盤式永磁同步發電機的設計及輸出特性分析

李 昊，楊 靜，劉宇航，王 超，陸言洲

（中國人民解放軍后勤工程學院機械電氣工程系，重慶401311）

盤式永磁同步發電機的設計及輸出特性分析

李 昊，楊 靜，劉宇航，王 超，陸言洲

（中國人民解放軍后勤工程學院機械電氣工程系，重慶401311）

盤式永磁同步發電機以其特殊的結構，優越的性能特點被廣泛地應用于小型垂直軸風力發電系統中。介紹了盤式永磁同步發電機的結構及工作原理，初步設計了一臺300W的無鐵心盤式永磁同步發電機，利用Maxwell軟件建立電機與負載電路聯合仿真模型，并對其進行靜態與瞬態仿真，研究空載與負載狀態下的電機性能，探討電機經三相不可控整流橋接直流負載時的性能變化，為下一步優化設計方案提供了理論基礎。

盤式永磁同步發電機；聯合仿真模型；三相不可控整流橋

中國風能資源豐富，風力發電建設速度迅猛，但還存在一些偏遠地區，地域地形復雜，人口分散，電網架設困難，同時蘊含豐富的風能資源［1］。為了改善當地的供電條件，充分利用風能資源，提出發展中小型風力發電系統的方案［2］，其中小型垂直軸風力發電系統被廣泛利用［3］。盤式永磁同步發電機以其結構簡單、便于安裝拆卸、體積小、能低風速啟動、運行風速范圍大［4－5］等性能優勢逐步被應用于此系統。

電機輸出轉矩的波動情況是檢驗系統穩定性的重要指標。目前針對盤式永磁同步發電機性能優化的工作已大量展開，大部分的優化方案多建立于空載以及阻性負載基礎上［6－10］。呂曉威等［6］以平均氣隙磁通密度和空載漏磁系數為目標，利用正交試驗法，實現400 W無鐵心盤式永磁同步電機的優化。劉明基等［9］以氣隙磁密諧波畸變率和氣隙磁密基波幅值大小為目標，提出Halbach磁體陣列與組合型磁極相結合的轉子結構對電機進行優化。以上優化方案中，電機的輸出轉矩波動較小，電機運行穩定，而電機經三相不可控整流橋接直流負載時，輸出轉矩會發生明顯波動，影響系統穩定。本文初步設計了一個雙轉子中間定子的無鐵心盤式永磁同步發電機，利用Maxwell軟件［11－12］對其進行建模以及空載和負載狀態的分析，著重探討電機經三相不可控整流橋接直流負載時的輸出轉矩變化，為下一步優化設計方案提供理論基礎。

1 結構和原理

1.1 電機結構

圖1為本文所研究的發電機結構示意圖，雙轉子夾中間定子繞組形成雙氣隙結構，采用表貼式永磁體，定子電樞繞組采用單層繞組預先繞制，環氧樹脂澆注固定。

1.2 主磁路分析

定子電樞盤的有效切割導體呈徑向分布，位于永磁體前方的面上，當轉子由風力機拖動至接近同步轉速時，盤式永磁同步發電機在氣隙中產生與電樞繞組交鏈的旋轉磁場，有效導體切割旋轉磁場，進而感應出三相交流電動勢［13］。工作時的磁路如圖2所示。可以看出：永磁體主磁通由N極流出，穿過氣隙，然后通過定子電樞盤，再穿過氣隙，到達相對應的N極，再通過轉子磁軛到達S極，后經氣隙與電樞盤到達本側S極，最后經過轉子磁軛回到N極，即“N極—氣隙—定子電樞盤—氣隙—N極—轉子磁軛—S極—氣隙—定子電樞盤—氣隙—S極—轉子磁軛—N極”。

