C型轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究

余成龍 范春麗 龍覺敏

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240）

0 引言

為了解決能源危機(jī)，世界各國都在積極利用和發(fā)展新能源發(fā)電［1］。其中風(fēng)能因可供開發(fā)的總量大、分布廣泛、無污染、永不枯竭等特點(diǎn)，日益成為新能源發(fā)電的焦點(diǎn)［2］。

無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有低損耗、高效率等特點(diǎn)，同時還消除了齒槽轉(zhuǎn)矩，減輕了電機(jī)結(jié)構(gòu)重量［3］，因而成為了風(fēng)力發(fā)電研究的重點(diǎn)。但早期一般認(rèn)為無鐵芯永磁同步電機(jī)僅適用于中小功率的電機(jī)。英國學(xué)者E.Spooner首次把無鐵芯技術(shù)用于大型風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電，提出了定子無鐵芯大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)［4］，相對于有鐵芯電機(jī)重量可減輕70%～80%，效率可大于90%，但氣隙很大，氣隙磁密較低。挪威科技大學(xué)張兆強(qiáng)教授和A.Matveev等人在分析海上風(fēng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種10 MW 無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案，該發(fā)電機(jī)外徑接近25m，因?yàn)椴捎昧藷o鐵芯結(jié)構(gòu)，大大減輕了結(jié)構(gòu)重量，使這種巨型電機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。美國能源科技公司采用超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)的10 MW 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)SeaTitan是當(dāng)今世界上容量最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。英國愛丁堡大學(xué)的Mueller等人提出了C 型轉(zhuǎn)子、定子無鐵芯結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)［5］，其基本結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子采用C 型鐵芯模塊組合，無鐵芯定子繞組位于C型鐵芯模塊中間。本文重點(diǎn)研究了C型模塊特殊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，最后結(jié)合工程實(shí)際中該電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)論證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

1 C型鐵芯模塊介紹

每個C型鐵芯模塊主要由內(nèi)臂、外臂、背軛及永磁體四部分組成，永磁體貼裝于內(nèi)、外臂的內(nèi)側(cè)。內(nèi)、外臂由導(dǎo)磁材料制成，背軛可以是導(dǎo)磁材料也可以是非導(dǎo)磁材料，當(dāng)背軛采用導(dǎo)磁材料時一個獨(dú)立的C型模塊磁路如圖1（a）所示，C 型鐵芯中磁力線環(huán)繞磁通所在平面與轉(zhuǎn)子運(yùn)動方向垂直，稱為橫向C 型鐵芯磁通。當(dāng)背軛采用非導(dǎo)磁材料時C 型模塊磁路如圖1（b）所示，C型鐵芯中磁力線環(huán)繞磁通所在平面與轉(zhuǎn)子運(yùn)動方向平行，稱為縱向C型鐵芯磁通。當(dāng)多個C型鐵芯模塊緊密相連且C型鐵芯的背軛為導(dǎo)磁材料時，縱向C型鐵芯磁通和橫向C 型鐵芯磁通同時起作用。

2 C型鐵芯電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

C型鐵芯轉(zhuǎn)子、定子無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分由多個C 型模塊組裝而成，C 型模塊使用特別靈活，可以用于組成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)，既可以組成軸向電機(jī)，也可以組成徑向電機(jī)。因?yàn)镃型鐵芯電機(jī)模型定子沒有鐵芯，所以不存在齒槽轉(zhuǎn)矩，振動噪聲小，而且電機(jī)由多個C 型塊組裝而成，使電機(jī)運(yùn)行維護(hù)更方便，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問題時，只需要更換相應(yīng)的有問題的C型塊即可，不必整機(jī)維修。

圖1 C型轉(zhuǎn)子的橫向與縱向磁通結(jié)構(gòu)

下面以一臺額定功率10kW、額定轉(zhuǎn)速70r/min的電機(jī)為例研究了C型電機(jī)磁場性能和輸出性能。C型鐵芯模型如圖2所示，電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：電機(jī)外徑660 mm，電機(jī)內(nèi)徑452mm，C 型塊內(nèi)外臂厚度20 mm，C 型塊內(nèi)外臂間距離61mm；C型塊個數(shù)為24個，C 型塊材料為10#鋼，永磁體材料為N35，電樞繞組線規(guī)為1.81mm，繞組連接類型為Y 型。

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)C型鐵芯模型

3 C型鐵芯電機(jī)靜磁場性能

C型電機(jī)靜磁場中磁密大小和波形是電機(jī)性能評價的重要依據(jù)，采用有限元法對電機(jī)電磁場進(jìn)行數(shù)值分析是目前工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛、最為有效的方法。Maxwell 3D 是Ansoft有限元仿真軟件的重要組成部分，利用Maxwell中的計(jì)算結(jié)果來評價電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，是電機(jī)設(shè)計(jì)工作中很實(shí)用的辦法。

通過Maxwell計(jì)算得出結(jié)果，轉(zhuǎn)子軛部的磁密為1.34T，磁密幅值在0.63T 左右。通過傅里葉分解求出各次諧波的大小，計(jì)算結(jié)果氣隙磁密正弦性很好。

4 C型鐵芯電機(jī)輸出性能

發(fā)電機(jī)空載電壓波形的好壞，對發(fā)電機(jī)發(fā)電質(zhì)量有著直接影響。空載電壓的諧波畸變率是國內(nèi)外衡量電勢波形質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時也是發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)，它是指電壓波形中除基波外的其余各次諧波的有效值平方和的平方根與基波有效值之比，采用百分?jǐn)?shù)表示。為了方便分析，可以均采用幅值，如下式所示：

式中，Unmax為n次諧波幅值；U1max為基波幅值。

使用式（1）求出空載反電勢的諧波畸變率約為2.05%，符合國家對于功率低于300kW 的同步發(fā)電機(jī)要求空載電壓諧波畸變率低于10%的標(biāo)準(zhǔn)。按照以上參數(shù)建立的電機(jī)模型輸出的空載相電壓為130 V，相電流為26 A，完全符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

文章研究的是一種新型的無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即轉(zhuǎn)子采用C型鐵芯結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，介紹了該電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)以及采用該結(jié)構(gòu)能夠消除齒槽轉(zhuǎn)矩、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，然后從電機(jī)的靜磁場特性和輸出特性數(shù)據(jù)證明了設(shè)計(jì)的合理性。

［1］王鳳翔.永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（3）：12－24.

［2］陳學(xué).新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及傳統(tǒng)能源行業(yè)戰(zhàn)略選擇淺析［J］.石油商技，2012（2）：44－49.

［3］楊衛(wèi)平，袁龍生，趙朝會.新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（5）：11－15.

［4］Spooner E，Gordon P，Bumby J R，et al.Lightweight ironlessstator PM generators for direct－drive wind turbines［J］.IEE Proceedings on Electric Power Applications，2005，152（1）：17－26.

［5］Mueller M A，Mcdonald A S.A lightweight low－speed permanent magnet electrical generator for direct－drive wind turbines［J］.Wind Energy，2009，12（8）：768－780.