有/無(wú)鐵芯軸向磁通風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能研究

朱 軍 宋丹丹 李少龍 韓巧麗 封海潮 許孝卓

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

1 引 言

目前風(fēng)能是最具規(guī)模化和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源[1]。由于地理位置的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要分布在東南沿海地區(qū)及西北地區(qū)。為多結(jié)構(gòu)利用新能源，使微風(fēng)地區(qū)也能更好的采集風(fēng)能，本文研究一種微風(fēng)啟動(dòng)下的小型垂直軸盤(pán)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因其軸向尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、功率密度大[2～4]等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電是今后風(fēng)力發(fā)電的主要方向[5,6]。

軸向磁通單定子雙外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)可分為有鐵芯TORUS和無(wú)鐵芯TORUS。對(duì)于無(wú)鐵芯TORUS結(jié)構(gòu)，有研究盤(pán)式無(wú)鐵芯永磁發(fā)電機(jī)的電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子盤(pán)的形變影響[7]；有對(duì)無(wú)芯軸向磁通永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究與改進(jìn)，轉(zhuǎn)子側(cè)采用低活性材料，更經(jīng)濟(jì)化[8]；有對(duì)無(wú)鐵心軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)永磁漏磁通的建模改進(jìn)，根據(jù)磁等效電路模型提出一種準(zhǔn)三維模型計(jì)算無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)漏磁通[9]。對(duì)于有鐵芯TORUS結(jié)構(gòu)，有研究對(duì)國(guó)產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用各種磁性材料的軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，提出了對(duì)轉(zhuǎn)子部分采用硬磁鐵氧體取代釹磁鐵的顯著原因[10]。將定子側(cè)采用電動(dòng)鋼芯與軟磁復(fù)合磁芯軸向磁通永磁同步電機(jī)做比較[11]，由于軟磁復(fù)合材料具有低損耗和渦流損耗小等優(yōu)點(diǎn)使得電機(jī)性能增加，提出了采用軟磁復(fù)合材料發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)范圍。采用Halbach磁極結(jié)構(gòu)[12～14]，充磁方向必須多樣，這對(duì)永磁體的充磁、加工技術(shù)的要求比較高，也勢(shì)必提高了永磁體的制造成本，從而增加整個(gè)電機(jī)的制造成本。

綜上所述，有、無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)各有各的適用前景。本文主要對(duì)比分析單定子雙外轉(zhuǎn)子的有鐵芯TORUS和無(wú)鐵芯TORUS結(jié)構(gòu)的效率及電能質(zhì)量，為微風(fēng)啟動(dòng)下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)選擇發(fā)電機(jī)提供參考。

2 軸向磁通發(fā)電機(jī)分類

軸向磁通發(fā)電機(jī)按其定轉(zhuǎn)子的數(shù)目及相對(duì)位置可分為單氣隙結(jié)構(gòu)，單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)。單氣隙結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，存在單邊磁拉力，會(huì)使轉(zhuǎn)子固有頻率降低造成電樞變形而影響電機(jī)性能，如果磁路設(shè)計(jì)不合理，漏磁通增加，使發(fā)電機(jī)效率降低[15]。單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)，由于其機(jī)械強(qiáng)度弱，應(yīng)用不廣泛。多盤(pán)結(jié)構(gòu)是盤(pán)式電機(jī)的軸向疊加，輸出功率大，轉(zhuǎn)矩大[16],多用在船舶推進(jìn)裝置[17]。本文主要研究單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，單定子雙外轉(zhuǎn)子可分為有鐵芯TORUS和無(wú)鐵芯TORUS，如圖1所示。

(a)有鐵芯TORUS (b)無(wú)鐵芯TORUS圖1 發(fā)電機(jī)三維有限元模型Fig.1 Three dimensional finite element model of generator

3 軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

3.1 基本電磁公式

軸向磁通發(fā)電機(jī)在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)在定子側(cè)感應(yīng)出感應(yīng)電流，可知單根導(dǎo)體的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(θ)為[2]

(1)