圖1 雙轉子單定子結構

圖2 主磁通路徑

1.3 基本電磁關系

盤式永磁發電機磁通密度分布不均勻。圖3為電磁計算示意圖，以極坐標x和θ標示有效導體的空間位置，選取1對極下單個導體作為研究對象。圖3中R0，Ri為永磁體內外徑半徑，則在（x，θ）處d x長的導體產生的電勢為

其中：Ω為電機角速度，Bδ（θ）為電機平均半徑處的氣隙磁密。

根據電機工作原理，由等效磁路法，采用數學微積分，推導其基本電磁關系［14］：

式中：Ef為感應電動勢；Pe為電磁功率；Te為電磁轉矩；ns為同步轉速；N為每相導體數；kw為繞組系數；?i為計算極弧系數；Aav為平均電負荷；Bδ為氣隙磁密幅值；Din、Dout分別為永磁體內外徑直徑。

圖3 電磁計算示意圖

2 盤式永磁同步發電機設計

2.1 額定功率和額定電壓的選取

小型垂直軸風力發電系統具有“低風啟動、微風發電”的特點。本文設計研究的盤式永磁同步發電機緊貼系統特點，根據輸出端低電壓大電流，直接帶動負載或經整流過程為蓄電池充電儲能的情況，設定額定功率為300 W，額定相電壓為24 V。

由式（2）～（4）可知，電負荷A值決定了電機的利用系數，直接影響了電機尺寸的選取，與電機的運行參數，性能密不可分。電負荷的選取應重點考慮電機的散熱情況。盤式永磁同步發電機由風力機拖動至同步轉速。本文研究的小型垂直軸風力發電系統配套風力機的額定轉速為500 r／min，隨著風速增加，輸出功率變大，發熱也隨之增加，但由于其自身結構的優越性，散熱條件較為良好，因此可以選擇較大的A值。本文選取電機內徑處的A值為9 000 A／m。

2.2 電機主要尺寸的確定

根據傳統電機設計的尺寸公式以及電磁功率的表達式可知，當電機的外直徑與內直徑的比值為時，電磁功率為最大值。實際設計時，在綜合考慮電機損耗、導線的安放情況后，本文取為1.9。參照拓又達科技有限公司TYD350-1000w垂直軸風力發電機組產品，根據本文設計條件，選取電機內直徑為110 mm。

2.3 電機磁極的設計

電機磁極的選擇是電機設計中最關鍵的一步，涉及磁極材料、極對數、極弧系數、形狀、磁極厚度以及安裝方式的選擇。本文選用永磁體Nd-Fe35［15］，采用常用的扇形結構以及表貼式安裝方式［8］。小型垂直軸風力發電系統中風能通過葉片轉換為動能，帶動風力機，進一步經過盤式永磁同步發電機產生電能。根據本文所提到的風力機的額定轉速，在達到系統最佳葉尖速比時，由確定永磁體極對數為8。極弧系數的大小對氣隙磁場的分布有直接影響［16－17］。當極弧系數較大時，漏磁減少，但永磁材料增加，成本提高；極弧系數較小時，氣隙增大，每極磁通量減少，導致繞組匝數增加，銅損、熱損耗增加［18］。綜合考慮以上因素，本文選擇極弧系數為0.75。磁極厚度的選擇與氣隙大小有關，也會影響電機設計的經濟性。當氣隙大小與磁極極數不變時，增加磁極厚度，在一定范圍內可以加大氣隙磁密。本文初步選擇永磁體厚度為5mm，單邊氣隙1mm。電機參數如表1所示。

表1 電機設計參數

3 電機的有限元仿真

3.1 建立模型

根據選取的電機參數，利用Maxwell 3D建立電機的物理模型，對材料進行定義，設置邊界條件，添加激勵源，對網格進行劃分。

模型建立如圖4所示，網格剖分模型如圖5所示。

圖4 電機物理模型

圖5 網格剖分模型

3.2 靜態求解

電機靜態分析首先是驗證電機設計的合理性，其次是求解預先設定的參數。

利用Maxwell的后處理功能，可以直觀地觀察電機內磁場的分布，同時可以研究出氣隙磁場的變化規律。圖6是電機的磁場分布，可以清楚地驗證本文磁路的正確性以及設計的合理性。圖7是電機平均半徑處氣隙磁場密度隨周向長度變化的曲線。圖8是磁場峰值隨半徑變化圖。圖9是電機氣隙磁密云圖。由圖8和圖9可以清楚地看出，靠近中心處磁密較小，沿周向向兩側增大的趨勢。

