一種基于分裂磁鋼的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)

張震

摘? 要：目前，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電發(fā)電機(jī)的主要研究方向之一，在傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套勵(lì)磁繞組，同時(shí)采用永磁材料和勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。雖然混合勵(lì)磁電機(jī)磁通的調(diào)節(jié)范圍比純永磁同步電機(jī)更大，但勵(lì)磁繞組的引入也帶來了損耗較大的問題。為解決此問題，本文提出了一種基于分裂磁鋼的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該電機(jī)保持了傳統(tǒng)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)磁特點(diǎn)，同時(shí)通過改變永磁體的用量和排布方式有效降低了混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)? 混合勵(lì)磁? 定子永磁結(jié)構(gòu)? 開/閉口槽? 永磁磁鏈

中圖分類號(hào)：TM315 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（c）-0082-03

A New Kind of Hybrid Excitation Wind Turbine Based on Split Magnet

ZHANG Zhen

（China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd.， Nanjing，Jiangsu Province， 210000 China）

Abstract： Currently， hybrid excitation wind turbine is one of the main research directions of wind power generators， new kind of hybrid excitation wind turbine added a set of field windings compared with traditional permanent magnet synchronous motors， with permanent magnet materials and excitation windings for excitation. Although the adjustment range of the magnetic flux of the hybrid excitation motor is larger than that of the pure permanent magnet synchronous motor，but the excitation winding loss is also very prominent. To solve the problem， the paper proposes a new? hybrid excitation wind generator based on split magnets， The motor maintains the magnetization characteristics of traditional hybrid excitation wind turbines，and reduce the loss of the hybrid excitation wind turbine by changing the amount and arrangement of permanent magnets.

Key Words： Wind power generator; Hybrid excitation; Stator permanent magnet structure; Opening/closing slot; Permanent magnet linkage

傳統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用雙饋發(fā)電機(jī)，該類發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠、生產(chǎn)成本低，因而在風(fēng)力發(fā)電早期得到了較大的應(yīng)用，但隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高，雙饋電機(jī)所帶來的弊端也開始逐漸顯現(xiàn)出來[1-2]。首先，雙饋電機(jī)功率密度較低，因而對(duì)于風(fēng)能的利用能力較差;其次，雙饋電機(jī)功率因數(shù)較小，因此大容量雙饋電機(jī)在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，需要接入同步發(fā)電機(jī)以提供勵(lì)磁無功，但由于同步電機(jī)調(diào)壓能力較弱，很容易導(dǎo)致電壓崩潰[3]。近些年來，由于變頻技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，直驅(qū)式永磁電機(jī)開始在風(fēng)力發(fā)電中得到應(yīng)用[4]。該類電機(jī)根據(jù)永磁體位置不同可主要分為兩類，即轉(zhuǎn)子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)[5]。

1? 傳統(tǒng)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

目前，轉(zhuǎn)子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究和應(yīng)用較廣泛的是轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。與普通永磁同步發(fā)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以有效調(diào)節(jié)氣隙內(nèi)的磁密強(qiáng)度，從而可靈活控制發(fā)電機(jī)的功率輸出[6]。一般地，轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的混合勵(lì)磁方式可以分為串聯(lián)勵(lì)磁和并聯(lián)勵(lì)磁兩種[7-8]。串聯(lián)勵(lì)磁為電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁路與永磁磁路一致，串聯(lián)分布;并聯(lián)勵(lì)磁為電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁路與永磁磁路并行分布。相比于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，并聯(lián)型結(jié)構(gòu)能夠有效避免永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，磁場調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，但是由于電勵(lì)磁磁通和永磁勵(lì)磁磁通大小不同，易造成磁路不對(duì)稱等問題。此外，由于轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組位于轉(zhuǎn)子上，會(huì)造成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因而降低轉(zhuǎn)子的剛度以及魯棒性。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)無法避免電刷滑環(huán)，使得整個(gè)電機(jī)的可靠性進(jìn)一步降低?？傊擃愲姍C(jī)的缺陷可總結(jié)為：（1）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，可靠性降低;（2）磁場調(diào)節(jié)能力弱;（3）容易產(chǎn)生不可逆退磁;（4）電勵(lì)磁繞組熱負(fù)荷較大，轉(zhuǎn)子散熱能力差;（5）由于勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁能力遠(yuǎn)弱于永磁體，因而電機(jī)整體功率密度較低;（6）無法避免電樞滑環(huán)結(jié)構(gòu)[9]。

