基于Halbach阵列的大型永磁风力发电机电磁场分析*

吾尔开西·艾尼瓦尔，　何　山，　王维庆，　文　龙，　余　金

(1. 新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐　830049；2. 新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐　830049)



基于Halbach阵列的大型永磁风力发电机电磁场分析*

吾尔开西·艾尼瓦尔1,2，何山1,2，王维庆1,2，文龙1,2，余金1,2

(1. 新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐830049；2. 新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐830049)

采用Maxwell 2D有限元软件建立了传统阵列与Halbach阵列的1.5MW外转子永磁风力发电机的2D模型。在转子轭为导磁和非导磁材料的情况下，分别对三种不同充磁方式、三种不同永磁体结构的发电机进行了气隙磁场的对比研究。通过快速博里叶分解(STFT)得出了基波与高次谐波幅值，提出了Halbach阵列大型永磁风力发电机新的设计思路，以达到减轻电机重量、结构紧凑、节省成本的目的。

Halbach阵列； 永磁风力发电机； 电磁场； 谐波

0　引　言

风力发电机的研究引起了人们的广泛关注，与励磁同步发电机相比永磁电机具有重量轻、结构紧凑、体积小等特点，采用永磁体励磁，省去励磁绕组，大大减少了励磁损耗，故障率明显减少，可达到提高效率与可靠性的目的[1-5]。

传统阵列永磁风力发电机齿槽转矩波动频率较大，气隙磁密接近方波，含有大量高次谐波，造成发电机绝缘容易损坏、绕组发热、增加附加损耗，从而影响发电机的使用寿命。Halbach阵列一侧具有较好的聚磁效果，另一侧磁通较小，从而使转子轭采用非导磁材料成为可能，可使电机重量大大减轻，成本降低。气隙磁密波形的正弦性较好，无需转子斜极或定子铁心斜槽工艺来改善气隙磁密波形，可有效地降低制造成本和安装难度，获取较好的功率密度及较高的效率，减少齿槽转矩，降低电机噪声和振荡[6-11]。目前，Halbach阵列在大型外转子永磁电机的研究成果很少。

文献[12-13]提出了Halbach阵列的优点，提供了Halbach阵列电机的设计思路，总结了Halbach阵列永磁电机的贡献。文献[14]对传统阵列永磁电机的极对数、永磁体厚度与宽度进行了优化。在参数固定的情况下，对定、转子轭材料不同的永磁电机进行仿真，最终提出了新型无铁心永磁风力发电机，并与传统电机的气隙磁密和重量进行了比较，但没有进行谐波分析。文献[15]研究了6极无齿槽Halbach阵列电机，分析了每极磁钢下块数变化对气隙磁密的影响，得出了最优块数，但块数分得太多，增加了安装难度，在工程应用中难以实现。文献[16]分析了Halbach伺服电机在极间隔、块间隔、无间隔情况下，电机参数对气隙磁密的影响，并提出最优Halbach阵列电机结构，通过增加永磁厚度达到了提高气隙磁密的目的。文献[17]建立了Halbach永磁发电机的有限元模型，通过与传统阵列径向磁密的比较，总结出Halbach阵列永磁电机的优越性，但建立的模型是Halbach结构8极小容量外转子发电机，而且只对气隙磁密进行了比较。

本文在RMxprt环境下完成1.5MW外转子传统阵列永磁直驱电机的建模，并进行参数化分析，找出最优的电机参数。利用Maxwell 2D有限元软件建立传统阵列与Halbach阵列大型外转子永磁风力发电机模型并进行电磁场分析。最终验证Halbach阵列的优越性。

1　Halbach阵列

Halabch阵列是由径向和切向充磁永磁体互相交替排列来加强单边磁通量的一种新型阵列。根据Halbach阵列电机实现聚磁分布的不同，可分为内转子和外转子结构，两种结构磁场分布如图1所示。

内转子Halbach阵列结构的聚磁效果主要在环形永磁体外侧，而外转子结构则恰恰相反。根据风力发电的特点，本文采用了外转子结构。

图1　Halbach阵列磁场分布

Halbach阵列永磁体的充磁方向必须满足方程式：

θm=(1±p)θi

(1)