圖6 電機磁場分布

圖7 平均半徑處磁場波形

圖8 磁場峰值隨半徑變化

圖9 電機氣隙磁密云圖

在靜態分析中，利用Maxwell求解出上下轉子的受力情況，求解結果如表2所示。

表2 電機受力分析

從表2的結果可以看出：雙轉子單定子結構的盤式永磁電機，上下轉子受力均沿軸向方向，大小相等，方向相反，克服了單邊磁拉力對軸承的負荷壓力。

3.3 瞬態分析

瞬態分析包括空載分析與負載分析，其中負載分析又可以分別對帶三相對稱電阻負載和三相不可控整流橋接直流負載進行分析。

空載特性是電機的基本特性之一，主要包括磁鏈特性分析、空載感應電動勢和轉矩特性。Maxwell中為了模擬發電機空載運行，利用其插件Circuit將外電路繞組設置為30 GΩ，空載回路如圖10所示。

由圖11（a）、（b）可以看出：電機空載時，氣隙中只有轉子上永磁體形成的旋轉磁場，電樞繞組與磁場交鏈，電機轉子在風力機的拖動下轉動，逐漸達到額定轉速，電樞繞組磁鏈不斷發生變化，產生相位滯后于磁鏈90°的感應電動勢。由圖11（c）可以看出：雖然電磁轉矩曲線波動較大，但平均值接近為0，表明在不考慮電樞繞組渦流和誤差時，空載時轉子上不存在電磁轉矩。

圖10 空載回路

圖11 空載時三相磁鏈、感應電動勢和轉矩特性

電機在如圖12所示的三相對稱電阻負載狀態下運行時，電樞反應與永磁體產生的主磁場形成合成磁場，電樞電流在合成磁場的作用下產生與運動方向相反的電磁力，形成電磁轉矩，將風力機輸入的機械能轉化為電能。圖13（a）、（b）、（c）分別為電機的磁鏈、感應電動勢和轉矩特性。

圖12 三相對稱電阻負載

觀察圖13（a）、（b）可以發現：發電機在三相對稱電阻負載狀態下運行時磁鏈以及感應電動勢依然具有較好的正弦性，與空載時曲線相一致，且各項性能參數變化不大，說明電機的輸出性能受三相對稱電阻負載的影響不大。電機輸出性能的變化與電樞反應、電樞繞組和永磁體工作點緊密相關。本文選取的是NdFe35永磁體，具有較高的永磁體工作點，同時電樞電流磁場遠遠小于永磁體形成的主磁場，因此電樞反應對主磁場的影響大大減少，同時由于定子電樞盤采用無鐵心結構，端部繞組減小，氣隙大，有效地減小了感應電動勢的變化率。圖13（c）可以看出：電機的電磁轉矩在3ms時開始趨于穩定，且波動較小，說明電機在三相對稱電阻負載狀態下運行平穩，可以充分利用風能進行發電。

電機在如圖14所示的三相不可控整流橋接直流負載狀態下運行時，此時電機的三相磁鏈、感應電動勢、電樞電流和轉矩特性如圖15（a）、（b）、（c）、（d）所示。

圖15（a）、（b）、（c）可以看出：與三相對稱電阻負載狀態相比，磁鏈與感應電動勢波形發生了明顯的畸變，三相不可控整流電路在對電機輸出的三相電壓進行整流的同時，形成了呈感性的電樞電流，產生了遠遠大于三相對稱電阻負載狀態下的電樞反應磁場，削弱了永磁體產生的主磁場，進而改變了永磁體的工作點，從而使磁鏈和感應電動勢發生畸變。

