永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與性能分析

收稿日期：2022-01-12

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（22A470004）；教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202101125001）；河南城建學(xué)院青年骨干

資助項(xiàng)目（G2015008）

通信作者：劉 豪（1981—），男，博士、講師，主要從事特種電機(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)、新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)方面的研究。

liuhao368368@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0048 文章編號：0254-0096（2023）05-0432-10

摘 要：針對主流永磁同步發(fā)電機(jī)存在成本高和有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)存在可靠性低的問題，結(jié)合風(fēng)電發(fā)展的要求，提出一種具有功率密度高和可靠性高的新型永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電。功率密度與電機(jī)的功率分配、極槽配合和轉(zhuǎn)子耦合能力有關(guān)?；谠摪l(fā)電機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一臺300 kW永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并考慮功率分配、主要尺寸確定方法、極槽配合和轉(zhuǎn)子耦合能力。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法分析不同運(yùn)行狀態(tài)下該發(fā)電機(jī)性能，并與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果作比較；同時將所提出的發(fā)電機(jī)與常規(guī)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩密度和成本方面作比較，驗(yàn)證該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法的合理性和有效性及轉(zhuǎn)矩密度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；同步發(fā)電機(jī)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)；雙定子；永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子；電磁設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)矩密度

中圖分類號：TM315 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，隨著傳統(tǒng)能源漸趨緊張和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，各國尋求綠色清潔可再生能源成為世界能源發(fā)展的主流。風(fēng)能作為取之不竭、用之不盡的可再生綠色能源之一，受到世界各國重視。風(fēng)能發(fā)電正在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。中國對風(fēng)電發(fā)展也非常重視，截至2022年年底中國累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)396 GW［1］，成為在風(fēng)能利用方面發(fā)展最快的國家，也是世界上風(fēng)電裝機(jī)量增長最為顯著的國家之一。風(fēng)力資源在陸地集中區(qū)的開發(fā)已將盡，而風(fēng)力資源豐富的海上發(fā)電卻亟待開發(fā)。海上風(fēng)力資源可開發(fā)量約為7.5億kW，相當(dāng)于陸地上的3倍。除此之外，海上風(fēng)力資源還具有穩(wěn)定性好、風(fēng)速高、易預(yù)測與機(jī)組不占用土地等優(yōu)勢［2-3］。因此，海上風(fēng)電發(fā)展成為當(dāng)今風(fēng)電研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。緊隨世界風(fēng)電這一發(fā)展趨勢，中國將海上風(fēng)電列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［4-5］，海上總裝機(jī)容量已達(dá)28.6 GW，位居世界第一［6］，雖然風(fēng)電發(fā)展迅猛，但對大型風(fēng)電機(jī)組卻面臨著設(shè)備可靠性有待提高、設(shè)備國產(chǎn)化率低與海上風(fēng)電資源評估不全面等諸多問題［4］。 同時，海上風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)輸、吊裝和維護(hù)方面還存在一些困難且成本較高，因此對海上風(fēng)電機(jī)組提出單機(jī)容量大、功率密度高、可靠性高和維護(hù)費(fèi)用低的要求［7-8］。

目前，應(yīng)用于變速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有鼠籠式異步發(fā)電機(jī)（squirrel-cage asynchronous generator， SCAG）［9］、永磁同步發(fā)電機(jī)（permanent-magnet synchronous generator， PMSG）［10］、有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator， DFIG）［11］、無刷電勵磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（brushless electrically excited synchronous wind power generator， BEESWPG）［12］和無刷雙饋發(fā)電機(jī)（brushless doubly-fed generator， BDFG）［13］，而兆瓦級的變速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有PMSG和DFIG。PMSG永磁體用量大、成本高；DFIG可靠性低、故障率高和維護(hù)成本高［13-14］。目前這些問題仍未完全解決，阻礙了這些發(fā)電機(jī)在海上風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。基于目前主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的不足和風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的要求，本文提出一種具有永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子和雙定子的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電，其中采用雙定子結(jié)構(gòu)可改善功率密度已被證實(shí)［15-16］。該發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)PMSG相比，功率密度更高且可靠性更好；與DFIG相比，該發(fā)電機(jī)無電刷和滑環(huán)，同時具有功率密度高、維護(hù)成本低和可靠性高的優(yōu)勢；與BDFG相比，具有高功率密度和高效率。因此，所提出的永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)（dual-stator wind power generator with permanent- magnet/cage-barrier mixed rotor， PMCBMR-DSWPG）具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價值。PMCBMR-DSWPG在原理和結(jié)構(gòu)上均與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)有較大不同，必須系統(tǒng)研究其通用電磁理論與設(shè)計(jì)方法。由于雙定子和永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的存在，PMCBMR-DSWPG雙氣隙磁場分布與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)差異較大，無法直接套用現(xiàn)有的電機(jī)電磁理論，必須系統(tǒng)研究所提出的新型雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁理論和設(shè)計(jì)方法。

