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小型永磁风力发电机设计与优化研究

发布时间:2016-12-21      文章来源:未知

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

        电能与人类的生活息息相关,工业生产也离不开电能。目前,火力发电的发电量占总发电量的百分比为83.60%。但是火力发电的能量主要来自煤炭等燃料的燃烧,而这些不可再生能源的储藏量已经急剧减少;而今,能源短缺问题业已成为人类面临的几大重要问题之一。风能实质上是由太阳能转化而来,是源源不断而且是可以持续利用的,有人估计过,地球上的总风能资源约有100亿千瓦,这比靠水力所产生的发电量要多出10倍,与靠燃烧燃料煤而发电的火电所产生的能量相比,风能为其3倍之多。在使用风能发电的整个过程中,不会产生任何对环境有污染的气体和废料,并且可以就地取材直接利用。总之,风能不仅绿色环保,而且是可再生能源,可谓是一种具有很大潜力的洁净型新能源。
        中小型风力发电机的应用范围很广。第一,在我国的许多运用电网供电较为困难的偏远边陲地区。这些边陲地区普遍具有丰富的风力资源,因此如果能够充分且有效地利用这些风力资源,将能有效改善这些地区的用电情况,提高当地人民的生活水平,十分有利于地方经济的发展。小型风力发电机组经济性好而且可以灵活装备,十分适合安装在风力资源较好的偏远无电地区,市场前景非常广阔。第二,在风力资源同样丰富的我国东北和沿海地区,电力供应网十分发达,绝大多数家庭与电网连接。在这些地区,既可以将风力发电技术应用于农村新能源,又可以利用并网逆变器将由风力发电系统产生的多余电能回馈给电网。现如今,低成本并网型小型风力发电系统的市场需求不断增大,因此研究和开发面向广大电网覆盖地区的并网型小型风力发电系统是非常必要的。
        按照上文所述可将风力发电机系统分为并网型和离网型。以往的小型风力发电系统离网型较多,而离网型发电系统则需要装备一个来存储多余电能的蓄电池,这样在发电机不运转时仍能够持续为用电系统提供电能。但是蓄电池经济性不好,维护保养比较费时费力,同时容易对环境造成污染,而且当电池充满而发电机仍然继续运转时将会造成电能的浪费,因此离网型风力发电系统在电网覆盖的广大地区不易推广。具有并网功能的小型风力发电系统的优点便得以彰显,一是在风力不足时用户可从电网获取电能,可省去蓄电池,从而减少环境污染并降低成本;二是在风能充足时可将剩余的电能直接回馈电网,从而减少用户的用电量和费用。因此研究应用于并网型风力发电系统的小型永磁风力发电机具有实用意义。
永磁同步发电机的效率通常比较高,并且适合于直驱式发电机结构要求大驱动转矩的特点。目前应用于小型风力发电系统中的永磁发电机具有较低的电感,因此其输出电压与风速成正比。如无锡乃尔风电技术开发有限公司开发的小型风力发电系统所采用的永磁交流发电机就是低电感的。对于此种低电感的永磁发电机,当风速过大时,其输出的过大电流非常容易烧毁发电机的电枢绕组。因此,这类发电系统都必须装配限速结构,而这样将会大大缩减风力发电系统的正常工作风速范围。
        研究表明,采用具有小电感的永磁风力发电机的回路中串联电感的方法虽然能够有效地改善发电机的风速工作范围,但是外部串联电感的方法将导致发电机工作效率的降低和制造成本的提高。因此采用具有大电感的永磁发电机是加宽发电机风速工作范围的较好的方法,研究如何通过改善电机结构以实现发电机本身具有大电感特性是有必要的。

