離網型小功率直驅永磁同步風力發電機設計與有限元仿真

符 榮，竇滿峰

(1.西北工業大學，陜西西安710072;2.渭南師范學院，陜西渭南714000)

0 引 言

隨著可再生能源的日益緊張，風能作為綠色可再生能源之一受到了越來越多的關注［1］。近幾年，隨著高性能永磁材料的出現，小功率直驅式永磁同步發電機也成為研究的熱點。與傳統電勵磁同步發電機相比，永磁同步發電機由于轉子由永磁體直接勵磁，省掉了容易出現問題的集電滑環、電刷等裝置，從而提高了永磁同步發電機運行的可靠性和效率;同時，直驅式永磁同步發電機的轉軸直接與風輪機耦合，它們之間取消了增速齒輪箱機構，使得整個風力發電系統的結構更加簡單緊湊，減少了振動和噪音，降低了維護成本，延長了離網型直驅永磁同步風力發電系統(如圖1所示)的使用壽命。

圖1 離網型直驅永磁同步風力發電系統框圖

我國地形復雜，人口眾多，居住分散，像內蒙古、新疆等地區以及一些特殊的地區，如：牧區、海島及邊防哨卡，往往是電網無法涉及的地方，所以，離網型小功率直驅永磁同步風力發電機在城市路燈、電動漁船、家庭照明等方面都得到了廣泛應用［2］。

1 小功率直驅永磁同步發電機設計特點

在普通大功率永磁同步發電機設計方法的基礎上，離網型小功率直驅永磁同步發電機具有以下設計特點：

(1)離網型小功率直驅式永磁同步發電機由于取消了增速齒輪箱機構，永磁同步發電機轉軸直接與風輪機耦合，所以發電機額定轉速比較低，一般不超過500 r/min;同時，為了增加系統風能的利用率和風輪機的輸出功率，要求在風速較低時(通常3 m/s)，就能夠克服阻轉矩，迅速起動，快速發電。因此，要求所設計的小功率直驅永磁同步發電機要盡可能地減小齒槽轉矩所產生的起動阻轉矩。

(2)考慮到小功率直驅永磁同步風力發電機的功率等級比較小，發電機損耗中銅耗比例大;而發電機轉速一般都比較低，使得電機鐵心中磁場變化的頻率比較低，所以，鐵耗占電機損耗比例較小;同時，考慮到永磁同步風力發電機長時運行時，定子溫升比轉子溫升要明顯，采用內轉子式，可以有效地增加定子散熱面積，提高風力發電機運行的可靠性。針對上述特點，在選擇小功率直驅永磁同步風力發電機結構時，采用內轉子結構而不采用外轉子結構。

(3)由于永磁同步發電機由轉子永磁體勵磁，其勵磁磁場固定，無法隨意調節，而小功率永磁同步發電機的自身銅耗較大，使得發電機的固有電壓調整率比較高，所以，在選擇電機轉子永磁體勵磁方式時，必須選擇電壓調整率較小的永磁體勵磁方式進行設計，以保證負載運行時的風力發電機能高效運行。

2 電磁設計

2.1 技術指標

表1 永磁同步發電機的主要技術指標

2.2 定子設計

小功率低速直驅永磁同步風力發電機采用蓄電池儲能，選取過高的額定輸出電壓，必須用更多的蓄電池，考慮到整機成本，一般額定輸出直流電壓不取得很高，即小功率直驅永磁同步風力發電機具有低壓大電流的特點。例如，本文所研制的永磁同步發電機容量為2 kVA，額定直流電壓僅為48 V，這樣該電機的額定電流比較大，電機的線負荷比較高，電機的銅耗大，約占總損耗的70%左右。

2.2.1 定子沖片設計

在設計永磁同步發電機定子沖片時，原則上，在保證定子鐵心沖片有足夠的機械強度及磁通密度允許的前提下，應盡量減小齒寬和軛部高度，增大定子槽面積，增加定子繞組導線面積，減少繞組每相串聯匝數，這樣就可以降低電機銅耗，提高電機效率。