本文重點(diǎn)討論P(yáng)MCBMR-DSWPG的電磁設(shè)計(jì)和功率密度改善。電磁設(shè)計(jì)主要涉及功率分配、主要尺寸確定方法、極槽配合和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面，而功率密度與電機(jī)的主要尺寸、內(nèi)外單元電機(jī)的功率分配和轉(zhuǎn)子耦合能力有關(guān)?；陔姍C(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)并制造一臺300 kW的PMCBMR-DSWPG，同時考慮PMCBMR-DSWPG的功率分配原則、主要尺寸確定方法、極槽配合和轉(zhuǎn)子耦合能力。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法分析不同運(yùn)行狀態(tài)下PMCBMR-DSWPG的性能，并與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果作比較；同時將所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩密度和材料成本方面作比較，驗(yàn)證PMCBMR-DSWPG設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性以及功率密度高的特點(diǎn)。

1 PMCBMR-DSWPG的結(jié)構(gòu)和工作原理

永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)由內(nèi)外定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

外定子上嵌有三相功率繞組；內(nèi)定子上嵌有極對數(shù)不同的兩套繞組，即功率繞組和控制繞組。功率繞組經(jīng)變頻器接電網(wǎng)；而控制繞組經(jīng)整流器接電網(wǎng)。內(nèi)外定子上的兩套功率繞組可采用并聯(lián)或串聯(lián)方式連接，其內(nèi)外定子功率繞組采用并聯(lián)連接如圖1b所示，圖中[fp、fc、ppout、ppin、pcin]分別表示功率繞組頻率、控制繞組頻率（[fc=0]）、外功率繞組極對數(shù)、內(nèi)功率繞組極對數(shù)和內(nèi)控制繞組極對數(shù)。內(nèi)、外定子上的繞組分別與對應(yīng)轉(zhuǎn)子內(nèi)籠障和轉(zhuǎn)子外永磁體進(jìn)行磁場調(diào)制和耦合。轉(zhuǎn)子外永磁體和轉(zhuǎn)子內(nèi)籠障采用背靠背的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中間采用支撐環(huán)進(jìn)行連接。支撐環(huán)不僅可起到支撐作用，而且也是外磁路的一部分，但內(nèi)外磁路相互獨(dú)立。因此，外定子、外氣隙、永磁體和轉(zhuǎn)子支撐環(huán)構(gòu)成外單元電機(jī)；內(nèi)定子、內(nèi)氣隙和轉(zhuǎn)子籠障構(gòu)成內(nèi)單元電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子籠障由不等跨距的短路籠條和不等導(dǎo)磁寬的磁障構(gòu)成。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速如式（1）所示。

[nr=60fppp] （1）

[pp=ppout=ppin+pcin] （2）

式中：[nr]——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；[pp]——極對數(shù)。

2 PMCBMR-DSWPG的電磁設(shè)計(jì)

借鑒現(xiàn)有的雙饋發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)，結(jié)合PMCBMR-DSWPG的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，確定PMCBMR-DSWPG的功率等級和轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行PMCBMR-DSWPG的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)研究，如電磁設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、溫升和冷卻系統(tǒng)等。本文僅對PMCBMR-DSWPG進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)與改善功率密度研究。電磁設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其好壞不僅影響電機(jī)性能，如效率、功率密度和輸出功率；而且還影響電機(jī)在后續(xù)其他方面的研究，如機(jī)械設(shè)計(jì)、溫升計(jì)算、冷卻方式選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。由于永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子和雙定子結(jié)構(gòu)的存在，PMCBMR-DSWPG中的雙氣隙磁場分布與常規(guī)發(fā)電機(jī)差異較大，無法直接套用現(xiàn)有的電機(jī)電磁理論，必須依據(jù)PMCBMR-DSWPG的特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理，建立一套用于PMCBMR-DSWPG電磁性能計(jì)算的方法。為提高功率密度，主要分析PMCBMR-DSWPG內(nèi)外單元電機(jī)的功率分配原則和方法、主要尺寸確定方法、極槽配合、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和定子斜槽對PMCBMR-DSWPG性能的影響。圍繞PMCBMR-DSWPG設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要求［10，15-18］，提出PMCBMR-DSWPG的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