1.2 国内外永磁风力发电机的研究现状

1.2.1 国外研究现状

        关于电机结构方面,美国纽约州的某研究机构在1995年曾设计出一种新型可变磁阻发电机,将原系统中的齿轮箱用风力发电机中的磁性装置来替代。在这个设计中,发电机中有很多极和卷绕结构,这种变磁阻电机的特殊结构能够承受各个方向操作,而在操作过程中该发电机的经济性特别好[1]。1996年,Spooner和Williamson把钕铁硼作为永磁体对内埋式和表贴式发电机进行了一系列研究[2]。1999年,Kladas和Papathnassion等人对混合式(即表贴式和内埋式的综合)永磁电机进行了研究。在1995至1999年期间,Lampola等人运用有限元方法与基因算法相结合的方法对表贴式的钕铁硼永磁电机进行了优化,并制出了一台功率为10kW实验样机。1998年,Jianyi Chen等人对外转子钕铁硼永磁体表贴式发电机进行了研究[3]。在1996至1998年间,Spooner等人设计了一种径向磁场式永磁发电机,该电机采取了特殊定子设计方法,即将电机进行模块化设计,并最终试制出一台具有26极的样机,该样机由26个转子模块和15个定子模块组成[4]。2000年,加拿大M.eng.M.Dubois博士对配置齿轮箱的风力发电系统的效率问题以及应用于直驱式低转速风力发电机进行了研究,其研究表明应用齿轮变速箱的风力发电系统不利于系统效率的提高并且齿轮箱易于受损耗,最终提出了采用一个与风力机同转速的电机来替代齿轮变速箱。2006年,David M.Whaley对电流型风力发电系统进行了研究,其中系统中采用了大电感永磁同步发电机,不过在研究中仅仅是分析了大电感电机特性与电流源特性,但并没有对如何设计适用于风力发电系统的大电感电机做深入研究[5]。大部分文献中所述的直驱式永磁风力发电机均为内转子结构,而采用外转子结构的风力发电机相对较少。目前,澳大利亚阿德莱德大学和科廷大学的研究人员已经开始了具有大电感的小型永磁风力发电机的研究。其研究内容为直驱式大电感永磁同步发电机,其优势在于具有大电感的内置式永磁体(IPM)发电机可以在7.5:1的风速范围内产生恒定的输出功率,可满足直驱式风力发电系统中的发电机需求,因此能够很好的利用风能。

1.2.2 国内研究现状

        在风力发电技术方面,我国起步相对较晚,从上世纪的70年代初才开始开发利用风能。随着时间的推移,在试验、研制过程中,涌现了一大批具有高素质的风力发电行业人才和队伍。他们不仅风力发电系统的设计制造领域取得了丰硕的成果,而且还对风力发电技术推广和应用起到了极其关键的作用,在创造了经济效益和社会效益的同时,也为进一步开发利用风力发电技术提供了丰富的经验以及良好的物质和技术基础。在80年代中期,国内的研究人员对20kW到50kW的变桨距调节的风力发电机进行了研究,但是由于受到当时的调节控制水平和机械基础水平的限制,同时因变桨距风力发电系统故障率较高、发电机组的可靠性能较差,所以这一研究最终并没有形成产业化。
        上文介绍了国内大型风力发电机组的发展情况,关于中小型风力发电系统的国内发展情况汇总如下。截至2000年底,全国总共有43个单位和企业从事风力发电机制造生产及相关配套装备的生产,其中与风力发电机设计相关的科研设计单位有16个,从事主机生产制造的企业有17个,而从事生产风机相关的配套装备的企业有10个,全部算起来年生产能力已达3万多台。其中,风机机组产品的功率分别有100W、150W、200W、300W、500W、600W、1kW、2kW、5kW和10kW等,其中在1000W以下的小型风力发电机,已经投入批量生产,不仅在国内形成产业化,而且在销往国内的同时还销往国外,而1kW到10kW的中小型风力发电机,也有部分企业已进行批量生产[6]
        上文介绍了国内风力发电机组的发展情况,以下介绍国内小型永磁风力发电机的研究成果。2008年,广西大学机械工程学院研究设计了一台外转子小型永磁风力发电机,但其并不具有大电感特性[7]。2011年,江西理工大学利用磁路法仿真了一台2kW的直驱式小型永磁风力发电机[8]。2011年6月,合肥工业大学发表《高电感永磁同步风力发电机的设计和分析》论文,设计了一台永磁同步发电机,该电机具有大电感特性并适用于小型风力发电系统,并仿真了在一定风速范围内发生变化时,绘制了电机的恒流源输出特性曲线[9],但其设计的电机为内转子,极对数数目受到了限制。表1.1展示了几组发电机的实例,并列出了其部分实验数据及其性能。