2? 混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決上述轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的問題，本文提出了一種基于分裂磁鋼的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該電機(jī)保持了傳統(tǒng)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)磁特點(diǎn)，同時(shí)通過改變永磁體的用量和排布方式有效降低了混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗。

一種基于分裂磁鋼的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電樞繞組、直流勵(lì)磁繞組、定子槽、磁鋼槽、上口磁鋼、下口磁鋼、轉(zhuǎn)子斜齒、磁鋼左定子以及磁鋼右定子。該發(fā)電機(jī)為定子永磁型電機(jī)，將永磁體安裝在定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)沒有永磁體，定子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)將利用特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在定子上設(shè)置永磁體和勵(lì)磁繞組，從而實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié)，具備無刷化的優(yōu)勢。

本文提出的定子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機(jī)為定子永磁結(jié)構(gòu)，以一臺(tái)12槽10齒的分裂磁鋼混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)為例，為降低在同等永磁體用量下的磁鋼損耗，每一個(gè)磁鋼槽內(nèi)的永磁體被分成兩段，分別置放于磁鋼槽的上端和下端，即為上口磁鋼（7）和下口磁鋼（8）。電樞繞組（3）位于定子槽（5）內(nèi)，定子（1）則設(shè)計(jì)為模塊式結(jié)構(gòu)，整個(gè)定子由12個(gè)定子模塊組成，且每個(gè)模塊左右兩邊分別連接兩組不同極性的由上口磁鋼（7）和下口磁鋼（8）組成的磁鋼對(duì)。直流勵(lì)磁繞組（4）位于磁鋼槽（6）內(nèi)，介于上下兩塊磁鋼之間，定子永磁體磁鋼以“N→S”的形式交替排布，即每兩齒有一對(duì)極。由于勵(lì)磁繞組磁路和永磁體磁路串聯(lián)，因而可以通過調(diào)整勵(lì)磁繞組中的電流大小從而調(diào)整氣隙磁密幅值的大小。從而達(dá)到了混合勵(lì)磁的目的。

本文提出的一種分裂磁鋼的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電樞繞組以雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的方式排布于定子槽內(nèi)，其槽導(dǎo)體分布圖如圖2所示;勵(lì)磁繞組以單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的方式排布于磁鋼槽內(nèi)，其槽導(dǎo)體分布圖如圖3所示。

該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將傳統(tǒng)的單一永磁體結(jié)構(gòu)改進(jìn)為分段永磁體結(jié)構(gòu)，并在兩段永磁體之間加入電勵(lì)磁繞組，由勵(lì)磁繞組和永磁體共同合成永磁磁鏈。其中，永磁磁通為主要磁通，勵(lì)磁繞組磁通為輔助磁通，在電機(jī)正常工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小調(diào)節(jié)合成的永磁磁鏈，以達(dá)到增磁和弱磁的目的。

相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)創(chuàng)新了一種新型的開/閉口槽混合結(jié)構(gòu)。其中，電樞繞組采用嵌入式繞制方法，其所利用的槽類型為開口槽;而勵(lì)磁繞組采用為入式繞制方法，其所利用的槽類型為閉口槽，通過新型的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能夠利用到開口槽的優(yōu)勢，同時(shí)也能夠利用閉口槽的優(yōu)勢。

3? 結(jié)語

本文提出的分裂磁鋼混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)?lì)磁繞組從轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)移到定子側(cè)，從而消除電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)使得整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)易于安裝和加工。該電機(jī)具備的優(yōu)勢可以總結(jié)為：（1）將永磁體分為上下兩段，能夠降低永磁體損耗、渦流損耗、磁滯損耗，同時(shí)使得定子鐵芯利用率更大，平均磁導(dǎo)增加，增大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反電勢幅值。（2）采用的雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組能夠在保證繞組系數(shù)的前提下，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)端部盡量小，最大程度地降低電樞銅耗。（3）直流勵(lì)磁繞組的單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組設(shè)計(jì)不僅可以減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端部效應(yīng)，同時(shí)能降低損耗;而且勵(lì)磁繞組內(nèi)通入的是直流，因此不會(huì)和電樞繞組產(chǎn)生耦合，不會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反電勢波形;此外磁鋼槽的閉口槽設(shè)計(jì)能夠有效降低漏磁，提高永磁體的利用率。（4）由于該類風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁路為徑向互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，電機(jī)在“永磁勵(lì)磁+電勵(lì)磁”的雙勵(lì)磁情況下，能夠在不同電勵(lì)磁程度下保證輸出反電勢的正弦度，即能夠提供較好的供電質(zhì)量。

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