2.1 內(nèi)外單元電機(jī)功率分配

PMCBMR-DSWPG采用雙定子結(jié)構(gòu)，內(nèi)外定子輸出功率分配不僅影響PMCBMR-DSWPG的體積、材料用量等相關(guān)電磁參數(shù)，而且還影響電機(jī)的功率密度。因此，需研究PMCBMR-DSWPG內(nèi)外單元電機(jī)功率分配。為研究內(nèi)外單元電機(jī)的功率分配，本文引入輸出功率裂變比作為研究雙氣隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)［19］，其表示如式（3）所示。

[γ=PoPin] （3）

式中：[γ]——外單元電機(jī)與內(nèi)單元電機(jī)輸出功率之比；[Pin]、[Po]——內(nèi)外單元電機(jī)輸出功率，kW。

借鑒傳統(tǒng)電機(jī)的計(jì)算方法，結(jié)合PMCBMR-DSWPG的技術(shù)要求和特點(diǎn)，計(jì)算不同裂變比下PMCBMR-DSWPG的主要尺寸，如表1所示。在此基礎(chǔ)上，建立不同裂變比下的PMCBMR-DSWPG有限元模型。在要求輸出功率相同的情況下，分析和計(jì)算不同裂變比下PMCBMR-DSWPG的主要尺寸、材料用量和電磁性能參數(shù)，選取PMCBMR-DSWPG較合適的裂變比為6.5。

2.2 主要尺寸的確定

基于輸出功率的裂變比，計(jì)算外單元電機(jī)的功率繞組輸出功率如式（4）和式（5）所示。

[Ppo′=KEPocosφN] （4）

[PN=Po+Pin] （5）

式中：[Ppo′]——計(jì)算外單元電機(jī)功率繞組輸出功率，kW；[KE]——端電壓與感應(yīng)電動勢比值；[PN]——發(fā)電機(jī)額定功率，kW；[cosφN]——額定負(fù)載時功率因素。

發(fā)電機(jī)主要尺寸的確定如式（6）～式（9）所示。

[V′=6.1Ppo′αpo′KNmKdp1oAoBδonr] （6）

[Do1′=2ppV′λπ3] （7）

[lef′=V′（Do1′）2] （8）

[δo=Do1′×1+9（2pp）×10-3] （9）

式中：[V′]——計(jì)算電機(jī)的體積，m3；[αpo′]——計(jì)算外單元電機(jī)極弧系數(shù)；[KNm]——?dú)庀洞艌稣也ㄏ禂?shù)；[Kdp1o]——外單元電機(jī)功率繞組基波系數(shù)；[Ao]——外單元電機(jī)功率繞組線負(fù)荷，A/m；[Bδo]——外氣隙磁通最大磁通密度，T；[Do1′]——計(jì)算外單元電機(jī)定子內(nèi)徑，m，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取內(nèi)外徑之比，計(jì)算外單元電機(jī)定子外徑；[λ]——主要尺寸比，初步設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值；[lef′]——計(jì)算鐵芯軸長，m；[δo]——外單元電機(jī)氣隙長度，m，該電機(jī)氣隙大小選取還要結(jié)合裝配和經(jīng)驗(yàn)。

假設(shè)內(nèi)外單元電機(jī)氣隙磁通密度相同，結(jié)合發(fā)電機(jī)內(nèi)外定子的兩套功率繞組采用并聯(lián)邊接方式，要求內(nèi)外單元電機(jī)功率繞組感應(yīng)電動勢的幅值和相位角也近似相同，其表示見式（10）、式（11）。

[Epo≈Epin=UN] （10）

[θpo=θpin] （11）

式中：[Epin]、[Epo]——內(nèi)外單元電機(jī)功率繞組感應(yīng)電動勢，V；[UN]——額定電壓，V；[θpin]、[θpo]——內(nèi)外功率繞組感應(yīng)電動勢相位角，（ °）。

