新型无铁心永磁直驱风力发电机*
2010-08-28杨卫平袁龙生赵朝会
杨卫平, 袁龙生, 赵朝会
(上海电机学院电气学院,上海 200240)
0 引言
在能源短缺的今天,作为可再生能源的风能成为研究热点之一,风力发电也引起了各国学者的不断关注。
文献[1]通过对几种常见的永磁直驱同步发电机(DDPMG)类型(径向结构发电机、轴向结构发电机)的研究,设计了一台具有辅助磁极的切向磁钢直驱发电机[2],该电机为切向结构和径向结构的组合,减小了转轴侧永磁体的漏磁,提高了气隙磁密;但电机结构复杂,铁心损耗严重。文献[3]介绍了一个轴向磁通永磁直驱风力发电机,并优化设计了100 kW的永磁直驱风力发电机,但该电机的气隙磁密较低,功率密度难以提高,导致材料利用率较低。文献[4]介绍了10 MW永磁直驱风力发电机,虽然其结构简单、工作可靠,但电机定、转子之间的电磁吸力较大,使得电机的结构重量大,要求电机有一定的结构刚度。
为了解决传统DDPMG结构重量大、齿槽转矩严重、铁心损耗较大且定、转子之间存在电磁吸力等问题,文献[5]提出了一种定子无铁心永磁直驱风力发电机的结构,该电机重量得到了很大程度地减轻,但气隙磁密相对较低,高功率密度难以满足。
本文采用Ansoft软件中的Maxwell2D平台,优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度,并对定、转子分别为导磁材料和非导磁材料三种组合的永磁直驱风力发电机进行了建模与仿真,分析比较了这三种发电机的优、缺点;最后,为了降低永磁直驱风力发电机的结构、重量,并且保持较高的气隙磁密,提出了永磁体采用Halbach阵列的新型无铁心永磁直驱风力发电机。
1 永磁直驱风力发电机结构参数的选取及优化
1.1 永磁直驱风力发电机的结构
图1为永磁直驱风力发电机的结构图,表1显示了电机的主要结构参数。
图1 电机的结构图
表1 电机的结构参数
1.2 永磁直驱风力发电机极数、磁钢厚度和磁钢宽度的确定
图1所示的永磁直驱风力发电机,极数P与磁钢宽度bm决定了电机极弧系数α的大小。在极距τ相同(即极数一定)时,磁钢宽度bm窄,则极弧系数α就小,电机气隙磁密Bδ相对就较低;磁钢宽度bm宽,则极弧系数α就大,电机气隙磁密Bδ就相对较高。但bm过宽时,将出现极间漏磁,使得Bδ增加不多。
1.2.1 极数的选择
在磁钢宽度bm=33 mm、极数不同时,极弧系数和气隙磁密Bδ的变化情况,如表2所示。
由表2可以绘制出图2所示在磁钢厚度hm=12 mm和磁钢宽度bm=33 mm时,电机极数P与气隙磁密Bδ之间的关系曲线。
由图2可看出:在磁钢厚度、磁钢宽度、气隙一定的情况下,随着极数的增加,气隙磁密逐渐增大;但当极数增大到50时,气隙磁密的增加量明显减小,原因是随着极数的增加,电机极间漏磁增大,这一点可以从图3看出,图3所示为不同极弧系数下(即不同极数)电机的磁力线分布。
表2 气隙磁密Bδ随极数的变化情况
图2 极数P与气隙磁密Bδ的关系
图3 不同极弧系数下电机的磁力线分布
由以上讨论可知,为了保证永磁直驱风力发电机较高的气隙磁密和较小的极间漏磁,选取电机的极数为50,即极弧系数为0.875。
1.2.2 磁钢宽度的选择
图4为P=50、磁钢厚度hm=12 mm的情况下,磁钢宽度bm与电机气隙磁密之间的关系。
由图4可以看出:在极数P、磁钢厚度、气隙一定的情况下,随着磁钢宽度的逐渐增加,气隙磁密逐渐增大,但当磁钢宽度增加到33 mm时,气隙磁密的增加量减小,原因是极间漏磁的增加。因此,选取合适的磁钢宽度为33 mm。
图4 磁钢宽度bm不同时,气隙磁密Bδ的变化情况
1.2.3 磁钢厚度hm的选择
永磁直驱风力发电机中,电机的磁动势取决于磁钢厚度hm:磁钢厚度hm薄,电机中的磁势就小,气隙磁密较低;磁钢厚度hm增厚,电机的气隙磁密增大。但当磁钢厚度hm增加到一定程度时,气隙磁密的增加量减小,而增加磁钢厚度又会提高电机的制造成本,因此hm存在一个最优值。
在P=50,磁钢宽度bm=33 mm的情况下,磁钢厚度hm与气隙磁密之间的关系如图5所示。
图5 磁钢厚度hm与气隙磁密Bδ的关系
由图5可看出:在极数、磁钢宽度和气隙一定的情况下,随磁钢厚度的增加,气隙磁密逐渐增大,但当磁钢厚度大于12 mm后,气隙磁密的增加量减小。因此,选取合适的磁钢厚度为12 mm。
1.3 不同定、转子材料的三种永磁直驱风力发电机的对比分析
传统的永磁直驱风力发电机由于结构重量大、齿槽转矩严重、铁心损耗大且定、转子之间存在电磁吸力,使得电机高空安装困难、电机轴承使用寿命短和发热严重,这些缺点限制了永磁直驱风力发电机的推广和应用。为了解决以上问题,对比分析了以下三种不同定、转子材料的永磁直驱风力发电机在相同结构尺寸下的气隙磁密大小:(1)定子为非导磁材料,转子为导磁材料,磁钢采用径向充磁方式;(2)定子为非导磁材料,转子也为非导磁材料,磁钢采用径向充磁方式;(3)定子为导磁材料,转子也为导磁材料,磁钢采用径向充磁方式。