2.2.2 定子繞組設計

從電機理論上講，采用定子斜槽、轉子斜極及分數槽繞組都可以降低永磁同步發電機齒槽轉矩引起的阻轉矩。但是，考慮到小功率永磁同步發電機的體積小，空間受到限制，如果采用定子斜槽往往對發電機電氣性能有所影響;而轉子斜極很難從工藝上實現對轉子磁鋼扭到合理尺寸;所以，綜合考慮加工工藝和加工成本后，采用分數槽繞組則成為小功率直驅永磁同步發電機抑制齒槽轉矩最為有效的方法。

本文所研制的2kVA直驅永磁同步發電機，采用定轉子槽極比為45/14的分數槽繞組來降低齒槽轉矩引起的起動阻轉矩;同時，為了減小反電勢的波形畸變率，采用120°相帶雙層分布式繞組。

2.3 轉子結構設計

2.3.1 轉子極對數的選取

為了保證直驅永磁同步發電機輸出頻率在正常頻率范圍內(30～80 Hz)，轉子永磁體一般選擇極對數較多的形式，本文選取電機轉子極對數p=7。

2.3.2 爾雅通識課程學習效果情況。爾雅通識課程以網絡在線教學為依托，學生在規定的教學周內自主制定學習計劃，通過觀看教學視頻、完成課堂測驗、參與提問、討論及參加考核等方式進行學習，教學視頻和課堂測驗總共完成達到80%方有資格參加考試。爾雅通識課程成績由四部分組成，即視頻學習（30%）+課堂測驗（35%）+訪問數（5%）+考試成績（30%），成績達到60分即為合格可獲取相應的學分，否則需要重修或者選修其他課程獲取學分。2016—2017學年第二學期的學習結果統計分析顯示，開設185門課程，1 360人次獲得考試資格，最終1 346人次獲得學分，通過率達99%。

當定子直徑確定后，由于轉子永磁體磁極數量較多而造成磁極極距較小，尤其是內轉子結構，永磁體的有效放置空間比外轉子結構要小;但是，由于本文研制的屬于小功率等級的發電機，選擇內轉子結構，不僅減小了轉軸尺寸，使發電機轉軸與風輪機耦合安裝方便，同時，增強了風機長時運行的可靠性，并且，勵磁磁勢完全能滿足設計要求。

2.3.2 永磁體勵磁方式的選擇

永磁同步發電機轉子結構通常根據永磁體勵磁方式的不同，可分為徑向式、切向式、軸向式、混合式，其中徑向式和切向式最為常見，如圖2所示。

圖2 永磁同步發電機轉子結構示意圖

徑向式轉子結構如圖2(a)所示。永磁體采用表貼式，在永磁體外圓設有護環，護環對內產生預緊力，可提高電機運行的可靠性;同時，永磁體磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數較切向結構小;而且，制造工藝相對簡單，加工方便。

切向式轉子結構如圖2(b)所示。永磁體采用內置式永磁結構，轉子外圓無需護環，可靠地固定在轉子鐵心中;切向式轉子磁路結構中，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁系數比徑向式結構要大;而且切向式轉子結構的制造工藝也較為復雜;但這種結構可以起到聚磁效果，提供較大的氣隙磁通。

本文所研制的2 kVA直驅永磁同步發電機采用徑向式轉子結構;并且，在轉子鐵心中開有通風孔，增強了轉子通風散熱的效果。

3 電磁場有限元仿真分析

考慮到永磁電機磁路的非線性，以及永磁材料具有飽和的特點，采用傳統磁路法設計永磁同步發電機需要大量的經驗和修正系數，經驗系數的引入使得傳統磁路計算的準確性變得難以保證。

為了提高永磁同步發電機磁路設計結果的精確性，縮短研發周期，降低研發成本，本文采用MagNet電磁場仿真軟件，對所設計的2 kVA永磁同步發電機進行了全面的有限元仿真分析計算，通過多循環場路結合的計算方法，最終，使所設計的2 kVA直驅永磁同步風力發電機完全滿足設計指標的要求。

