內(nèi)置式U形永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

溫嘉斌, 宋春杰, 付 瑤, 郭萍萍

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,風(fēng)力發(fā)電以其能源的可再生性、環(huán)保性以及其建設(shè)周期短、成本低的優(yōu)勢(shì),成為我國(guó)可再生能源利用開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象[1-2].永磁同步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的主要應(yīng)用發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,相比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)而言效率高,但由于其結(jié)構(gòu)原因,會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩.齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),產(chǎn)生震蕩和噪音,同時(shí)也會(huì)使得風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)的葉片震蕩從而使得切入速度變化,效率降低[3].因此降低永磁同步發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩是在設(shè)計(jì)過程中必須考慮的因素.同時(shí),在設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)采取相應(yīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道等散熱措施,因此有必要考慮轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對(duì)發(fā)電機(jī)性能影響.在以往的文獻(xiàn)當(dāng)中,大多數(shù)都是對(duì)表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[4-6].文獻(xiàn)[7]較為全面地總結(jié)了非均勻氣隙對(duì)切向永磁同步發(fā)電機(jī)性能的影響.文獻(xiàn)[8]通過調(diào)整一字磁鋼離轉(zhuǎn)子圓心的位置達(dá)到對(duì)直線起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的目的,該方法雖然可以調(diào)整氣隙磁密的幅值大小,但對(duì)于發(fā)電機(jī)來說,達(dá)不到優(yōu)化電勢(shì)波形的目的.文獻(xiàn)[9]研究了非均勻氣隙及V形磁鋼角配合對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的影響.文獻(xiàn)[10-11]主要研究了磁極偏移對(duì)瓦片形永磁發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響.文獻(xiàn)[12]則研究了切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁極偏移時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響.文獻(xiàn)[13]研究了不同頻率下的轉(zhuǎn)子溫升情況,而研究轉(zhuǎn)子通風(fēng)道位置對(duì)發(fā)電機(jī)性能影響的文獻(xiàn)非常少.

文中擬針對(duì)內(nèi)置式U形永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化,研究磁極偏移和轉(zhuǎn)子非均勻氣隙對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩及電壓畸變率的作用,同時(shí)將采用轉(zhuǎn)子軸向圓形通風(fēng)道,來分析轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)性能的影響.

1 齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于永磁發(fā)電機(jī)本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的.永磁體與其對(duì)面的齒槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一種切向力的作用,這種作用趨向于永磁磁極與齒槽結(jié)構(gòu)相對(duì)齊,當(dāng)永磁磁極與齒或槽中心對(duì)齊時(shí),磁通在齒槽兩側(cè)引起的引力相互平衡,當(dāng)永磁磁極與齒或槽中心沒有對(duì)齊時(shí),由于磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化,將會(huì)導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生.

由上可知,齒槽轉(zhuǎn)矩可定義為在不通電的情況下磁場(chǎng)儲(chǔ)能隨轉(zhuǎn)子位置變化,表示為

(1)

式中:W為磁場(chǎng)儲(chǔ)能;α為定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置角.

文中將以6極,72槽的內(nèi)置式U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)為模型,采用磁極偏移、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非均勻氣隙及調(diào)整轉(zhuǎn)子通風(fēng)道位置等方法來探索削弱齒槽轉(zhuǎn)矩及降低永磁磁鋼發(fā)生退磁風(fēng)險(xiǎn)的方法.發(fā)電機(jī)的參數(shù)如下:定子外徑為900 mm,定子內(nèi)徑為620 mm,轉(zhuǎn)子外徑為614 mm,軸向長(zhǎng)度為800 mm.其轉(zhuǎn)子模型見圖1.

圖1 永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模型

2 磁極偏移對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

假設(shè)發(fā)電機(jī)電樞磁導(dǎo)率無窮,則可以認(rèn)為其磁場(chǎng)儲(chǔ)能近似等于氣隙中的磁場(chǎng)儲(chǔ)能,即可表示為

(2)

(3)

(4)

將式(2)-(4)代入式(1)中可得

(5)

當(dāng)θ=0時(shí),有

(6)

文中模型機(jī)為6極發(fā)電機(jī),如圖1所示,將圖1中發(fā)電機(jī)的磁極進(jìn)行編號(hào),讓編號(hào)為1,3,5的磁極沿逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)θ角,在這θ角以齒距比例為度量,編號(hào)為2,4,6的磁極保持與齒或槽的中心線對(duì)齊不變.用有限元方法對(duì)不同的θ角進(jìn)行分析,在不同偏移角下的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖2所示.在不同偏移角時(shí)的發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值及相電壓幅值如表1所示,其中齒槽轉(zhuǎn)矩以磁極沒偏移時(shí)的取值為基值,求取百分比.

圖2 不同偏移角所對(duì)應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

為進(jìn)一步查看各次諧波含量,將空載相電勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解,圖3為磁極偏移相應(yīng)角度后所對(duì)應(yīng)空載相電勢(shì)傅里葉分解圖.