基于內(nèi)外功率繞組電動勢相同，推導(dǎo)出內(nèi)外定子徑之比如式（12）所示。

[Do1′Din1′≈NpinKdp1inppoutNpoKdp1oppin] （12）

式中：[Kdp1in]——內(nèi)單元電機(jī)功率繞組基波系數(shù)；[Npin]、[Npo]——內(nèi)外單元電機(jī)功率繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；[Din1′]——內(nèi)定子外徑，m。

發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)由外向內(nèi)，參照上述主要尺寸設(shè)計(jì)原則和方法，并結(jié)合實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)值，確定PMCBMR-DSWPG的主要尺寸，如表2所示。

2.3 極槽配合

2.3.1 外單元電機(jī)的極槽配合

為提高功率密度，需要研究外定子極槽配合?；谠O(shè)計(jì)指標(biāo)要求，確定PMCBMR-DSWPG的極對數(shù)為10。在此基礎(chǔ)上，研究外定子槽數(shù)分別為24、60和90時對PMCBMR-DSWPG性能參數(shù)的影響。在相同電機(jī)主要尺寸和轉(zhuǎn)子的條件下，建立不同槽數(shù)下PMCBMR-DSWPG有限元模型，分析和計(jì)算不同極槽配合下PMCBMR-DSWPG空載運(yùn)行的電磁性能參數(shù)，其結(jié)果如表3和圖3所示。由結(jié)果分析可知，在相同電機(jī)主要尺寸、繞組線規(guī)和轉(zhuǎn)子的條件下，氣隙磁通密度基波含量和功率繞組相電動勢隨著電機(jī)槽數(shù)的增加而增加，然而功率繞組相電動勢諧波含量受影響變化不大，繞組銅材料用量減少。

基于上述分析，計(jì)算不同極槽配合對電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，其結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果分析可知，分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較小，齒槽轉(zhuǎn)矩隨槽數(shù)增多而降低。也可看出[Q/2p]（[Q]為槽數(shù)、[2p]為極數(shù)）越大，齒槽轉(zhuǎn)矩的周期就越大；同時分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩比整數(shù)槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩小，所以分?jǐn)?shù)槽電機(jī)所產(chǎn)生的振動噪聲比整數(shù)槽小。

基于對外單元電機(jī)不同極槽配合的計(jì)算和分析，結(jié)合電機(jī)技術(shù)要求，選擇該發(fā)電機(jī)的外定子槽數(shù)為分?jǐn)?shù)槽，其槽數(shù)為90。

2.3.2 內(nèi)單元電機(jī)的極槽配合

由于內(nèi)定子上嵌有兩套極對數(shù)不同的三相繞組，兩套繞組之間無磁場耦合，依靠轉(zhuǎn)子內(nèi)籠障進(jìn)行磁場調(diào)制和耦合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。為提高功率密度，需研究內(nèi)定子極槽配合。

借鑒無刷雙饋電機(jī)定子兩套繞組極對數(shù)選取原則［20-21］，確定PMCBMR-DSWPG的內(nèi)定子兩套繞組極對數(shù)關(guān)系如式（13）所示。

[ppin-pcin≥2] （13）

基于PMCBMR-DSWPG內(nèi)定子兩套繞組極對數(shù)選取原則，選取內(nèi)定子功率繞組/控制繞組極對數(shù)分別為8/2、7/3、6/4、6/4，與此對應(yīng)的槽數(shù)分別為96、126、72和144。建立外定子槽數(shù)/極對數(shù)（90/10）和內(nèi)定子不同極槽配合的有限元模型，計(jì)算并分析不同極槽配合下內(nèi)單元電機(jī)性能參數(shù)，其結(jié)論詳見文獻(xiàn)［18］。

基于內(nèi)外定子極槽配合的分析和討論，結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，確定內(nèi)定子的功率繞組和控制繞組極對數(shù)選取為6和4，內(nèi)定子槽數(shù)選取為72。

