新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
楊衛(wèi)平， 袁龍生，趙朝會(huì)
(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240)
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重、定轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力并存在鐵心損耗等問(wèn)題，采用Maxwell2D軟件，優(yōu)化I廣傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度。在轉(zhuǎn)了直徑不變的情況下，對(duì)定、轉(zhuǎn)子材料不『日的三種水磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模和仿真，比較分析了這三種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了新型尤鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)一仿真和計(jì)算結(jié)果表明：加入Halbach列后的新型無(wú)鐵心水磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種重量較輕、氣隙磁密相對(duì)較高的電機(jī)。
關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；無(wú)鐵心；氣隙磁密
中圖分類號(hào)：TM 315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(fēng)能成為研究熱點(diǎn)之一，風(fēng)力發(fā)電也引起了各國(guó)學(xué)者的不斷關(guān)注。
文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)的永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(DDPMG)類型(徑向結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)、軸向結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī))的研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有輔助磁極的切向磁鋼直驅(qū)發(fā)電機(jī)[2]，該電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵心損耗嚴(yán)重。文獻(xiàn)[3]介紹了一個(gè)軸向磁通永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了100 kW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但該電機(jī)的氣隙磁密較低，功率密度難以提高，導(dǎo)致材料利用率較低。文獻(xiàn)[4]介紹了10 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之問(wèn)的電磁吸力較大，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大，要求電機(jī)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(yán)重、鐵心損耗較大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力等問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]提出了一種定子元鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，該電機(jī)重量得到很大程度地減輕，但氣隙磁密相對(duì)較低，高功率密度難以滿足。
本文采用Ansoft軟件中的Maxwell2D平臺(tái)，優(yōu)化傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度，并對(duì)定、轉(zhuǎn)子分別為導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料三種組合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模與仿真，分析比較了這三種發(fā)電機(jī)的優(yōu)、缺點(diǎn)；最后，為了降低永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及優(yōu)化
l.1永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
圖1為水磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，表1顯示了電機(jī)的豐要結(jié)構(gòu)參數(shù)。
1．2永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，極數(shù)P與磁鋼寬度bm決定了電機(jī)極弧系數(shù)α的大小、在極距t相同(即極數(shù)一定)時(shí)，磁鋼寬度bm窄，則極弧系數(shù)α就小，電機(jī)氣隙磁密Bδ相對(duì)就較低；磁鋼寬度6。寬，則極弧系數(shù)α就大，電機(jī)氣隙磁密Bδ就相對(duì)較高。但bm過(guò)寬時(shí)，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(shí)，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(shí)，電機(jī)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(dāng)極數(shù)增大到50時(shí)，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(jī)極間漏磁增大，這點(diǎn)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(jī)的磁力線分布。
由以上討論可知，為了保證永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)較高的氣隙磁密和較小的極問(wèn)漏磁，選取電機(jī)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(jī)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(dāng)磁鋼寬度增加到33 mm時(shí)，氣隙磁密 |