3.1 空載有限元仿真結果

利用電磁場MagNet軟件，首先對所設計電機進行幾何建模，再通過物理屬性設定，網格剖分、求解、后處理等過程，計算出2 kVA徑向式永磁同步發電機的空載氣隙磁密分布波形，如圖3所示。將計算出的波形數據進行處理，得到該電機空載氣隙磁密平均值為0.68 T，空載漏磁系數1.07。圖4是2 kVA永磁同步發電機空載磁場分布云圖。

圖3 沿氣隙圓周的空載氣隙磁密分布波形

圖4 空載磁場分布云圖

對空載反電勢進行有限元仿真，首先對繞組進行定義和設定，再進行動態求解，得到如圖5所示的空載反電勢波形，計算出空載反電勢有效值為82.7 V;并對發電機空載反電勢波形進行諧波分析，計算出該反電勢波形畸變率僅為0.442%。

圖5 空載反電勢波形

3.2 齒槽轉矩有限元仿真結果

通過有限元仿真分析，計算出該發電機齒槽轉矩隨時間的變化，如圖6所示，最大齒槽轉矩的幅值僅為0.2 N·m，占額定負載轉矩的0.314%。說明采用特殊定轉子槽極配比的分數槽繞組，對該發電機齒槽轉矩的抑制取得了良好的效果，從而降低了該發電機起動時的阻轉矩，保證了該發電機在低風速時能夠正常起動工作;同時，較小的齒槽轉矩也減小了系統運轉過程中自身產生的轉矩波動。

圖6 發電機齒槽轉矩波形

3.3 額定負載有限元仿真結果

當設定電機轉速為300 r/min，帶額定負載運行時，采用有限元進行負載場分析，計算出所設計發電機的電磁轉矩、電磁功率，由圖7和圖8可見，該發電機能夠輸出設計要求的轉矩和功率。

圖7 帶額定負載運行時電磁轉矩隨時間的變化

圖8 帶額定負載運行時的電磁功率

帶額定負載運行時的負載電壓波形如圖9所示，通過計算得到，該發電機的固有電壓調整率為8.08%，符合設計指標要求;并且，該發電機的負載輸出電壓波形畸變率也僅為0.42%，說明采用分數槽繞組和120°相帶雙層分布式繞組，有效地抑制了發電機高次諧波電勢，使該發電機輸出電壓波形具有較好的正弦度。

圖9 帶額定負載運行時的負載電壓波形

4 樣機實驗

為了驗證樣機技術指標，對2 kVA永磁同步發電機進行了實驗室測量，當樣機轉速達到設計值的300 r/min時，試驗結果如表2所示，發電機轉速300 r/min時相當于實際風速達到額定風速8 m/s，樣機實驗測量的各項指標都達到設計值。

表2 永磁同步發電機試驗結果

當原動機拖動樣機轉速達到80 r/min時，相當于實際風速約為3 m/s時，2 kVA永磁同步發電機輸出交流電壓有效值為17.32 V，通過控制器，此時發電機輸出電壓可以對蓄電池進行充電。

同時，2 kVA永磁同步發電機樣機安裝到直驅風力發電機系統中，已通過風場實際測試開始投產。風場測試結果表明，整個風力發電系統在3m/s的低風速下，能快速起動，控制器輸出直流電壓達到40.5 V，輸出功率達到32.4 W，風力發電機開始對蓄電池進行充電，從而證明所設計的2 kVA永磁同步發電機起動阻轉矩小，能保證風力發電系統在3 m/s的低風速下快速切入工作。

5 結 語

針對小功率直驅永磁同步風力發電機的設計特點，作者研制了一臺2 kVA城市路燈用離網型直驅永磁同步風力發電機。本文用有限元法對該樣機進行了較為全面的分析，并且，通過實驗室對拖實驗，測得2 kVA永磁同步發電機效率高，固有電壓調整率小;在實際風場運行測試中，整個風力發電機系統在3 m/s的低風速下就能快速切入工作，證明了所設計的2 kVA永磁同步發電機起動阻轉矩小，達到了小功率直驅風力發電機的設計特點要求。本文對離網型小功率直驅永磁同步風力發電機的進一步深入研究及推廣應用奠定了理論和技術基礎。

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