表1 不同偏移角齒槽轉(zhuǎn)矩幅值及相電壓幅值

圖3 空載電勢(shì)傅里葉分解圖

由圖2可見,磁極偏移使齒槽轉(zhuǎn)矩的相位產(chǎn)生偏移,其變化周期為一個(gè)齒距.由圖2-3、表1可見,當(dāng)磁極偏移2/5及3/5齒距時(shí),其齒諧波含量、電壓畸變率及齒槽轉(zhuǎn)矩都是比較小的.也就是說適當(dāng)?shù)拇艠O偏移能夠有效地減少齒諧波含量,降低電壓畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩.不過考慮到發(fā)電機(jī)對(duì)稱的問題,這個(gè)偏移角度應(yīng)該在達(dá)到預(yù)期目的的范圍內(nèi)盡量的小,同時(shí)也可觀察到磁極偏移后發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)較磁極偏移前是有所變化的,這一點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)調(diào)電能輸出質(zhì)量的發(fā)電機(jī)是非常值得注意的.

3 非均勻氣隙對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

對(duì)于瓦片形永磁發(fā)電機(jī),可以采用不等后永磁體來降低齒槽轉(zhuǎn)矩，與之相類似的,非均勻氣隙也是利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的變化來改變發(fā)電機(jī)氣隙形狀從而達(dá)到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的.圖4為轉(zhuǎn)子偏心距示意圖,這里主要用偏心距h來衡量非均勻氣隙的程度.

圖4 轉(zhuǎn)子偏心距示意圖

對(duì)具有不同偏心距的永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算,得出在不同偏心距下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖及其齒槽轉(zhuǎn)矩幅值等,結(jié)果見圖5和表2.

圖5 不同偏心距下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

偏心距/mm齒諧波值/V電壓畸變率/%齒槽轉(zhuǎn)矩/(N·m)037．2414．501156．3532．0913．081051．61025．447．35954．61518．636．44867．42013．195．35783．0

由圖5和表2可知,非均勻氣隙可以有效減小齒諧波及齒槽轉(zhuǎn)矩,同時(shí)降低電壓畸變率.圖6是在不同偏心距時(shí)空載相電勢(shì)幅值情況,可見其呈下降趨勢(shì).

圖6 不同偏心距下的空載電勢(shì)幅值

4 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響

對(duì)于發(fā)電機(jī)來說,在一般情況下采用相應(yīng)散熱措施是必要的.文中模型機(jī)采用轉(zhuǎn)子軸向圓形通風(fēng)道,并以其為例,來研究轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)性能的影響.在這里,將轉(zhuǎn)子通風(fēng)道中心線與磁極中心線對(duì)齊時(shí)作為原點(diǎn),以通風(fēng)道偏離磁極中心線的角度作為度量,沿逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)為負(fù)、順時(shí)針方向?yàn)檎?來觀察轉(zhuǎn)子通風(fēng)道偏轉(zhuǎn)角對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響.轉(zhuǎn)子通風(fēng)道偏轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的空載相電壓和額定負(fù)載相電壓折線圖見圖7.

圖7 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道在不同位置時(shí)的空載及負(fù)載電壓折線圖

由圖7可見,轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的位置對(duì)空載和負(fù)載電壓影響不大.在短路時(shí),電樞電阻非常小,在一般情況下忽略不計(jì),這時(shí)就相當(dāng)于純電感負(fù)載,即電樞反應(yīng)表現(xiàn)為直軸去磁,也就意味著設(shè)計(jì)不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致永磁體退磁.除了短路電流倍數(shù),轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)也會(huì)影響短路電流,從而使得在去磁最嚴(yán)重的情況下,永磁體表面的磁密分布不同,因此短路電流對(duì)永磁磁鋼的影響也變得尤為重要.永磁同步發(fā)電機(jī)三相短路時(shí),轉(zhuǎn)子通風(fēng)道在不同位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的去磁最嚴(yán)重永磁體的最小磁密見表3.

表3 最小磁密表

由表3可見,在轉(zhuǎn)子通風(fēng)道中心線順時(shí)針偏離磁極中心線2°時(shí),去磁最嚴(yán)重,永磁磁鋼表面的最小磁密面的磁密最大.這表明轉(zhuǎn)子通風(fēng)道沿磁極中心線偏離適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí),可以有效降低永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn).

5 結(jié) 論

1) 磁極偏移使得齒槽轉(zhuǎn)矩相位發(fā)生變化,該變化是周期性的.適當(dāng)?shù)拇艠O偏移可以減少齒諧波含量,降低電壓畸變率及削弱齒槽轉(zhuǎn)矩,在磁極偏移0.5齒距時(shí)發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最小.

2) 非均勻氣隙可以明顯降低電壓畸變率及齒諧波含量,有效改善永磁同步發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩問題,不過會(huì)引起其電勢(shì)幅值有所降低.

3) 磁極偏移及非均勻氣隙均會(huì)使得發(fā)電機(jī)電勢(shì)有所變化.因此在采用磁極偏移及非均勻氣隙時(shí),應(yīng)考慮到是否滿足額定電勢(shì)要求及發(fā)電機(jī)對(duì)稱問題,從而選擇適當(dāng)?shù)拇艠O偏移及非均勻氣隙.

4) 轉(zhuǎn)子通風(fēng)偏離磁極中心線的程度對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)空載及負(fù)載電勢(shì)影響不大,當(dāng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道沿磁極中心線偏離適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí),可以有效降低永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn).對(duì)于文中發(fā)電機(jī)來說,當(dāng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道位置順時(shí)針偏轉(zhuǎn)2°機(jī)械角度時(shí),永磁磁鋼最小磁密處的磁密最大為0.331 7 T.

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