1.3 本文研究的主要内容及章节安排

1.3.1 本文研究的目的及内容

        小型永磁风力发电机的研究大致可分为双馈型和永磁型两个方向。在风力发电机上把永磁体作为励磁源具有划时代的意义,永磁风力发电机可高效地将旋转叶片产生的机械能转化为电能。永磁发电机按其电感特性可分为大电感和小电感两类。传统的小型永磁风力发电机电感较小,其输出电压与风速成正比。为了使发电机能够在较大风速范围内获取风能,一般要求发电机具有3:1的风速工作范围,因此其输出电压的变化范围也是3:1。若使并网逆变器能够将变化范围较大的输入电压转换成与电网电压同步的输出电流,则将增大并网逆变器拓扑结构的复杂性。然而,对于具有大电感的发电机而言,其工作电流与短路电流相近,可有效避免上述问题[10]
        本论文研究的目的是设计一台额定功率为1.5kW的小型永磁风力发电机。本论文主要设计了电机的结构参数,如电机的槽数、槽深、槽型、极对数、电机结构形状等等一些参数,然后应用Ansoft软件进行仿真模拟电机运行状态,对电机的磁路结构、参数分析和运行性能计算进行综合分析,然后改变电机内部结构参数,再进行仿真模拟运行,得到一组或几组更为合理的参数,以发挥永磁同步发电机的优点并尽量减小缺点的影响。最终实现发电机的仿真模型具有较好的反电动势波形以及较小的齿槽转矩的同时,具有大电感的特性。

1.3.2 论文章节安排

        本文首先介绍了小型永磁风力电机的结构和运行特点,根据要求的额定数据,综合考虑了几种常用的永磁材料的特性参数,选定本电机所用的永磁材料,然后根据经验公式初步确定了永磁体的基本尺寸,经过分析比较选取了合适的定子绕组形式以及转子磁极对数和定子槽数。在确定了电机尺寸参数之后,利用Ansoft Maxwell进行模型的搭建,并进行了仿真研究。并且对电机性能的优化设计进行了研究。文章结构的具体安排如下:
        第1章为本论文的绪论部分。首先说明了本课题的研究意义,然后介绍了风电行业的概况以及小型永磁风力发电机技术研究的国内外发展现状,最后讲述了本文的研究目的和主要内容。
        第2章为本论文的基础理论部分。首先介绍了小型永磁风力发电机的主要结构特点。简述了小型永磁风力发电机设计的基本原则,包括大电感与恒流源输出的关系,以及发电机电感的范围要求。然后讨论了几种常用的永磁材料的特性参数,并根据本设计中的要求,最终确定永磁材料。最后说明了本所所设计电机的等效磁路基础等电机磁场计算的基础理论。
        第3章为电机设计建模仿真的主要部分。在第2章基本理论的基础上,计算设计了小型永磁风力发电机各部分尺寸的初步参数,并通过Ansoft建立了仿真模型,进行有限元仿真验证。
        第4章为优化设计部分。在第3章的基础上,对小型永磁风力发电机进行优化设计,研究电机的电感、空载反电动势波形以及齿槽转矩随着槽口参数和永磁体尺寸改变的变化关系,为电机的优化设计提供了参考和依据。
        第5章,对实物电机进行了测试,测试出了空载反电动势波形,测绘了实物电机在不同转速下的空载损耗曲线以及在额定转速下的效率,与仿真模型进行了对比,进一步对所设计的电机进行了验证。
 

第2章 大电感小型永磁风力发电机特点及理论基础

2.1 小型永磁风力发电机基本结构及特点

        小型永磁风力发电机的本体由定子电枢绕组、定子铁心、转子轭、永磁体以及电机外壳和定子支架等部分组成。发电机的定、转子空间结构可以采取内转子形式或者外转子形式。根据转子旋转方向与永磁体磁化方向的不同,可分为径向式、切向式、轴向式和混合式等拓扑结构。其中,对于径向式转子磁路结构来说,永磁体的磁化方向和气隙磁通轴线同向,而且漏磁系数较小,这种结构可满足直驱式风力发电系统的要求,因此大部分直驱式风力发电系统都采用径向式永磁发电机。
        外转子电机的结构特点是定子固定在中轴不动,而转子围绕定子在外围旋转。内定子铁芯由硅钢片叠成,线圈槽口在铁芯圆周的外侧,在定子齿部有规律地缠绕定子绕组。在风机的底座上有一个固定体可将定子铁芯固定,还有一个转子轴承孔以安装外转子的转轴。外转子轭部由导磁性能良好的铁磁材料制成,在转子轭部内圆周表面镶嵌永磁体,外转子为空心圆柱体形套在定子外部。径向式拓扑结构中的永磁体有环形、星形、瓦片形和矩形等。本文设计的发电机采取瓦片形的形状,因为这种形状可以实现在转子内侧放置较大的永磁体,从而提高气隙磁密。
        通过比较内、外转子结构的不同特点,可得出外转子有以下优点:便于叶片的安装,可以在同样大小的直径下布置更多的永磁体,离心力的着力点更为合理、提高了转子的强度,散热效果更好。风力发电机通常在较低的转速下运行,又考虑到在电机转子上要尽可能多布置永磁体以达到多极电机的要求,本文设计的发电机为外转子径向式结构。