式中：θm——每块磁铁磁化方向；

p——极对数；

“±”——应用于内外转子结构；

θi——X坐标与任意一点之间的角度。

理论上，每极下永磁体块数越多，气隙磁密就越正弦，目前，研究较多的是每极两块的90°阵列、每极3块的60°阵列和每极4块的45°阵列。

2　有限元模型

2.11.5MW永磁风力发电机的基本参数

为了验证Halbach阵列应用在兆瓦级永磁风力发电机上的可能性，首先在RMxprt环境下建立额定容量PN为1.5MW，功率因数cosφN为0.9，额定电压UN为690V的永磁风力发电机的模型。经过一系列参数优化，最终确定了外转子永磁风力电机的基本设计参数，如表1所示。

表1　电机参数

2.2建模

由于电机模型的对称性，为了缩短建模与仿真时间，本文建立了1/8局部模型，如图2所示。

3　仿真与分析

3.1三种充磁方式的气隙磁密仿真分析

为了对比方便，分别建立了极弧系数为1的

图2　永磁风力发电机模型

传统充磁、Halbach充磁和理想充磁(正弦函数充磁)方式永磁风力发电机的有限元模型,并进行转子轭为导磁、非导磁材料情况下的气隙磁场分析。图3是转子轭为导磁材料情况下，三种充磁方式的气隙磁密波形的对比。很明显，Halbach充磁方式的气隙磁密波形接近于正弦波。

图3　三种充磁方式下，转子轭为导磁材料时气隙磁密波形

由表2、表3可知，当转子轭为导磁材料，极弧系数为1时，Halbach阵列的气隙磁密幅值比传统阵列高13.7%，谐波含量减少18.19%，而理想充磁的气隙磁密幅值比传统电机高19.33%，谐波含量减少24.56%。另外，Halbach阵列电机的转子轭为非导磁材料时，仍然可以产生较高的气隙磁密，比采用导磁材料时只降低了3.64%，而传统电机则降低了10%。

表2　三种不同充磁方式下，转子轭为导磁、

通过快速博里叶分解得出了三种不同充磁方式下，转子轭为导磁材料的气隙磁密基波和3、5、7、9次等谐波分量所占比例，如图4所示。谐波含量百分比计算方程式为

表3　三种不同充磁方式下，转子轭为导磁、非导磁材料时谐波含量　%

(2)

式中：ai——第i次谐波的峰值；

a1——基波的峰值。

图4　三种充磁方式的谐波分析

通过仿真可见，Halbach充磁方式的气隙磁密波形接近于理想充磁方式，谐波含量很少。另外，转子轭为非导磁材料，也适用于Halbach阵列外转子结构永磁风力发电机。

3.2三种不同永磁体结构电机的对比研究

通常大型永磁风力发电机的极弧系数为0.6～0.8，因此，对极弧系数小于1的Halbach阵列永磁电机进行仿真分析很有必要。本文对极弧系数为0.7的传统结构、Halbach阵列极间隔、Halbach阵列块间隔结构进行建模，并进行仿真对比。三种不同永磁体结构如图5所示。

图5　三种不同永磁结构

图5(a)是极弧系数为0.7的传统阵列径向充磁永磁结构，图5(b)是Halbach阵列极间隔结构，图5(c)是Halbach阵列块间隔结构。对转子轭为导磁材料的三种不同结构电机进行仿真，得到的气隙磁密波形如图6(a)～图6(c)所示。

图6　三种永磁结构、转子轭为导磁材料的气隙磁密波形

由图6可见，极弧系数为0.7且转子轭为导磁材料时，Halbach极间隔和块间隔结构电机的气隙磁密幅值较低，谐波含量高，气隙磁密波形不如传统结构。从气隙磁密幅值来看，图5(a)结构高于图5(b)结构14.1%，高于图5(c)结构9.55%。转子轭为非导磁材料时，Halbach阵列表现出优势，传统阵列气隙磁密幅值降低23.66%时，Halbach阵列只降低7.2%，而且图5(c) 结构的气隙磁密幅值高于图5(b)结构。三种结构，转子轭为导磁、非导磁材料时的气隙磁密和谐波含量如表4、表5所示。

