基于解析法的直驅型永磁風力發電機的設計

2014-08-09 01:52:54王金平劉林波周曉燕

電機與控制應用 2014年12期

關鍵詞：發電機

王金平，劉林波，周曉燕

(1. 青島和力達電氣有限公司，山東青島 266042； 2. 青島理工大學，山東青島 266033)

0 引言

直驅型永磁風力發電機系統無齒輪箱結構，提高了整個發電系統的可靠性，降低了維護成本。采用永磁體勵磁，無勵磁損耗，使得電機效率大大提高，使得直驅型永磁風力發電機成為風力發電行業的研究熱點。

目前，電機設計多采用有限元法。在設計過程中，當電機參數發生變化時，有限元法必須重新生成模型、剖分，計算過程復雜。和有限元法相比，解析法無須重復建模、剖分，參數調整非常方便，有利于電機的優化設計[1]。

本文采用解析法對50kW直驅型分數槽永磁風力發電機進行了優化設計，討論了極槽配合等對電機設計參數的影響，得到了優化的電磁方案。

1 解析模型與邊界條件

永磁風力發電機模型如圖1所示。解析法中，為了簡化數學模型，假設： (1) 永磁體徑向充磁，相對磁導率μr=1；(2) 定子槽為扇形槽；(3) 定、轉子鐵心磁導率無窮大。

圖1 永磁風力發電機模型

在極坐標系r-θ下將整個求解域分為永磁體、氣隙和定子槽。3個求解域的矢量磁位分別滿足拉普拉斯方程和泊松方程[1]，具體如下：

(1)

式中：μ0——空氣磁導率；

M——永磁體磁化強度；

J——定子槽內電流密度；

i——第i個定子槽。

邊界條件[2]為

(2)

式中：Rm——永磁體半徑；

Rs、Rr——定子內徑、轉子外徑；

Rs1——定子槽內兩層繞組分界面半徑；

β——扇形槽的張角。

根據分離變量法，建立各區域的通解，將通解代入邊界條件中，得到方程組。應用MATLAB編程求解即可得各區域磁密分布，根據磁密分布可以求得電機各項電磁參數[1]。

2 不同極槽配合對齒槽轉矩的影響

在永磁風力發電系統中，為提高發電效率，發電機必須能在微風情況下起動，這就要求電機的起動阻力矩要小。永磁發電機的起動阻力矩主要是由電機的齒槽轉矩引起的，在電機設計中，極槽配合的選擇是降低齒槽轉矩的關鍵。

文獻[4]給出了單元電機極數和槽數選擇的約束條件，提出選用最小公倍數較大的極數2p和定子槽數Q的組合可以有效降低永磁發電機的齒槽轉矩。本文分別對50p45Q、50p153Q、64p60Q和64p198Q4種極槽配合的表貼式永磁發電機進行了設計比較。其中，50p45Q和64p60Q為分數槽集中繞組結構。該結構的電機具有繞組端部短、用銅量少以及可以使用繞線機進行機械化繞線等優點。為了方便比較，四臺電機基本仿真計算數據保持一致，如表1所示。

表1 50kW永磁風力發電機基本數據

解析法計算過程中為了簡化模型，用扇形槽模擬定子梨形槽，考慮槽口對齒槽轉矩的作用，在仿真的過程中保證扇形槽槽口與實際槽型的槽口寬度保持一致。

直驅型永磁風力發電機轉速低，屬于多極結構，153Q和198Q兩種又是多槽結構。應用解析法計算過程中生成的矩陣維數與極數、槽數以及氣隙諧波次數有關，故計算過程生成的矩陣龐大。考慮計算機硬件的局限性和誤差允許范圍，此次仿真過程中氣隙諧波次數取100，齒部諧波次數取20。圖2～圖5分別為4種極槽配合下的齒槽轉矩分布。