本文研制的屬于小功率等級的發(fā)電機，選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，不僅減小了轉(zhuǎn)軸尺寸，使發(fā)電機轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪機耦合安裝方便，同時，增強了風(fēng)機長時運行的可靠性，并且，勵磁磁勢完全能滿足設(shè)計要求。

2.3.2 永磁體勵磁方式的選擇

永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常根據(jù)永磁體勵磁方式的不同，可分為徑向式、切向式、軸向式、混合式，其中徑向式和切向式最為常見，如圖2所示。

圖2 永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。永磁體采用表貼式，在永磁體外圓設(shè)有護環(huán)，護環(huán)對內(nèi)產(chǎn)生預(yù)緊力，可提高電機運行的可靠性;同時，永磁體磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數(shù)較切向結(jié)構(gòu)小;而且，制造工藝相對簡單，加工方便。

切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。永磁體采用內(nèi)置式永磁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子外圓無需護環(huán)，可靠地固定在轉(zhuǎn)子鐵心中;切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁系數(shù)比徑向式結(jié)構(gòu)要大;而且切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的制造工藝也較為復(fù)雜;但這種結(jié)構(gòu)可以起到聚磁效果，提供較大的氣隙磁通。

本文所研制的2 kVA直驅(qū)永磁同步發(fā)電機采用徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);并且，在轉(zhuǎn)子鐵心中開有通風(fēng)孔，增強了轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱的效果。

3 電磁場有限元仿真分析

考慮到永磁電機磁路的非線性，以及永磁材料具有飽和的特點，采用傳統(tǒng)磁路法設(shè)計永磁同步發(fā)電機需要大量的經(jīng)驗和修正系數(shù)，經(jīng)驗系數(shù)的引入使得傳統(tǒng)磁路計算的準確性變得難以保證。

為了提高永磁同步發(fā)電機磁路設(shè)計結(jié)果的精確性，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，本文采用MagNet電磁場仿真軟件，對所設(shè)計的2 kVA永磁同步發(fā)電機進行了全面的有限元仿真分析計算，通過多循環(huán)場路結(jié)合的計算方法，最終，使所設(shè)計的2 kVA直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機完全滿足設(shè)計指標的要求。

3.1 空載有限元仿真結(jié)果

利用電磁場MagNet軟件，首先對所設(shè)計電機進行幾何建模，再通過物理屬性設(shè)定，網(wǎng)格剖分、求解、后處理等過程，計算出2 kVA徑向式永磁同步發(fā)電機的空載氣隙磁密分布波形，如圖3所示。將計算出的波形數(shù)據(jù)進行處理，得到該電機空載氣隙磁密平均值為0.68 T，空載漏磁系數(shù)1.07。圖4是2 kVA永磁同步發(fā)電機空載磁場分布云圖。

圖3 沿氣隙圓周的空載氣隙磁密分布波形

圖4 空載磁場分布云圖

對空載反電勢進行有限元仿真，首先對繞組進行定義和設(shè)定，再進行動態(tài)求解，得到如圖5所示的空載反電勢波形，計算出空載反電勢有效值為82.7 V;并對發(fā)電機空載反電勢波形進行諧波分析，計算出該反電勢波形畸變率僅為0.442%。

圖5 空載反電勢波形

3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩有限元仿真結(jié)果

通過有限元仿真分析，計算出該發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩隨時間的變化，如圖6所示，最大齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值僅為0.2 N·m，占額定負載轉(zhuǎn)矩的0.314%。說明采用特殊定轉(zhuǎn)子槽極配比的分數(shù)槽繞組，對該發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制取得了良好的效果，從而降低了該發(fā)電機起動時的阻轉(zhuǎn)矩，保證了該發(fā)電機在低風(fēng)速時能夠正常起動工作;同時，較小的齒槽轉(zhuǎn)矩也減小了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中自身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。

圖6 發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3.3 額定負載有限元仿真結(jié)果

當(dāng)設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為300 r/min，帶額定負載運行時，采用有限元進行負載場分析，計算出所設(shè)計發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率，由圖7和圖8可見，該發(fā)電機能夠輸出設(shè)計要求的轉(zhuǎn)矩和功率。

圖7 帶額定負載運行時電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的變化

圖8 帶額定負載運行時的電磁功率

帶額定負載運行時的負載電壓波形如圖9所示，通過計算得到，該發(fā)電機的固有電壓調(diào)整率為8.08%，符合設(shè)計指標要求;并且，該發(fā)電機的負載輸出電壓波形畸變率也僅為0.42%，說明采用分數(shù)槽繞組和120°相帶雙層分布式繞組，有效地抑制了發(fā)電機高次諧波電勢，使該發(fā)電機輸出電壓波形具有較好的正弦度。

圖9 帶額定負載運行時的負載電壓波形

4 樣機實驗

為了驗證樣機技術(shù)指標，對2 kVA永磁同步發(fā)電機進行了實驗室測量，當(dāng)樣機轉(zhuǎn)速達到設(shè)計值的300 r/min時，試驗結(jié)果如表2所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)速300 r/min時相當(dāng)于實際風(fēng)速達到額定風(fēng)速8 m/s，樣機實驗測量的各項指標都達到設(shè)計值。

表2 永磁同步發(fā)電機試驗結(jié)果

當(dāng)原動機拖動樣機轉(zhuǎn)速達到80 r/min時，相當(dāng)于實際風(fēng)速約為3 m/s時，2 kVA永磁同步發(fā)電機輸出交流電壓有效值為17.32 V，通過控制器，此時發(fā)電機輸出電壓可以對蓄電池進行充電。

同時，2 kVA永磁同步發(fā)電機樣機安裝到直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中，已通過風(fēng)場實際測試開始投產(chǎn)。風(fēng)場測試結(jié)果表明，整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在3m/s的低風(fēng)速下，能快速起動，控制器輸出直流電壓達到40.5 V，輸出功率達到32.4 W，風(fēng)力發(fā)電機開始對蓄電池進行充電，從而證明所設(shè)計的2 kVA永磁同步發(fā)電機起動阻轉(zhuǎn)矩小，能保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在3 m/s的低風(fēng)速下快速切入工作。

5 結(jié) 語

針對小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計特點，作者研制了一臺2 kVA城市路燈用離網(wǎng)型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。本文用有限元法對該樣機進行了較為全面的分析，并且，通過實驗室對拖實驗，測得2 kVA永磁同步發(fā)電機效率高，固有電壓調(diào)整率小;在實際風(fēng)場運行測試中，整個風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)在3 m/s的低風(fēng)速下就能快速切入工作，證明了所設(shè)計的2 kVA永磁同步發(fā)電機起動阻轉(zhuǎn)矩小，達到了小功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計特點要求。本文對離網(wǎng)型小功率直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的進一步深入研究及推廣應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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