雙定子直驅式風力發電機的有限元建模

周迎春?肖慧慧?胡志軍

摘 要：有限元法適用于解決由多種材料組成、內部具有較多媒質分界面的電機設計問題，并能提高電機設計時的計算精度。本文用Maxwell對雙定子直驅式風力發電機進行了有限元建模與仿真，驗證了雙定子直驅式風力發電機的相關性能。

關鍵詞：雙定子；發電機；有限元

資助：湖南理工職業技術學院院級重點研究項目（Lgy12z001）資助。

0 引言

風能是一種的再生自然能源，它不產生任何污染排放物，因此風力發電技術受到國內外廣泛的關注，而推廣應用風力發電的關鍵是研制適合于風能轉換且運行可靠、效率高、供電性能良好的發電機系統和先進的控制技術。目前，風力發電發展的一個趨勢是用永磁發電機做成直驅式發電機，這樣可以提高電機效率，增大電機容量，節省電機材料，并且在電機的可靠性等方面具有很大的優勢。本文研究的雙定子直驅式風力發電機是由內外兩個同心的定子和一個杯型的轉子構成，在轉子的內外表面安裝了永磁體。

為了提高電機設計計算時的精確度，需對雙定子直驅式風力發電機進行電磁場有限元分析。Maxwell是Ansoft機電系統設計解決方案的重要組成部分，它功能強大、結果精確、易于使用，具有高性能矩陣求解器和多CPU處理能力，提供了最快的求解速度，并為用戶提供了一套良好的可視化開發環境，包括控制面板、執行命令、主控界面、建模器及材料生成器等。本文介紹了在Maxwell 2D中建立雙定子直驅式風力發電機模型的具體過程。

1 建立幾何模型

圖1 電機的幾何模型

在Maxwell中，任何實體都是由以下基本元素構成：關鍵點、線、面、體。而這四個基本元素之間的關系又可描述如下：由關鍵點可以連成線，由線可圍成面，由面經過旋轉、拖拉等操作可生產體。幾何模型的建立可以直接在Maxwell的Define Model下建立，也可以先在Autocad下畫圖，然后導入到Maxwell中來。為了保證電機電磁場分析的準確度，電機的幾何模型是按與實際的設計尺寸1：1的比例建立的。本文所述的雙定子直驅式風力發電機的結構是對稱的，考慮到其結構尺寸比較大，在這里只建立二維模型進行分析，下圖1是根據所選方案確定的電機基本參數建立的電機幾何模型的一部分。

2 確定邊界條件

應用有限元法求解電機電磁場時，應盡量縮小求解區域范圍，一般可取電機外側表面作為邊界面，當然這是一個強加的邊界面。由于鐵磁物質的磁導率遠遠大于空氣磁導率，這種近似在工程上是合理的。一般情況下認為磁力線沿電機外側表面閉合，這條邊界屬于第一類齊次邊界。很多情況下電機軸的外表面也被取為第一類齊次邊界。

圖2 電機的求解區域

本文所述雙定子直驅式風力發電機的求解區域如圖2所示，邊界條件為

如果定子鐵心十分飽和需要考慮外部漏磁，這條人工邊界應適當向外擴張。外移擴充范圍沒有十分嚴格的界限，因為這部分磁場很弱，衰減也很快。

3 網格的剖分

圖3 電機的網格剖分圖

有限元法得以實現的一個重要步驟是網格剖分，它是電磁場問題實現數值求解的第一步。網格的數量、分布和質量直接決定了數值計算的計算精度、解題效率和計算的經濟性。在網格的剖分過程中，必須對單元、節點進行編號，并在生成總體編碼的基礎上，按局部編碼順序形成各單元的節點編號，給出節點坐標，最后必須把這些信息全部存儲起來，以備下面的計算調用。

Maxwell有強大的網格劃分工具，能自動對模型進行網格劃分，網格劃分時采用自適應網格分析，系統進行迭代求解，對最大誤差存在的區域進行網格細化，得到較高的網格密度，從而生成更加準確的解。在每次迭代，計算系統總能量。由于求解誤差引起了能量百分比，因而檢查能量百分比來確定求解是否已經結束，或誤差百分比和最近兩次誤差百分比的變化是否達到指定值。在軟件進行計算的過程中，軟件會根據每一步的計算誤差自動增加網格剖分的數量，直到下一步的計算結果達到設計的要求。圖3為發電機模型的網格剖分圖。

4 分析求解

本文對所設計的雙定子電機進行了二維場有限元分析，得到其運行性能，下圖為電機空載感應電壓波形，和其他單定子電機相比較，該電機的空載電勢波形更為平滑。

圖4 空載電勢波形

5 結論

有限元法相比其他方法來說具有以下優點：幾何剖分靈活，適用于解決幾何形狀復雜、由多種材料組成、內部具有較多媒質分界面的電機；可節約計算機內存和CPU時間；方法的各個環節統一，程序易于實現標準化。本文用有限元法對雙定子直驅式風力發電機進行了仿真分析，從分析結果可以看出該電機具有良好的運行性能，適用于風力發電系統。

參考文獻

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作者簡介

周迎春（1972- ），女，湖南湘潭人，副教授，主要從事電機設計

研究。

肖慧慧（1982- ），女，碩士，講師，主要從事電機設計研究。

胡志軍（1965- ），男，副教授，主要從事電機設計研究。