式中:Do——發(fā)電機(jī)磁極外徑;Di——發(fā)電機(jī)磁極內(nèi)徑;Bδ(θ)——平均半徑處的氣隙磁密;r——線圈平均半徑。

單根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eav為

(2)

式中:Ω——電機(jī)的機(jī)械角速度;Bδav——平均氣隙磁密;p——極對(duì)數(shù)。

若定子側(cè)每相電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)為a,每個(gè)線圈匝數(shù)為N1，定子繞組系數(shù)為kw,αi為計(jì)算極弧系數(shù)，則每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(3)

按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，若m為發(fā)電機(jī)的繞組相數(shù)，Ia為輸出相電流，額定轉(zhuǎn)速為n，則額定輸出功率P為

(4)

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(5)

式:Aav——平均電負(fù)荷;Bδ——?dú)庀洞琶堋?/p>

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)本發(fā)電機(jī)輸出特性和運(yùn)用場(chǎng)合，電負(fù)荷為1000A/m,發(fā)電機(jī)外徑公式為

(6)

式中：m——電樞繞組相數(shù);αi——計(jì)算極弧系數(shù);αi——磁極外徑與內(nèi)徑比;n——額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)實(shí)際工作場(chǎng)合，本發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 有鐵芯、無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)對(duì)比分析

在magnet里建立三維模型，可生成三維矢量場(chǎng)強(qiáng)度、氣隙磁通密度、銅耗、鐵耗等多種場(chǎng)的運(yùn)算結(jié)果。由于TORUS結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為提高求解速度，對(duì)三維有無(wú)鐵芯模型建立5分之一模型并添加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，以此來(lái)縮短求解時(shí)間，確保求解精度。

無(wú)鐵芯TORUS其質(zhì)量輕，無(wú)齒槽轉(zhuǎn)矩，無(wú)磁滯損耗和渦流損耗，啟動(dòng)輕便。但其輸出電壓低，極間漏磁與有鐵芯TORUS來(lái)說(shuō)比較嚴(yán)重。有鐵芯TORUS其質(zhì)量大，啟動(dòng)力矩大，存在齒槽轉(zhuǎn)矩及電樞反應(yīng)，有磁滯損耗和渦流損耗，但其輸出扭矩大，導(dǎo)磁性能高。通過(guò)建立部分有限元模型，來(lái)對(duì)比分析有無(wú)鐵芯在不同情況下的性能。

4.1 磁鋼用量相同對(duì)比分析

有鐵芯發(fā)電機(jī)繞組采用鼓形繞組連接方式，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組連接方式，定子側(cè)采用集中非重疊繞組，用無(wú)磁性不導(dǎo)電的環(huán)氧樹(shù)脂固定成形。定子鐵芯采用硅鋼片，具體優(yōu)化參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化匝數(shù)后二種發(fā)電機(jī)參數(shù)

本文研究對(duì)象為微風(fēng)下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，情況一：即永磁體用量、繞組規(guī)格型號(hào)及輸出功率相同時(shí)，優(yōu)化有鐵芯發(fā)電機(jī)匝數(shù)，對(duì)比分析發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率，轉(zhuǎn)矩特性及電能質(zhì)量。因?yàn)橛需F芯發(fā)電機(jī)定子鐵芯部分導(dǎo)磁性更強(qiáng)，為達(dá)到相同的輸出，可以優(yōu)化有鐵芯的電樞繞組的匝數(shù)。

由圖2(a)可知，由于有鐵芯發(fā)電機(jī)的匝數(shù)少，銅耗小，在額定運(yùn)行狀態(tài)下，有鐵芯發(fā)電機(jī)效率明顯高于無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)4.2%。隨著轉(zhuǎn)速n的升高，有鐵芯發(fā)電機(jī)發(fā)電效率η更具優(yōu)勢(shì)。

(a) 有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的效率特性

(b) 有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)隨時(shí)間變化下的電磁轉(zhuǎn)矩

(c) 有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)諧波含量圖2 發(fā)電機(jī)的效率特性、轉(zhuǎn)矩特性及諧波分析Fig.2 Efficiency characteristics, torque characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