2.2 大电感小型永磁风力发电机特性及等效模型

2.2.1 大电感永磁风力发电机特性

        小型永磁风力发电机按照其电感特性可以分为小电感和大电感两类。如图2.1所示为大电感和小电感永磁风力发电机的负载特性曲线。在第1章中已经提及对于小电感永磁发电机来说,其输出电流比短路电流小很多,输出电压接近于开路电压,因此输出电压将会随着风速变化而产生较大的变化,这样会增大并网逆变器的拓扑结构的复杂性。而对于大电感发电机来说,负载特性的情况正相反,其输出电流变化不大,可将大电感发电机视作恒流源,而后级变流器的拓扑结构就得到了简化。

2.2.2 大电感永磁风力发电机等效模型

        大电感永磁发电机可以等效为反电动势电压源串联一个大电感,模拟负载采用纯阻性负载。等效电路如图2.2所示
其电压平衡方程式为:
其中反电动势的有效值为:
电感电压的有效值为:
短路电流为:
式中,L是电机电感,ω是电机同步电角速度,k是仅与电机相关的反电动势系数。
由式2.1~式2.4可以看出,反电动势电压源要素都跟电机角速度成正比,而短路电流与电机电角速度不相关。

2.2.3大电感永磁风力发电机的电感范围

        大电感永磁风力发电机要能够在转速逐渐增大时,输出电流增幅较小并接近恒流,因此电机电感需满足远大于普通电机的电感,但考虑到电机的尺寸因素、电磁转矩因素以及电机损耗的限制,所以电机电感又不可过大。以下对电机电感的上下限进行了讨论分析。
对于电机的电感下限。忽略电机内阻,当电机工作在额定工况下时,其电压稳态平衡方程式为:
在上述的条件下,即电机工作在额定转速下,当发生三相短路时,其电压稳态平衡方程式变为:
式中,E0为空载电压;In是电机的额定相电流;Un为额定相电压;Ic是三相短路电流。联立式2.5、式2.6得:
大电感电机若要具有恒流源特性,其额定电流应不小于短路电流的70%,所以电感下限为:
对于电机的电感上限,可以由下面的方法确定。同步发电机的等效d-q模型为:
式中,分别将发电机输出电压沿着d-q轴分解为uduqidiq分别为发电机的d轴和q轴电流;LdLq分别为发电机的d轴和q轴电感;rs是电机定子电阻;ω是角速度;Ψ0是永磁体的磁链。电机的电磁转矩为:
本文所设计的电机是在经三相不可控整流桥整流后近似恒流源输出特性,其中的二极管整流的换流现象可忽略,仅将输出电压和电流的基波分量作为考虑对象,当达到稳态运行时,可近似看作电机仅输出有功功率,即:
联立电压稳态方程2.9,式2.10和式2.12得:
本文设计的电机为表贴式永磁同步电机,电机电感在d-q轴上的分量近似相等,则:
Ψ0保持恒定的情况下,q轴电流具有最大值,由式2.14可得出电磁转矩的最大值,即:
从中可定出电机电感上限:
        综上所述,式2.8和2.16确定了电机电感的限值。电机电感越接近电感上限,则系统所需的恒流源特性越好,然而这将会以增大电机的尺寸、增大铜耗以及降低系统效率为代价。因此,电机电感的大小应综合考虑电感与参数之间的关系,在利与弊中衡量出最合适点,这样既能满足系统控制参数的要求,又能满足电机在其他方面特性的要求[9-10]

