永磁同步風力發(fā)電機設計參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響
鄧秋玲10，黃守道2，劉婷2
（1湖南工程學院電氣與信息工程系，湘潭411101；2湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082）
摘要：研究了2 mw永磁同步風力發(fā)電機的某些設計參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。研究表明槽數(shù)和極數(shù)配合對齒槽轉(zhuǎn)矩有重要影響，它也影響****斜槽和****極弧系數(shù)，也決定了輔助齒槽的****數(shù)值。該文引入了一個與槽數(shù)和極數(shù)成比例，而與它們的最小公倍數(shù)成反比例的利益因子來表示槽數(shù)和極數(shù)配合的好處。一般說來，利益因子越大，齒槽轉(zhuǎn)矩也越大。仿真結(jié)果證明了提出方法的效果。
關(guān)鍵詞：齒槽轉(zhuǎn)矩；永磁；同步發(fā)電機；電機設計
中圖分類號：tm315：tm313 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848 (2010) 07-0009-04
0引 言
在傳統(tǒng)的風電系統(tǒng)中，風輪機必須通過齒輪箱和發(fā)電機相連接，齒輪箱的存在會使系統(tǒng)遭受機械故障，齒輪又是噪聲的主要來源，還會引起功率損耗，并增加成本。因此為了增加系統(tǒng)的可靠性和降低維護費用，可以取消齒輪箱。由于永磁材料磁性能的改善和價格的降低，可用永磁體代替同步電機的勵磁繞組，使永磁發(fā)電機極距減小，電機的轉(zhuǎn)速可以設計得較低，因此永磁同步發(fā)電機是直驅(qū)風輪****的方法[l-2]。永磁同步發(fā)電機還具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點。然而，由于永磁電機磁路結(jié)構(gòu)在空間呈周期性分布，在某些情況下會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，
因而會引起時片的速度脈動并帶來振蕩，齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會降低風輪機的切入速度，使風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的利用率降低。因此，降低齒槽轉(zhuǎn)矩也是永磁同步風力發(fā)電機一個重要的設計目標。
本文研究了2 mw永磁同步發(fā)電機某些設計參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。特別是齒槽配合對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，也考慮了齒槽配合與某些設計參數(shù)之間的關(guān)系，如齒槽配合與極弧、斜槽、輔助齒槽等設計參數(shù)之間的關(guān)系。
1齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理及解析分析
永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體磁動勢諧波和開槽引起的氣隙磁導諧波共同作用產(chǎn)生的。當定轉(zhuǎn)子存在相對運動時，處于永磁體極弧部分的電樞齒與永磁體間的磁導基本保持不變，因此這些電樞齒周圍的磁場也基本保持不變，而與永磁體兩側(cè)面對應的由一個或兩個電樞齒所構(gòu)成的一小段區(qū)域內(nèi)，磁導變化大，引起磁場儲能變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電機不通電時的磁場能量w相對于位置角的負導數(shù)，即：
因此，齒槽轉(zhuǎn)矩主要發(fā)生在磁極間的邊緣磁場和定子槽區(qū)域之間，典型的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖l所示。從圖中看出，當極間軸線分別與齒中心和槽中心對齊時瞬態(tài)齒槽轉(zhuǎn)矩為零。齒槽轉(zhuǎn)矩正的****和負的****值發(fā)生在極間軸線差不多與槽的邊緣對齊的位置。
為了便于分析，作以下假設：①電樞鐵心的磁導率無窮大，永磁材料的磁導率與空氣的相同；②除特別說明外，同一電機中的永磁體形狀尺寸相同、性能相同、均勻分布；③鐵心疊壓系數(shù)為1。
由假設得到：電機內(nèi)存儲的磁場能量近似為電機氣隙和永磁體中的磁場能量：
可知：磁場能量取決于電機的結(jié)構(gòu)尺寸、永磁體的性能以及定轉(zhuǎn)子之間的相對位置。對電機的齒槽轉(zhuǎn)矩進行仿真，可將繞組的電源改為電流源，并將其值賦為零，此時電機的轉(zhuǎn)矩就是齒槽轉(zhuǎn)矩。
由虛位移法可以得到齒槽轉(zhuǎn)矩的表達式：
2槽數(shù)和板數(shù)配合的選擇
由式(3)可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩的頻率與電機的極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)有關(guān)系。對每極槽數(shù)為整數(shù)的電機來說，在電機轉(zhuǎn)過兩個齒的時間內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩一般波動2次，經(jīng)歷兩個周期。例如180槽，90極的電機其兩個齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖2(a)所 |