由圖2(b)可知，有鐵芯發(fā)電機(jī)由于鐵芯的存在，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，響應(yīng)速度慢，同時(shí)有鐵芯發(fā)電機(jī)存在齒槽轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T有波動(dòng)，影響電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性；而無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性高。

由表2及圖2(c)可知，有鐵芯發(fā)電機(jī)，其電壓波形畸變率低于無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)，電能質(zhì)量更好，3次諧波含量較少，但5次、7次諧波含量較多，有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的電壓波形畸變率都在國(guó)標(biāo)5%內(nèi)。

有鐵芯發(fā)電機(jī)用銅量?jī)H為無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的一半，從經(jīng)濟(jì)性的角度，有鐵芯發(fā)電機(jī)優(yōu)于無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)。

4.2 磁鋼用量及電樞繞組匝數(shù)相同對(duì)比分析

本發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分永磁體材料選擇氣隙磁通密度較高，矯頑力較大的鋁鐵硼。在情況二下：即在永磁體及繞組用量相同時(shí)，對(duì)比分析在低速時(shí)有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的效率及電能質(zhì)量。表3為情況二下，兩種發(fā)電機(jī)的參數(shù)對(duì)比。圖3(a)為有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的效率特性，圖3(b)為有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下的諧波分析。

表3 永磁體用量相同時(shí)倆種發(fā)電機(jī)參數(shù)

由圖3(a)可知，在情況二下：發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)時(shí)，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率比有鐵芯發(fā)電機(jī)效率高0.3%，不同轉(zhuǎn)速下，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率明顯占優(yōu)勢(shì)。雖然有鐵芯發(fā)電機(jī)導(dǎo)磁性更好，輸出扭矩、電壓較大，但有鐵芯發(fā)電機(jī)存在磁滯損耗和較多的渦流損耗且發(fā)熱嚴(yán)重，效率較低。

(a) 有無(wú)鐵芯在不同轉(zhuǎn)速下的效率特性

(b) 有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)諧波含量圖3 發(fā)電機(jī)的效率特性及諧波分析Fig.3 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通過(guò)表3及圖3(b)可以看出，有鐵芯發(fā)電機(jī)的諧波含量高于無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)且奇次諧波含量較大，但有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的電壓波形畸變率都在國(guó)標(biāo)5%內(nèi)。

無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)加工簡(jiǎn)單，更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)輕便。故在微風(fēng)啟動(dòng)下，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)性能更加優(yōu)越。

4.3 磁通量相同對(duì)比分析

永磁體的厚度影響著磁通量的大小及分布，情況三：即在輸出功率及匝數(shù)相同時(shí)，有鐵芯的導(dǎo)磁性更強(qiáng)，為此優(yōu)化永磁體厚度，在磁通量相同時(shí)，分析有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的效率。表4為有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)對(duì)比，圖4(a)為有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速的效率特性對(duì)比，圖4(b)為有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下的諧波分析。

(2)人才投入方面 “業(yè)務(wù)+技術(shù)+管理”的復(fù)合型人才是當(dāng)前推進(jìn)兩化融合的迫切需求。普通員工方面，我國(guó)企業(yè)伴隨著信息技術(shù)的引入而增加的用工占比平均水平為6.4%，其中大型企業(yè)占比較高，達(dá)到6.5%。在兩化融合相關(guān)中高級(jí)領(lǐng)導(dǎo)設(shè)置方面，我國(guó)設(shè)置信息化專職中層、高層領(lǐng)導(dǎo)的企業(yè)占比分別為43.5%、28.7%，且隨著企業(yè)體量的增大，其對(duì)兩化融合專職領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)置也越加重視，大型企業(yè)設(shè)置信息化高層領(lǐng)導(dǎo)的比例為48.7%，分別較小微型企業(yè)、中型企業(yè)高出11.5和23.9個(gè)百分點(diǎn)(如圖9)。

由圖4(a)可知在情況三下：為達(dá)到相同的輸出特性，優(yōu)化永磁體的厚度。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于額定情況下，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的效率明顯高于有鐵芯發(fā)電機(jī)5.7%，隨著轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1000r/min時(shí)，有鐵芯發(fā)電機(jī)效率高于無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率。