2.3 永磁材料性能及选择原则

2.3.1 永磁材料性能参数

        目前常用的永磁材料主要有:铁氧体、钐钴、铝镍钴和钕铁硼。永磁材料的性能可以从以下几点选取:剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、最大磁能积(BH)max、居里温度Tc、回复磁导率μr、内禀矫顽力和温度系数TkHc)等等。
        永磁材料的磁滞回线可描述永磁材料的磁化过程,如图2.3所示,即磁感应强度B与磁场强度H的函数关系曲线B=fH)[11]。永磁材料的退磁曲线为磁滞回线在第二象限的部分,这部分曲线的斜率即为回复磁导率μr。在图2.3中,b与e点即为剩余磁感应强度Br;c与f点为矫顽力Hc[12]
       在永磁材料退磁曲线上,每个点的坐标值的乘积为该点对应的磁能积,即为永磁材料的磁场能量密度[13]。永磁体的磁能积曲线,即磁能积随变化的关系曲线,如图2.4所示,在该曲线上最大值用(BH)max表示,永磁体的这个值越大,其性能越好[14]

2.3.2 永磁材料的选择原则

        永磁材料的种类很多,性能相差也各不相同,在设计永磁电机时要根据不同的特性需求综合考虑以选择最适宜的永磁材料。首先,能够在电机中产生足够大的气隙磁场,使得电机能够达到预期的性能指标。其次,磁性稳定性良好,能够适应工作环境。再次,机械性能良好且便于加工和装配。最后,经济性好。永磁同步发电机具有可靠性好和功率密度较大的特性,因此所选取的永磁材料应具有较大的最大磁能积和矫顽力。表2.1总结了几种常用永磁材料的性能参数,以便于进行比较。
        从上表中的参数综合考虑,最终选取钕铁硼作为电机的永磁材料,因为钕铁硼的价格仅为钐钴的1/3~1/4,并且稀土钕铁硼永磁材料同样具有较高的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc,其最大磁能积(BHmax也比其他材料大[15]。与此同时,钕铁硼永磁材料具有很强的抗去磁能力,磁稳定性好,所以很适用于作为小型永磁风力发电机的永磁体材料。

2.4 小型永磁风力发电机的等效磁路

       永磁电机与电励磁电机的励磁磁源不同,永磁电机的永磁体是磁路的一部分同时又是励磁源。永磁体的磁性能分散性很大,而且永磁电机的磁路结构多种多样,漏磁通较大而且漏磁路非常复杂,很多因素都使得永磁电机电磁计算变得非常复杂。由于发电机磁路直接计算十分复杂,因此须要建立等效磁路以便于分析。常用的磁路等效方法是将磁场的计算转化为磁路的计算,即把不均匀分布空间中的磁场转化为多段等效的磁路,磁通均匀分布在每段磁路中[16]

2.4.1 永磁体的等效磁路

      永磁体一般工作在回复线上,不同材料的退磁曲线也不同。如图2.5(a)所示为铝镍钴永磁材料的退磁曲线,可以看出其不与回复线重合;如图2.5(b)所示为铁氧体永磁材料的退磁曲线,在拐点以上与回复线相重合[17];如图2.5(c)所示为常温时的钕铁硼永磁材料和钐钴的退磁曲线,其与回复线完全重合[18]
图2.5中的几种永磁材料的回复线的直线部分可以表示为:
式中,H为永磁体的磁场强度,Br'是剩余磁感应强度,μ0μr分别表示空气磁导率和永磁体的回复磁导率。
在小型永磁风力发电机中,永磁体可以从磁通Φm和磁动势Fm的角度来分析[11]。假定永磁体已被均匀磁化,而且其截面积(Am)和充磁方向长度(hm)也均匀恒定,那么可以得出:
将式2.17两边同时乘以Am可得:
        其中,Φr为永磁体的虚拟内禀磁通,Rm为内磁阻[11]。这样永磁体可以由一个恒定磁通源与一个磁阻的相并联来等效,如图2.6(a)所示。利用戴维南定理还可以用一个恒定磁动势和串联一个磁阻来等效永磁体,如图2.6(b)所示[11]

