爪極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響風(fēng)力發(fā)電

張成

摘 要：在小型容量直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，永磁體數(shù)目越多的發(fā)電機(jī)越來(lái)越受歡迎。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)價(jià)格廉潔、低損耗、高性能和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了應(yīng)用3D有限元分析了實(shí)用于小容量風(fēng)電系統(tǒng)的爪極永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)分析和對(duì)電機(jī)性能的影響。

關(guān)鍵詞：爪極式；永磁同步發(fā)電機(jī)；3D FEM

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁電機(jī)的可靠性和高效率，使得它在低速風(fēng)電機(jī)組中越來(lái)越受歡迎。隨著現(xiàn)在高能量密度磁性材料的出現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)出特殊轉(zhuǎn)子成為可能。永磁體的出現(xiàn)替代了轉(zhuǎn)子中勵(lì)磁繞組，低熱量、高效率且隨著電力電子的發(fā)展，讓永磁同步發(fā)電機(jī)受到廣泛的關(guān)注。PMSM轉(zhuǎn)子有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：表面式永磁體、內(nèi)置式永磁體和爪極結(jié)構(gòu)。由于爪極電機(jī)簡(jiǎn)單、低價(jià)，通常用在汽車、風(fēng)電和水輪發(fā)電中，多極數(shù)使得它被用在變速恒頻的風(fēng)電系統(tǒng)中，永磁體也替代了繁瑣的勵(lì)磁繞組。

本文將介紹基于3D有限元法對(duì)PMSM性能分析。對(duì)轉(zhuǎn)子爪極不同的長(zhǎng)度、寬度、厚度參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)電機(jī)的性能、感應(yīng)電勢(shì)、磁場(chǎng)密度的影響。

1 電機(jī)主要參數(shù)和3D有限元分析

本文主要的設(shè)計(jì)參數(shù)：永磁體NdFeB勵(lì)磁、三相、額定電壓80V、定子36槽、軸向磁化、定子外半徑146mm、定子內(nèi)半徑92.5mm、極數(shù)8、轉(zhuǎn)子外半徑92mm、爪極長(zhǎng)107mm、額定轉(zhuǎn)速750rpm。

爪極發(fā)電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中優(yōu)點(diǎn)除了新能源外，相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)就是它的高數(shù)目的爪極數(shù)，讓它可高速或低速運(yùn)行。

電磁場(chǎng)分析是基于Maxwell 3D有限元分析，它是個(gè)對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和電磁分析的強(qiáng)大軟件。由于爪極電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)，必須考慮它的三維特性：徑向、橫向、軸向。由于其對(duì)稱性，對(duì)其分析將基于一對(duì)磁極上。使用FEM法對(duì)磁場(chǎng)的分析分為三步：預(yù)處理、場(chǎng)解決方案、后處理。在預(yù)處理階段需要畫(huà)幾何模型、設(shè)置材料屬性、網(wǎng)格剖分等，在空載的情況下，一旦基本的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，磁路方程也解決了。為了獲得更精確的結(jié)果，就要對(duì)爪極電機(jī)最重的2個(gè)部分氣隙和爪極數(shù)進(jìn)行分析。

磁場(chǎng)密度、感應(yīng)電勢(shì)和漏磁通的計(jì)算在后處理階段，同時(shí)，通過(guò)軟件可以清楚的看到在定子齒、爪極間的磁密圖和得到漏磁通的值，如兩爪極間為3.065·10-5Wb。

感應(yīng)電勢(shì)可由下式獲得：

2 轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

2.1 對(duì)感應(yīng)電勢(shì)、磁密、漏磁通的影響

為了在爪極表面得到更好的磁密分布、更高的感應(yīng)電勢(shì)、更低的漏磁通，對(duì)爪極的尺寸進(jìn)行了修改。其一，減小了爪極的長(zhǎng)度、寬度；其二，縮短和減小了爪極的厚度，得到emf=80.2V，漏磁通（兩爪極間）為1.627·10-5Wb，爪極間磁密增加。應(yīng)為爪極的寬度減小，氣隙間的磁密和原先的相比，更加接近正弦波。

加厚爪極底部，為了消除爪極底部沒(méi)有利用上的區(qū)域。得到：emf=82.2V、爪極間漏磁通為：1.365·10-5Wb、氣隙磁密度也增加。

2.2 對(duì)氣隙磁密的諧波影響

作為獨(dú)立的發(fā)電設(shè)備或連接電網(wǎng)，最重要的是產(chǎn)生最優(yōu)的能量品質(zhì)。其中產(chǎn)生的諧波這一參數(shù)就看出電能質(zhì)量的好壞。對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)，氣隙間頻率可由v=2k±1，k=0，1，2，...得出，爪極電機(jī)的第一個(gè)諧波頻率為13.8[1/m]，可由

氣隙磁密諧波代表著感應(yīng)電勢(shì)是否被“污染”，分析原先參數(shù)、減小爪極長(zhǎng)度、寬度、厚度和加厚底部，分別得到第一次諧波值：0.158T、0.24T、0.28T。結(jié)果表明，氣隙間磁密的第一次諧波變大了，更高次諧波值見(jiàn)表1。

上表表明：隨著爪極的長(zhǎng)度、寬度減小或爪極底部厚度增加，氣隙間高次諧波的值減小。

3 結(jié)語(yǔ)

永磁爪極發(fā)電機(jī)適用在小型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。本文基于3D有限元分析軟件對(duì)小容量、直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)中的PMSM的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，氣隙磁密的分布和諧波的計(jì)算。本文的目的是用一種比較的方式，通過(guò)減小轉(zhuǎn)子爪極的長(zhǎng)度、寬度和增加爪極底部的厚度，來(lái)分析爪子參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：感應(yīng)電勢(shì)增大，最大和平均的氣隙磁密也增高了，氣隙磁密的高次諧波值也變的更小了。

參考文獻(xiàn)

[1]王群京.爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2006.

[2]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)（第2版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]熊冬情.基于Ansoft的爪極發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化[D].西南交通大學(xué)，2012.

（作者單位：上海海事大學(xué)）