2.4 轉(zhuǎn) 子

PMCBMR-DSWPG的轉(zhuǎn)子由永磁體、籠障和支撐環(huán)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。PMCBMR-DSWPG的轉(zhuǎn)子內(nèi)籠障由不等跨度的短路籠條和磁障構(gòu)成。轉(zhuǎn)子擔(dān)負(fù)著電機(jī)的磁場調(diào)制和耦合作用，不僅影響改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，而且還影響電機(jī)性能參數(shù)，因此需要研究轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力與性能參數(shù)的影響。

轉(zhuǎn)子耦合能力是指氣隙磁通密度的[ppin]次諧波與[pcin]次諧波之比，其表達(dá)式如式（14）所示。

[cc=BδpBδc×100%] （14）

式中：[cc]——轉(zhuǎn)子耦合能力；[Bδp]和[Bδc]——?dú)庀洞磐芏鹊腫ppin]次諧波和[pcin]次諧波。

2.4.1 轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)

轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)是電機(jī)轉(zhuǎn)子的重要參數(shù)，它不僅影響電機(jī)的氣隙磁通密度，而且還影響電機(jī)性能參數(shù)。因此合理選擇極弧系數(shù)對電機(jī)設(shè)計(jì)極為重要。

以PMCBMR-DSSG的外單元電機(jī)為例，在空載運(yùn)行情況下，計(jì)算和分析20極、90槽下不同極弧的PMCBMR-DSWPG功率繞組電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩峰值，其結(jié)果如圖6所示。由結(jié)果分析可知，在定子和電機(jī)主要尺寸相同的條件下，功率繞組相電動勢隨極弧系數(shù)的增大而增加。在極弧系數(shù)大于0.75后，繞組相電動勢變化較緩慢并趨向平緩。同時也可看出PMCBMR-DSWPG的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值在極弧系數(shù)為0.60和0.70下較小，但極弧系數(shù)為0.60的繞組相電動勢較小。綜合內(nèi)外單元電機(jī)一致性的要求、電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和材料成本，該發(fā)電機(jī)外單元電機(jī)的極弧系數(shù)擬選取為0.70。

基于上述分析方法，計(jì)算和分析不同極弧系數(shù)下該發(fā)電機(jī)內(nèi)單元電機(jī)的性能參數(shù)，并考慮內(nèi)外單元電機(jī)電磁一致性的要求，得到內(nèi)單元電機(jī)的極弧系數(shù)取值范圍為0.70～0.75。

2.4.2 轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障導(dǎo)磁層數(shù)

采用有限元方法計(jì)算和分析轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障不同導(dǎo)磁層數(shù)（[m]）下內(nèi)單元電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力和功率繞組電動勢諧波含量，其結(jié)果如圖7所示。

由結(jié)果分析可知，在相同的勵磁（控制繞組勵磁）條件下，隨著導(dǎo)磁層數(shù)的增加，可有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的氣隙磁通密度有用6次諧波（功率繞組基波）含量逐漸較少，而有用的4次諧波（控制繞組基波）含量逐漸增加，轉(zhuǎn)子耦合能力逐漸降低，但當(dāng)[m≥4]時，氣隙磁通密度的有用諧波含量和轉(zhuǎn)子耦合能力變化變小，并趨向平緩；然而，功率繞組電動勢諧波含量隨著導(dǎo)磁層數(shù)的增加而減少，并逐漸趨向平緩。基于結(jié)果分析可知，結(jié)合電機(jī)的加工裝配和成本等因素，內(nèi)單元電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障導(dǎo)磁層數(shù)選取4～6較合理。

2.4.3 轉(zhuǎn)子短路籠條數(shù)

短路籠條影響轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制能力，其轉(zhuǎn)子內(nèi)籠障結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，其中圖8a為公共短路籠條組合，圖8b為公共短路籠條和第1組短路籠條組成，圖8c為公共短路籠條、第1組短路籠條和第2組短路籠條組成，圖8d為公共短路籠條、第1組短路籠條、第2組短路籠條和第3組短路籠條組成。基于磁場調(diào)制理論和確定導(dǎo)磁層數(shù)，分析不同短路籠條組數(shù)[n（n≤m）]對內(nèi)單元電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力的影響，其結(jié)果如圖9所示。由結(jié)果分析可知，無（用0表示）短路籠條時轉(zhuǎn)子耦合能力最低，圖8d短路籠條組合轉(zhuǎn)子偶能力最強(qiáng)，圖8a公共短路籠條對轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制能力影響最大。同時，轉(zhuǎn)子耦合能力隨短路籠條組數(shù)的增加而增強(qiáng)，而轉(zhuǎn)子耦合能力的變化量隨著短路籠條組數(shù)的增加而逐漸變緩。綜合考慮成本、工藝和損耗，最終選取較合適的圖8c組合，即該發(fā)電機(jī)短路籠條由公共短路籠條、第1組短路籠條和第2組短路籠條組成。