2.4.2 外磁路的等效磁路

        永磁电机中,永磁体向外磁路提供的总磁通Φm由主磁通和漏磁通构成。主磁通Φδ是实现电机能量转换的基础,与电枢绕组匝链,而剩余的漏磁通Φσ不与电枢绕组匝链。如图2.7所示为空载时外磁路的等效磁路,其中Λδ为主磁导和Λσ为漏磁导。如图2.8所示为外磁路的负载等效磁路。如图2.8(a)所示,负载时主磁路中增加了电枢磁动势Fa。电枢磁动势对励磁磁场可产生不同的作用,当其起到增磁作用时为正值,起去磁作用时为负值。
       利用戴维南定理,可将图2.4(a)中磁路图等效为图2.4(b)中所示的磁路图,其中:

2.4.3 永磁电机等效磁路

        永磁体产生的磁通与外磁路的总磁通相等,同时其产生的磁动势与外磁路的总磁动势也相等,这样由图2.6和图2.8可以得出如图2.9所示的永磁电机等效磁路。

(a) 磁通源等效磁路
(a) Equivalent magnetic circuit of the magnetic flux source

(b) 磁动势源等效磁路
(b) Equivalent magnetic circuit of the magnetomotive force source
图2.9 永磁电机等效磁路
Fig.2.9 Equivalent magnetic circuit of the Permanent magnet generator

2.5 小型永磁风力发电机的电磁场计算基础

        上文已经论述了磁路计算方法,即在计算电机的性能时加入一些修正系数以简化电机磁场问题的计算。然而,对于小型永磁发电机来说,其磁路结构多样且磁场分布更为复杂,因此需要采取更为精确的计算方法,此时可采取电磁场分析的方法以提高电机设计的精度。通常可以利用麦克斯韦方程组来描述电磁场,位函数由磁矢位A和磁标位φ组成,电机的二维电磁场分析中可采用磁矢位,这样可以较方便的建立边界条件并得到磁力线分布、求出磁通[20]

2.5.1 麦克斯韦方程

        麦克斯韦方程组是电磁场理论及其数值分析的基础,可应用于近乎全部宏观电磁场的数学模型。麦麦克斯韦方程组中包含安培环路定律方程、法拉第电磁感应定律方程、高斯电通定律方程和高斯磁通定律方程[20],该方程组的积分形式如下式2.22~式2.25所示:
在上述方程组中,积分曲线Г是曲面的边界,J是传导电流密度矢量,∂D/∂t是位移电流密度,D是电通密度,是电场密度,ρ是电荷体密度,V是闭合曲面S所围成的体积域[21]
麦克斯韦方程组也可以表示为微分形式,如式2.26~式2.29所示:

2.5.2 位函数及其满足的偏微分方程

        在分析计算电磁场问题时,一般采用位函数作为辅助变量。这样可以明确物理概念,同时可以确定场源和场量的相互关系。通常采用位函数中的矢量磁位来求解磁场问题,这样无论在求解区域是否有电流都可以使用[22]。磁感应强度B和矢量磁位A的关系如下式所示:
在稳定磁场中存在如下关系:
其中,J0是电流密度。根据式3.30和式3.31可以得到:
经过等式变换后可得:
又根据恒等式:
可以得到:
由于A=Axi+Ayj+AzkJ0=Jxi+Jyj+Jzk,所以将上式分解成标量方程为:
进而可推出磁感应强度的标量方程为:
在同一平行平面场中,电流密度J0和矢量磁位A仅有z方向分量,即J0=JzkA=Azk。磁场采用二维场求解时,仅有xy两个方向的分量,因此可将式(2.35)可以转化为:
磁感应强度的标量方程可化为:
综上所述,分析磁场的过程即为求解以位函数为变量的偏微分方程,但是若要求得唯一解,则需加载限定边界条件[23]

2.5.3 边界条件的确定

       边界条件可表示出场边界处的物理情况,在Ansoft电磁求解中,常用的边界条件如下表2.2所示。
 
表2.2 常用的边界条件及其特点
Tab.2.2 Common boundary conditions and characteristics
 

2.5.4 有限元法的基本原理

        电机的电磁场数值分析方法主要有有限差分法、边界单元法和有限元法。有限元法是较为常用的方法,有限元法即通过将求解区域分割成很多的小单元之后在分别求解,然后再将所得结果求和,最终得到整个求解区域的解。有限元方法求解电磁场区域的过程比较复杂,人工计算达不到要求的精度,故本文利用软件Ansoft来进行有限元分析。

