雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有限元建模

周迎春?肖慧慧?胡志軍

摘 要：有限元法適用于解決由多種材料組成、內(nèi)部具有較多媒質(zhì)分界面的電機(jī)設(shè)計(jì)問題，并能提高電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算精度。本文用Maxwell對雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了有限元建模與仿真，驗(yàn)證了雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)性能。

關(guān)鍵詞：雙定子；發(fā)電機(jī)；有限元

資助：湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級重點(diǎn)研究項(xiàng)目（Lgy12z001）資助。

0 引言

風(fēng)能是一種的再生自然能源，它不產(chǎn)生任何污染排放物，因此風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，而推廣應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵是研制適合于風(fēng)能轉(zhuǎn)換且運(yùn)行可靠、效率高、供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和先進(jìn)的控制技術(shù)。目前，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)趨勢是用永磁發(fā)電機(jī)做成直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，這樣可以提高電機(jī)效率，增大電機(jī)容量，節(jié)省電機(jī)材料，并且在電機(jī)的可靠性等方面具有很大的優(yōu)勢。本文研究的雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由內(nèi)外兩個(gè)同心的定子和一個(gè)杯型的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面安裝了永磁體。

為了提高電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的精確度，需對雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁場有限元分析。Maxwell是Ansoft機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案的重要組成部分，它功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用，具有高性能矩陣求解器和多CPU處理能力，提供了最快的求解速度，并為用戶提供了一套良好的可視化開發(fā)環(huán)境，包括控制面板、執(zhí)行命令、主控界面、建模器及材料生成器等。本文介紹了在Maxwell 2D中建立雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的具體過程。

1 建立幾何模型

圖1 電機(jī)的幾何模型

在Maxwell中，任何實(shí)體都是由以下基本元素構(gòu)成：關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體。而這四個(gè)基本元素之間的關(guān)系又可描述如下：由關(guān)鍵點(diǎn)可以連成線，由線可圍成面，由面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、拖拉等操作可生產(chǎn)體。幾何模型的建立可以直接在Maxwell的Define Model下建立，也可以先在Autocad下畫圖，然后導(dǎo)入到Maxwell中來。為了保證電機(jī)電磁場分析的準(zhǔn)確度，電機(jī)的幾何模型是按與實(shí)際的設(shè)計(jì)尺寸1：1的比例建立的。本文所述的雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是對稱的，考慮到其結(jié)構(gòu)尺寸比較大，在這里只建立二維模型進(jìn)行分析，下圖1是根據(jù)所選方案確定的電機(jī)基本參數(shù)建立的電機(jī)幾何模型的一部分。

2 確定邊界條件

應(yīng)用有限元法求解電機(jī)電磁場時(shí)，應(yīng)盡量縮小求解區(qū)域范圍，一般可取電機(jī)外側(cè)表面作為邊界面，當(dāng)然這是一個(gè)強(qiáng)加的邊界面。由于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，這種近似在工程上是合理的。一般情況下認(rèn)為磁力線沿電機(jī)外側(cè)表面閉合，這條邊界屬于第一類齊次邊界。很多情況下電機(jī)軸的外表面也被取為第一類齊次邊界。

圖2 電機(jī)的求解區(qū)域

本文所述雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的求解區(qū)域如圖2所示，邊界條件為

如果定子鐵心十分飽和需要考慮外部漏磁，這條人工邊界應(yīng)適當(dāng)向外擴(kuò)張。外移擴(kuò)充范圍沒有十分嚴(yán)格的界限，因?yàn)檫@部分磁場很弱，衰減也很快。

3 網(wǎng)格的剖分

圖3 電機(jī)的網(wǎng)格剖分圖

有限元法得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要步驟是網(wǎng)格剖分，它是電磁場問題實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解的第一步。網(wǎng)格的數(shù)量、分布和質(zhì)量直接決定了數(shù)值計(jì)算的計(jì)算精度、解題效率和計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性。在網(wǎng)格的剖分過程中，必須對單元、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并在生成總體編碼的基礎(chǔ)上，按局部編碼順序形成各單元的節(jié)點(diǎn)編號，給出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，最后必須把這些信息全部存儲起來，以備下面的計(jì)算調(diào)用。

Maxwell有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具，能自動對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)采用自適應(yīng)網(wǎng)格分析，系統(tǒng)進(jìn)行迭代求解，對最大誤差存在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，得到較高的網(wǎng)格密度，從而生成更加準(zhǔn)確的解。在每次迭代，計(jì)算系統(tǒng)總能量。由于求解誤差引起了能量百分比，因而檢查能量百分比來確定求解是否已經(jīng)結(jié)束，或誤差百分比和最近兩次誤差百分比的變化是否達(dá)到指定值。在軟件進(jìn)行計(jì)算的過程中，軟件會根據(jù)每一步的計(jì)算誤差自動增加網(wǎng)格剖分的數(shù)量，直到下一步的計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖3為發(fā)電機(jī)模型的網(wǎng)格剖分圖。

4 分析求解

本文對所設(shè)計(jì)的雙定子電機(jī)進(jìn)行了二維場有限元分析，得到其運(yùn)行性能，下圖為電機(jī)空載感應(yīng)電壓波形，和其他單定子電機(jī)相比較，該電機(jī)的空載電勢波形更為平滑。

圖4 空載電勢波形

5 結(jié)論

有限元法相比其他方法來說具有以下優(yōu)點(diǎn)：幾何剖分靈活，適用于解決幾何形狀復(fù)雜、由多種材料組成、內(nèi)部具有較多媒質(zhì)分界面的電機(jī)；可節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU時(shí)間；方法的各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一，程序易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。本文用有限元法對雙定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真分析，從分析結(jié)果可以看出該電機(jī)具有良好的運(yùn)行性能，適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高坤，李春，高偉，車淵博. 新型海上風(fēng)力發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)研究.能源研究與信息.2010，26（2）：110-116

[2] 張蓓文. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)趨于大型化-兆瓦級容量引發(fā)研究新動向.機(jī)電一體化，2005，（5）：82

[3] 劉國強(qiáng)，趙凌志，蔣繼婭. Ansoft工程電磁場有限元分析. 北京：電子工業(yè)出版社，2005：201-245

[4] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

作者簡介

周迎春（1972- ），女，湖南湘潭人，副教授，主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)

研究。

肖慧慧（1982- ），女，碩士，講師，主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)研究。

胡志軍（1965- ），男，副教授，主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)研究。