表4 優(yōu)化厚度時(shí)倆種發(fā)電機(jī)的參數(shù)

(a) 有無(wú)鐵芯在不同轉(zhuǎn)速下的效率特性

(b) 有無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)諧波含量圖4 發(fā)電機(jī)的效率特性及諧波分析Fig.4 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通過(guò)表4及圖4(b)可以看出，有鐵芯發(fā)電機(jī)的3次諧波含量較少，但5次、7次諧波含量較多，其電壓波形畸變率為1.9%，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)的電壓波形畸變率為2.5%，都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%內(nèi)。從其市場(chǎng)運(yùn)行性來(lái)說(shuō)，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)性能更加優(yōu)越。

綜合分析以上三種情況，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)以其高效率、低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性高等優(yōu)勢(shì)更適合在微風(fēng)啟動(dòng)下運(yùn)行。

5 樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了更好的檢驗(yàn)無(wú)鐵芯風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，加工一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為300r/min，輸出為300W的發(fā)電機(jī)。定子繞組采用集中繞組分布，經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂固定成形，啟動(dòng)力矩小。圖5為樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，產(chǎn)生三相交流電。

圖5 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)及重要部件Fig.5 Prototype test platform and important components

本樣機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，圖6(a)為樣機(jī)經(jīng)原動(dòng)機(jī)(減速機(jī))拖動(dòng)在300r/min時(shí),通過(guò)示波器導(dǎo)出的線電壓輸出波形，可以看出無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)輸出電壓曲線平滑，諧波含量少，電能質(zhì)量高。

為檢驗(yàn)仿真值的偏差性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與3D有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖6(b)為發(fā)電機(jī)空載時(shí)，一個(gè)周期內(nèi),相電壓的仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在工頻50Hz時(shí)，取20ms為一個(gè)周期，電壓實(shí)測(cè)幅值為26.3，仿真幅值為27，在誤差允許范圍內(nèi)，仿真值與實(shí)測(cè)值吻合。

本發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min,負(fù)載端為純電阻電路采用星形接法，為降低三次諧波環(huán)流產(chǎn)生所產(chǎn)生的雜散損耗，所以交流發(fā)電機(jī)也采用星形接法。為研究發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出特性，圖7(b)給出了不同轉(zhuǎn)速下相電流的仿真值與測(cè)試值對(duì)比。

(a) 發(fā)電機(jī)在300r時(shí)實(shí)際輸出電壓波形

(b) 一個(gè)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)相電壓波形圖6 空載下無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)仿真值與測(cè)試值的對(duì)比Fig.6 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under no load

(a) 不同轉(zhuǎn)速下輸出功率的仿真值與測(cè)試值對(duì)比

(b) 不同轉(zhuǎn)速下相電流的仿真值與測(cè)試值對(duì)比圖7 帶載下無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)仿真值與測(cè)試值的對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under load

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)樣機(jī)測(cè)試及對(duì)比，由圖6～圖7可知，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合，證明了無(wú)鐵芯風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)用性?？傻萌缦陆Y(jié)論：

(1)在永磁體用量及輸出功率相等情況下，優(yōu)化繞組匝數(shù)時(shí)，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率低于有鐵芯發(fā)電機(jī)4.2%，但其啟動(dòng)力矩小，電磁轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)。

(2)在永磁體用量及匝數(shù)相同的情況下，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率高于有鐵芯發(fā)電機(jī)0.3%，啟動(dòng)輕便且諧波含量較少，電能質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在功率及匝數(shù)相同的情況下，優(yōu)化永磁體厚度即磁通量相同時(shí)，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)效率高于有鐵芯發(fā)電機(jī)5.7%，且效率高，換向性好，控制性優(yōu)越。

由于本文所研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用在微風(fēng)地區(qū)，考慮到地里位置的影響及安裝環(huán)境的要求，綜合以上所討論的三種情況下的發(fā)電機(jī)性能，無(wú)鐵芯發(fā)電機(jī)在微風(fēng)啟動(dòng)下的適用性更為廣泛。