2.5 斜槽對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響

斜槽是將電機(jī)齒槽沿軸向扭斜一定角度，可消弱齒諧波引起的噪聲與附加轉(zhuǎn)矩，從而改善電機(jī)繞組感應(yīng)電壓的波形畸變率并降低損耗。

以PMCBMR-DSWPG內(nèi)單元電機(jī)為例，在電機(jī)主要尺寸、轉(zhuǎn)子和勵磁電流相同的條件下，分析不同斜槽下PMCBMR-DSWPG齒槽轉(zhuǎn)矩峰值和功率繞組相電動勢，其結(jié)果如圖10所示。由結(jié)果分析可知，PMCBMR-DSWPG功率繞組相電動勢在斜槽角度大于0.1°后變化不大，而在0.0695°之前功率繞組相電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩均隨斜角的增加而增加；然而在斜槽角度大于2°后，PMCBMR-DSWPG的齒槽轉(zhuǎn)矩隨斜槽角度增大而增大，而功率繞組相電動勢變化不大。綜合上述分析并結(jié)合加工工藝，選取內(nèi)定子斜槽角度為0.0695°。

PMCBMR-DSWPG外單元電機(jī)的定子斜槽采用同內(nèi)單元電機(jī)定子斜槽相同的分析方法，計(jì)算和分析不同斜槽下PMCBMR-DSWPG外單元電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和功率繞組相電動勢。結(jié)合加工工藝要求，選取PMCBMR-DSWPG合理的外定子斜槽角度為0.045°。

基于對PMCBMR-DSWPG內(nèi)外定子斜槽的分析，以PMCBMR-DSWPG的內(nèi)單元電機(jī)為例，計(jì)算和分析常規(guī)（不斜）槽和斜槽（斜槽角度為0.0695°）下PMCBMR-DSWPG內(nèi)轉(zhuǎn)子耦合能力，其結(jié)果如圖11所示。

由結(jié)果分析可知，該發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度的4次和6次諧波分別為控制繞組、功率繞組的基波，計(jì)算常規(guī)槽和斜槽下該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力分別為104.1%和104.5%，其前者略低于后者。除基波之外，通過大量計(jì)算和分析，總結(jié)出PMCBMR-DSWPG內(nèi)單元電機(jī)影響磁場的主要高次諧波與極對數(shù)之間的關(guān)系如式（15）所示。

[β=νpcβ=νppβ=3ν+2ν=4，" 8，" 12，…] （15）

式中：[β]——?dú)庀洞磐芏鹊母叽沃C波。

氣隙磁通密度的高次諧波希望越小越好，有助于PMCBMR-DSWPG降低損耗和提高效率。由結(jié)果分析可知，斜槽電機(jī)氣隙磁通密度的4次和6次基波均高于常規(guī)槽電機(jī)氣隙磁通密度的4次、6次諧波；然而前者其他諧波基本上略低于后者，有助于PMCBMR-DSWPG降低損耗和消弱振動噪聲，提高效率。因此，PMCBMR-DSWPG定子槽選用斜槽。

3 PMCBMR-DSWPG的分析

基于電機(jī)的設(shè)計(jì)原則和方法，設(shè)計(jì)PMCBMR-DSWPG的主要參數(shù)如表4所示。

3.1 空載運(yùn)行

基于PMCBMR-DSWPG的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，建立PMCBMR-DSWPG的有限元模型，計(jì)算和分析在空載運(yùn)行下該發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度和繞組相電動勢，其結(jié)果如圖12所示。由結(jié)果分析可知，內(nèi)外氣隙磁通密度的最大值相對誤差為0.74%，以外單元電機(jī)為基準(zhǔn)；外功率繞組相電動勢比內(nèi)功率繞組相電動勢高0.73%，同時內(nèi)外功率繞組相電動勢與設(shè)計(jì)值誤差分別為0.31%、0.43%；內(nèi)外功率繞組相電動勢曲線相位基本一致，滿足PMCBMR-DSWPG設(shè)計(jì)和繞組邊接方式的要求；同時也滿足電機(jī)內(nèi)外電磁特性一致性的要求。

