新型無鐵心永磁直驅(qū)風力發(fā)電機

    楊衛(wèi)平，  袁龍生，趙朝會

(上海電機學院電氣學院，上海200240)

       摘要：針對傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴重、定轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力并存在鐵心損耗等問題，采用Maxwell2D軟件，優(yōu)化I廣傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度。在轉(zhuǎn)了直徑不變的情況下，對定、轉(zhuǎn)子材料不『日的三種水磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行了建模和仿真，比較分析了這三種發(fā)電機的優(yōu)缺點，提出了新型尤鐵心永磁直驅(qū)風力發(fā)電機一仿真和計算結(jié)果表明：加入Halbach列后的新型無鐵心水磁直驅(qū)風力發(fā)電機是一種重量較輕、氣隙磁密相對較高的電機。

    關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)風力發(fā)電機；無鐵心；氣隙磁密

    中圖分類號：TM 315文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05—0011-05

0 引言

      在能源短缺的今天，作為可再生能源的風能成為研究熱點之一，風力發(fā)電也引起了各國學者的不斷關(guān)注。

    文獻[1]通過對幾種常見的永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(DDPMG)類型(徑向結(jié)構(gòu)發(fā)電機、軸向結(jié)構(gòu)發(fā)電機)的研究，設(shè)計了一臺具有輔助磁極的切向磁鋼直驅(qū)發(fā)電機[2]，該電機為切向結(jié)構(gòu)和徑向結(jié)構(gòu)的組合，減小了轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體的漏磁，提高了氣隙磁密；但電機結(jié)構(gòu)復雜，鐵心損耗嚴重。文獻[3]介紹了一個軸向磁通永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，并優(yōu)化設(shè)計了100 kW的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，但該電機的氣隙磁密較低，功率密度難以提高，導致材料利用率較低。文獻[4]介紹了10 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，雖然其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但電機定、轉(zhuǎn)子之問的電磁吸力較大，使得電機的結(jié)構(gòu)重量大，要求電機有一定的結(jié)構(gòu)剛度。

  為了解決傳統(tǒng)DDPMG結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴重、鐵心損耗較大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力等問題，文獻[5]提出了一種定子元鐵心永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，該電機重量得到很大程度地減輕，但氣隙磁密相對較低，高功率密度難以滿足。

    本文采用Ansoft軟件中的Maxwell2D平臺，優(yōu)化傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度，并對定、轉(zhuǎn)子分別為導磁材料和非導磁材料三種組合的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行了建模與仿真，分析比較了這三種發(fā)電機的優(yōu)、缺點；最后，為了降低永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、重量，并且保持較高的氣隙磁密，提出永磁體采用Halbach陣列的新型無鐵心永磁直驅(qū)風力發(fā)電機。

1  永磁直驅(qū)風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及優(yōu)化

l.1永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

    圖1為水磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖，表1顯示了電機的豐要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1．2永磁直驅(qū)風力發(fā)電機極數(shù)、磁鋼厚度和磁鋼寬度的確定

    圖1所示的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，極數(shù)P與磁鋼寬度bm決定了電機極弧系數(shù)α的大小、在極距t相同(即極數(shù)一定)時，磁鋼寬度bm窄，則極弧系數(shù)α就小，電機氣隙磁密Bδ相對就較低；磁鋼寬度6。寬，則極弧系數(shù)α就大，電機氣隙磁密Bδ就相對較高。但bm過寬時，將出現(xiàn)極間漏磁，使得Bδ增加不多。

l.2.1極數(shù)的選擇

    在磁鋼寬度bm=33 mm、極數(shù)不同時，極弧系數(shù)和氣隙磁密Bδ的變化情況，如表2所示。

    由表2可以繪制出圖2所示在磁鋼厚度hm=12 mm和磁鋼寬度bm=33 mm時，電機極數(shù)P與氣隙磁密Bδ之間的關(guān)系益線。

    由圖2看Ⅲ：在磁鋼厚度、磁鋼寬度、氣隙一定的情況下，隨著檄數(shù)的增加，氣隙磁密逐漸增大；但當極數(shù)增大到50時，氣隙磁密的增加量明顯減小，原因是隨著極數(shù)的增加，電機極間漏磁增大，這點可以從圖3看出，圖3所示為不同極弧系數(shù)下(即不同極數(shù))電機的磁力線分布。

      由以上討論可知，為了保證永磁直驅(qū)風力發(fā)電機較高的氣隙磁密和較小的極問漏磁，選取電機的極數(shù)為50，即極弧系數(shù)為O.875。

l.2．2磁鋼寬度的選擇

    圖4為P=50、磁鋼厚度hm=12 mm的情況下，磁鋼寬度bm與電機氣隙磁密之間的關(guān)系。

    由圖4可以看出：在極數(shù)P、磁鋼厚度、氣隙一定的情況下，隨著磁鋼寬度的逐漸增加，氣隙磁密逐漸增大，但當磁鋼寬度增加到33 mm時，氣隙磁密