表4　三种结构，转子轭为导磁、非导磁材料时气隙磁密

表5　三种结构，转子轭为导磁、非导磁材料时谐波含量　%

由表5可见，当转子轭为导磁材料时，图5(b) 结构和图5(c)结构的谐波含量都高于图5(a)结构。当转子轭为非导磁材料时，图5(a)结构与图5(b)结构都存在谐波含量升高的趋势，与此同时，图5(c)结构的谐波含量减小并小于图5(a)、图5(b)结构。结果表明，Halbach块间隔结构电机适于转子轭采用非导磁材料。转子轭采用非导磁材料，可以节省铁轭成本，但导致气隙磁密下降，为了提高磁密，必须要加厚永磁体，永磁体较贵，成本会增长。总之，极弧系数0.7不太适用于Halbach阵列。

4　永磁体的优化

为了解决成本问题，本文提出了一种新的思路，并进行仿真分析。由于极弧系数为1的Halbach阵列永磁电机的转子轭无论采用导磁或非导磁材料，气隙磁密波形和谐波含量都比传统结构好，因此，保持极弧系数为1。本文建立的极弧系数为0.7的传统阵列电机的永磁体厚度是20mm，总重量是1091.52kg，为了保证永磁体重量保持不变，并得到极弧系数为1的Halbach阵列永磁电机，永磁体厚度减少30%，变为14mm。该电机气隙磁密波形如图7所示。

由图7与图6(a)可见，永磁体用量一定，极弧系数为1的Halbach阵列永磁电机，磁密波形正弦性比极弧系数为0.7的传统阵列好得多。

图7　极弧系数为1，Halbach阵列转子轭为导磁材料时气隙磁密

表6总结了两种结构电机的转子轭为导磁或非导磁材料时气隙磁密的变化趋势。由表7可见，Halbach阵列的永磁电机转子轭为导磁或非导磁材料时，都比传统阵列永磁电机谐波要小，不但节省转子材料的成本，而且减小了定、转子的内外径，使电机体积更加紧凑，方便运输与安装。

表6　两种结构转子轭为导磁、非导磁材料时气隙磁密　T

表7　两种结构转子轭为导磁、非导磁材料的谐波含量　%

5　结　语

(1) Halbach阵列具有较好的屏蔽与聚磁作用，使大型永磁风力发电机的气隙磁密波形接近正弦，谐波含量减少。

(2) 当转子轭为导磁材料时，Halbach阵列采用极间隔及块间隔结构，气隙磁密幅值与谐波含量不如传统结构。当转子轭采用非导磁材料时，优于传统结构，使转子轭采用非导磁材料成为可能，可减轻重量、降低成本。

(3) 在永磁体用量一定的条件下，调整永磁体厚度来制造极弧系数为1的Halbach阵列发电机，可以采用更少的永磁体产生与传统阵列相同的气隙磁密，并且谐波含量更少，减少振动与噪声。

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Electromagnetic Field Analysis of High Capacity Permanent Magnet Wind Power Generator Based on Halbach Array*

WUERKAIXI·Ainiwaner1,2，HEShan1,2，WANGWeiqing1,2，WENLong1,2，YUJin1,2

(1. College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830049, China;2. Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power Generation and Grid Technology, Xinjiang University, Urumqi 830049, China)

Using Maxwell 2D finite element software to establish the traditional array and Halbach array of 1.5MW out rotor permanent magnet wind turbine generator 2D model. Under the condition of rotor yoke as magnetic materials and non conducting magnetic material， respectively to three different magnetizing methods, three kinds of different permanent magnet structure for the comparative study of air gap magnetic field, by fast fourier decomposition showed the fundamental and harmonic amplitudes. The new design idea of Halbach array high capicity permanent magnet wind power generator was put forward, which could achieve the purpose of reducing the weight of the motor, more compact and saving manufacturing cost.

Halbach array； permanent magnet wind power generator； electromagnetic field； harmonic

国家自然科学基金项目(51267017，51367015)；高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20136501120003)；教育部创新团队项目(IRT1285)

吾尔开西·艾尼瓦尔(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为可再生能源及其控制技术。

何山(1974—)，男，副教授，硕士生导师，研究方向为可再生能源及其控制技术。

TM 315

A

1673-6540(2016)08- 0068- 05

2016-03-02