3.2 負(fù)載運(yùn)行

PMCBMR-DSWPG負(fù)載運(yùn)行，計(jì)算和分析該發(fā)電機(jī)磁場分布、功率繞組相電動勢、負(fù)載電壓和電流，其結(jié)果如圖13和圖14所示。由結(jié)果分析可知，PMCBMR-DSWPG的磁場分布，滿足該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求；內(nèi)功率繞組相電動勢比外功率繞組相電動勢低2.65%，二者曲線相位基本一致，滿足該發(fā)電機(jī)的繞組連接和設(shè)計(jì)要求，同時也滿足內(nèi)外電磁特性一致性的要求。

基于上述分析，計(jì)算外單元電機(jī)和內(nèi)單元電機(jī)輸出功率分別為275.97和39.81 kW，二者輸出功率之比約為6.93，比設(shè)計(jì)時選取的功率裂變比高6.61%，同時該發(fā)電機(jī)輸出功率比設(shè)計(jì)額定功率高5.26%。綜合考慮設(shè)計(jì)留有余量以及模型分析參數(shù)設(shè)置（如網(wǎng)格剖分精度等）和環(huán)境因素的影響，該設(shè)計(jì)滿足電機(jī)設(shè)計(jì)的要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性。

4 PMCBMR-DSWPG的驗(yàn)證和比較

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于PMCBMR-DSWPG的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，制造一臺試驗(yàn)樣機(jī)，其內(nèi)外定子如圖15所示。搭建樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行樣機(jī)空載性能測試，并與有限元分析作比較，其結(jié)果如圖16所示。 由結(jié)果分析可知，在相同條件下，實(shí)驗(yàn)測試樣機(jī)功率繞組相電動勢比有限元計(jì)算功率繞組相電動勢高1.45%，同時也比額定電壓高0.60%，滿足設(shè)計(jì)電機(jī)的要求；同時也驗(yàn)證了該種發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性。

4.2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)比較

基于PMCBMR-DSWPG的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用數(shù)值算法計(jì)算和分析該發(fā)電機(jī)性能。由結(jié)果分析可知，所提出的發(fā)電機(jī)均滿足電機(jī)設(shè)計(jì)的要求，表明了PMCBMR-DSWPG設(shè)計(jì)方法的正確性和合理性。為驗(yàn)證改善PMCBMR-DSWPG轉(zhuǎn)矩密度，該發(fā)電機(jī)與DFIG、繞線式無刷雙饋發(fā)電機(jī)（wound brushless doubly-fed generator， WBDFG）、PMSG和籠障轉(zhuǎn)子耦合雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（dual-stator brushless doubly-fed wind power generator with cage-barrier rotor， CBR-DSBDFWPG）比較轉(zhuǎn)矩密度和材料成本。DFIG、PMSG、WBDFG和CBR-DSBDFWPG［22］的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。計(jì)算和分析PMCBMR-DSWPG、DFIG、WBDFG、PMSG和CBR-DSBDFWPG的轉(zhuǎn)矩密度、硅鋼片質(zhì)量、永磁體質(zhì)量、銅質(zhì)量和材料成本，其結(jié)果如表6所示。由結(jié)果分析可知，PMCBMR-DSWPG的轉(zhuǎn)矩密度分別為DFIG、WBDFG、CBR-DSBDFWPG的3.43、2.04和1.36倍，轉(zhuǎn)矩密度高的優(yōu)勢較明顯，同時也略高于PMSG，從而驗(yàn)證了PMCBMR-DSWPG具有高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)點(diǎn)。也可看出PMCBMR-DSWPG每千瓦材料成本略高于其他發(fā)電機(jī)，但PMCBMR-DSWPG功率僅為315 kW，而其他電機(jī)都是兆瓦級電機(jī)。若PMCBMR-DSWPG達(dá)到兆瓦級，則其每千瓦成本會降低，這也是要求單機(jī)容量盡可能大的原因。綜合上述分析，研究新型PMCBMR-DSWPG具有重要的應(yīng)用價值和意義，未來有望成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究熱點(diǎn)之一。