比较时电机的结构参数如下:P=50,磁钢厚度hm=12 mm,磁钢宽度bm=33 mm,通过改变定、转子材料,用Maxwell2D计算了气隙长度与气隙磁密的关系,如图6所示。
图6 气隙δ与气隙磁密Bδ的关系
由图6可以看出,在气隙大小相同的情况下,电机的定、转子均为导磁材料时,气隙磁密明显高于其他两种情况;而且定、转子都为非导磁材料时气隙磁密最低。三种永磁直驱风力发电机的定性对比如表3所示。
表3 不同定、转子材料的三种永磁直驱风力发电机的定性比较
由表3可看出,定、转子均为非导磁材料的电机气隙磁密相对较低,但其结构重量轻,且不存在齿槽转矩和定、转子之间的电磁吸力,在风力发电机中具有很大的应用潜力。因此,如何在结构重量较轻、齿槽转矩为零和不存在定、转子之间电磁吸力的情况下,尽可能提高气隙磁密成为一个新的研究热点。
2 Halbach列无铁心永磁直驱风力发电机
2.1 Halbach列
图6和表3均说明无铁心电机虽然电机的气隙磁密较低,但电机结构重量最轻,且无齿槽转矩和定转子间电磁吸力。为了提高无铁心永磁直驱风力发电机的气隙磁密,提出转子中应用Halbach列永磁结构的新型无铁心永磁直驱风力发电机。
Halbach列是美国学者Klaus Halbach提出的一种新颖的永磁体排列方式,它分为平面阵列和曲面阵列。曲面阵列的Halbach有内转子永磁体和外转子永磁体两种排列。图7所示的是外转子Halbach阵列。对外转子Halbach阵列,磁场分布在Halbach列磁体的外部,其内部磁场几乎为零,即在Halbach列中形成单边磁场的永磁阵列本身就为磁场提供了通路,而另一边几乎不受磁场的影响,这被称为Halbach列的自屏蔽(Self Shielding)效应[8]。
图7 典型Halbach列
在永磁直驱风力发电机中,应用Halbach列的自屏蔽效应,可使电机转子材料有较大的选择余地,本来为磁场提供通路的导磁材料也可以用非导磁材料代替,这在提高电机功率密度的同时也极大地减少了电机定、转子之间的定位转矩和铁心损耗。
2.2 Halbach列无铁心永磁直驱风力发电机的仿真
定、转子都为非导磁材料的情况下,在P=50,磁钢厚度hm=12 mm,磁钢宽度bm=33 mm的条件下建模,其充磁方向如图8所示,图9为其磁力线分布情况,气隙δ不同时电机的气隙磁密Bδ的变化情况如图10所示。
图8 磁钢充磁方向
图9 Halbach永磁电机的磁力线分布
图10 气隙δ与气隙磁密Bδ的关系
由图10可看出:在气隙较小时,Halbach列无铁心永磁直驱风力发电机的气隙磁密大小接近于定、转子都为导磁材料的永磁直驱风力发电机,由此可看出Halbach阵列对于提高无铁心电机气隙磁密具有良好的效果;在实际应用中,加入Halbach列的新型无铁心永磁直驱风力发电机不仅转子侧可以使用工程塑料或其他非导磁质量较轻的材料,而且定子侧也可以换成非导磁材料,这样在保证了电机结构重量较轻的同时也不会降低电机的气隙磁密。
3 Halbach列电机与传统电机气隙磁密和重量的比较
根据上述讨论,比较了定、转子均为导磁材料,定、转子均为非导磁材料,定子为非导磁材料、转子为导磁材料和Halbach列的新型无铁心永磁直驱风力发电机4种结构的永磁直驱风力发电机,计算了4种情况下电机的重量、气隙磁密和重量百分比浮动,如表4所示。
表4 不同情况下的电机重量和气隙磁密参数
表4中,重量仅包括定子、转子、磁钢和Halbach列的重量,L代表该电机的长度。以情况1为例计算电机的质量:
式中:r1,r2——转子外径,内径;
r3,r4——定子外径,内径;
a——磁钢长度;
b——磁钢厚度;
ah——Halbach 磁钢长度;
bh——Halbach 磁钢厚度;
ρ——不同材料的密度。
式(1)中,对材料是非导磁材料的各部分,质量忽略不计;同理可得其他三种电机的质量W。
表4最后一列以传统永磁风力发电机为标准,给出各电机的重量百分比浮动,以情况1为例:
仿真和计算结果表明,在相同气隙长度的情况下,虽然定、转子均为导磁材料的电机气隙磁密最大,但电机的结构重量最重;而Halbach列新型永磁直驱风力发电机可以在不减小电机气隙磁密的同时,大幅度降低电机的结构重量,并能减小或者消除定、转子之间的齿槽转矩。
4 结语
(1)优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和磁钢厚度;
(2)比较分析了定、转子材料分别为导磁材料和非导磁材料等三种情况下永磁直驱风力发电机的特点;
(3)提出了Halbach列新型无铁心永磁同步直驱风力发电机;
(4)通过仿真和计算结果验证了Halbach列新型无铁心永磁直驱风力发电机具有较高气隙磁磁密、较轻的结构重量,消除了齿槽转矩和定、转子之间的电磁吸力,有效地解决了永磁直驱风力发电机高空安装困难的问题,同时延长了电机的使用寿命。
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