圖14 三相不可控整流橋接直流負載

圖15 三相不可控整流接直流負載時三相磁鏈、感應電動勢和轉矩特性

從圖15（d）可以看出，電磁轉矩的波動性明顯加強，在這種狀態下工作的電機穩定性下降。目前多數用于小型垂直軸風力發電系統的負載都為蓄電池，電機輸出的電壓都要經過整流過程儲存在蓄電池中。蓄電池的投切會引起負載轉矩的波動，進而影響電磁轉矩，對電機造成沖擊。

由于本文研究的盤式永磁同步發電機無鐵心結構，不會產生齒槽轉矩，因此轉矩的波動是由電樞反應造成的，電機在經三相不可控整流橋接直流負載狀態運行過程中，整流橋電路使交軸電樞反應增大，磁場發生畸變，引起整個磁場分布的不對稱，從而改變反電勢波形，產生轉矩波動。

通過對比分析可以發現電機經三相不可控整流橋接直流負載時，電機輸出轉矩波動明顯，系統穩定性下降，基于空載或阻性負載的結構優化參數不能滿足穩定性需求。本文選擇極弧系數進行了初步研究，電機輸出轉矩如圖16所示。對其做傅里葉分析，結果如表3所示，其中：N為諧波次數；T為輸出轉矩幅值；?為極弧系數。

圖16 極弧系數變化時電機輸出轉矩

表3 電機輸出轉矩傅里葉分析

由圖16及表3可以看出，改變極弧系數可以降低輸出轉矩的波動，提高系統穩定性。

4 結束語

本文利用Maxwell軟件建立無鐵心盤式永磁同步發電機與負載聯合仿真模型，根據小型垂直軸風力發電系統的特點，確定電機參數，通過靜態和瞬態分析，獲取電機磁力線和磁通密度分布圖表，驗證電機設計的合理性。通過電機在三相對稱電阻負載與經三相不可控整流橋接直流負載時電機性能的對比分析發現，同樣的電機參數在不同的負載狀態時會產生不同的電機性能，第2種狀態對電機的沖擊更大，電機參數優化的要求更高。通過改變極弧系數的大小驗證了這一結論，為下一步優化設計方案提供理論依據。

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（責任編輯楊文青）

Design and Output Characteristic Analysis of Disc Permanent M agnet Synchronous Generator

LIHao，YANG Jing，LIU Yu-hang，WANG Chao，LU Yan-zhou
（Logistics Engineering University of PLA，Chongqing 401311，China）

Disk permanent magnet synchronous generator is widely used in small vertical axis wind power generation system due to its special structure and excellent performance.This paper introduces the disc permanent magnet synchronous generator’s structure and working principle.A 300W coreless disc permanent magnet synchronous generator has been designed.By using software Maxwell，a model combining the generator and load is established，and the static and transient simulation of no-load and load state is discussed.The paper focuses on performance of the generator when supplying DC load by three-phase uncontrolled rectifier bridge.The results provide theoretical basis for the optimal method of the generator.

disc permanent magnet generator；model combining the generator and load；three-phase uncontrolled rectifier bridge

TM341；TM351

A

1674－8425（2016）12－0075－08

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.012

2016－07－13

李昊（1991—），男，山東乳山人，碩士研究生，主要從事移動電源與多能源發電技術，E-mail：554041474＠qq.com；楊靜（1973—），女，重慶人，博士，副教授，主要從事移動電源與多能源發電技術，E-mail：yj7329＠163.com。

李昊，楊靜，劉宇航，等.盤式永磁同步發電機的設計及輸出特性分析［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2016（12）：75－82.

format：LIHao，YANG Jing，LIU Yu-hang，WANG Chao，et al.Design and Output Characteristic Analysis of Disc Permanent Magnet Synchronous Generator［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：75－82.