5 結(jié) 論

本文研究一種新型永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子雙定子風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電?；赑MCBMR-DSWPG的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)一臺300 kW的PMCBMR-DSWPG，并對其功率分配、極槽配合、主要尺寸確定方法和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析和討論。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法分析和計(jì)算PMCBMR-DSWPG空載和負(fù)載運(yùn)行下其性能參數(shù)，并進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；同時將所提出的發(fā)電機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩密度和成本方面作比較。根據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果，獲得以下主要結(jié)論：

1）通過不同極槽配合的分析，總結(jié)出在電機(jī)主要尺寸、繞組線規(guī)和轉(zhuǎn)子相同條件下，PMCBMR-DSWPG氣隙磁通密度的諧波含量和波形波動隨槽數(shù)增加而減少；齒槽轉(zhuǎn)矩在極數(shù)相同和整數(shù)槽時隨槽數(shù)增加而減少，而齒槽轉(zhuǎn)矩周期在極數(shù)相同時隨槽數(shù)增加而增大，同時分?jǐn)?shù)槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩均低于整數(shù)槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。

2）對比和分析不同導(dǎo)磁層數(shù)和短路籠條數(shù)下PMCBMR-DSWPG內(nèi)單元電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力，可得內(nèi)單元電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力和功率繞組電動勢諧波含量均隨著導(dǎo)磁層" " 的增加而降低；然而轉(zhuǎn)子耦合能力隨著短路籠條組數(shù)的增加而增強(qiáng)并逐漸趨向平緩。

3）對比和分析斜槽與常規(guī)（不斜）槽下PMCBMR-DSWPG電磁性能，總結(jié)出在相同條件下斜槽發(fā)電機(jī)的有用諧波均高于常規(guī)槽電機(jī)的有用諧波，然而前者的高次諧波略低于后者，同時總結(jié)出高次諧波與極對數(shù)之間的關(guān)系。

4）分析和計(jì)算空載和負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下PMCBMR-DSWPG的性能，并進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均滿足設(shè)計(jì)電機(jī)和繞組連接的要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性，并總結(jié)出一套PMCBMR-DSWPG的電磁性能計(jì)算方法。

5）比較PMCBMR-DSWPG與DFIG、WBDFG、PMSG、CBR-DSBDFWPG的轉(zhuǎn)矩密度和成本，體現(xiàn)出研究PMCBMR-DSWPG的應(yīng)用價值和意義。

除上述獲得的結(jié)論外，研究永磁/籠障混合轉(zhuǎn)子DSWPG的電磁設(shè)計(jì)和性能分析，有助于對后續(xù)該類發(fā)電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)、溫升計(jì)算等研究提供有益參考。

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ELECTROMAGNETIC DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF

DUAL-STATOR WIND POWER GENERATOR WITH

PERMANENT-MAGNET/ CAGE-BARRIER MIXED ROTOR

Liu Hao，Niu Ziyi，Song Yakai

（School of Electrical and Control Engineering， Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract：Aiming at mainstream the problems of the permanent magnet synchronous generator with the high cost and the brush doubly-fed induction generator with the low reliability， combined with the requirements for the development of wind power generation， a new type of permanent magnet/cage-barrier mixed rotor dual-stator wind power generator with high power density and high reliability is proposed to apply in offshore wind power generation. The power density is related to the key parameters of electric machine， including the power distribution， pole-slot combinations and rotor coupling capability. According to the working principle and design requirements of the electric machine， a 300 kW dual-stator wind power generator with permanent-magnet/cage-barrier mixed rotor （PMCBMR-DSWPG） is designed， with the power distribution， main size determination method， slot-pole combinations and rotor couple capability considered. On this basis， the numerical method is used to analyze and discuss the performance parameters of the PMCBMR-DSWPG under the different operationg conditions， and compares it with experimental test results. At the same trme， the torque density and cost of the proposed PMCBMR-DSWPG is compared with that of the conventional electric machiney. From the results， it verifies the rationality and effectiveness of the design and analysis method in the PMCBMR-DSWPG. Meanwhile， it also proves that the proposed PMCBMR-DSWPG has the advantage of high torque density.

Keywords：wind power； synchronous generator； optimize structure； dual-stator； permanent-magnet/cage-barrier mixed rotor； electromagnetic design； torque density