2.6 本章小结

       本章介绍了小型永磁风力发电机设计基本原则以及基础知识。首先介绍了发电机主要结构特点。然后描述了大电感永磁同步发电机的运行特性,建立了等效模型,并分析计算了大电感的范围。然后讨论了几种常用的永磁材料的特性参数,并根据本设计中的要求,最终确定永磁材料。最后说明了本所所设计电机的等效磁路基础等电机磁场计算的基本理论,为电机的设计和优化研究提供了基
础。
 

第3章 小型永磁风力发电机的结构设计及有限元仿真

       小型永磁风力发电机的设计内容主要包括绕组形式设计、槽极对数配合设计以及主要结构尺寸设计。根据要求的额定数据,又需要解决以下主要问题:永磁材料选择、永磁体尺寸、转子结构尺寸、定子绕组和定子冲片、磁路计算、电压调整率和短路计算。而本文目标为设计具有大电感特性的小型永磁风力发电机,使其能达到近似恒流源输出的目的。因此对电压调整率要求不高,但需要考量电机的总电感。

3.1 小型永磁风力发电机的绕组结构

        在小型永磁风力发电机设计中,定子绕组结构设计和选择非常重要。通常电机绕组可以分为集中绕组和分布绕组两种绕制形式[20-21]。在凸极铁心上套制的绕组,例如直流电动机的主磁极上的励磁绕组、换向极绕组均是集中绕组;对交流电动机而言,每个磁极下每相绕组只占一个槽,这种绕组也是集中绕组。分散布置于铁心槽内的绕组,例如直流电动机电枢绕组以及大多数三相电动机的定子绕组和转子绕组,都是分布绕组[24]。如图3.1所示为电机绕组的两种绕制方式,其中图(a)为集中绕组,图(b)为分布绕组。本文所设计的小型永磁风力发电机所发出的为三相交流电,因此其绕组也为交流绕组,交流绕组的构成原则有[25]:首先,绕组因数越大越好,这样可使得电动势和合成磁动势的波形更为接近正弦波;其次,三相绕组应对称分布;再次,尽量减少三相绕组的用铜量以降低电机的铜耗,提高效率;最后,三相绕组之间的绝缘度要高,其机械强度应满足标准要求,并且应具有良好的散热条件。
        表3.1中列出了分布绕组和集中绕组的部分优缺点,以便于对比、选择。本文所设计的小型永磁风力发电机要求有大电感,因此可以采用集中绕组,以此来增加谐波电抗[26]。永磁风力发电机又要有高效率的发电特性,而主要的损耗来自于定子绕组的铜耗,因此同等条件下减少铜的使用量,即可提高发电机效率。综上,结合交流绕组基本构成原则和本文所设计的电机要求,将小型永磁风力发电机绕组形式选为集中绕组。
       本文所设计的低速直驱式永磁同步发电机采用分数槽集中绕组,从空间角度看将会出现磁动势高低次谐波,这些空间谐波将会额外增加转子铁心部件中感应涡流的负载损耗,而双层绕组电机的转子涡流损耗仅为单层绕组电机的一半。因此,本文采用Y型连接的双层短距绕组以期能有效避免电机绕组中产生环流,并削弱电动势谐波,改善电机电气性能。

3.2 小型永磁风力发电机的槽数和极对数

        根据电机每极每相槽数q的不同,可以将绕组分为两大类,q为分数时,即为分数槽;q为整数时,即为整数槽。即:
其中,Z为定子槽数,p为转子极对数,m为相数。
对于直驱式永磁风力发电机,转速、极对数和频率有如下关系:
        从式3.2可看出,电机的转速和频率成正比,和极对数成反比。直驱式永磁发电机通常在低转速下运行,这就需要增大发电机极对数或减小发电机频率。而若减小发电机频率将会有一定的弊端与局限性,所以为保证发电机在低转速下运行,可适当增加发电机极对数。若采用整数槽绕组结构,则在要增加发电机的极对数的同时就要相应的增加电机的槽数。由于发电机自身结构和加工工艺的限制要求,不能过多的增加电机的槽数,因此本文设计的发电机采用分数槽绕组结构。这样,不仅可以增大电机电感,还可以在增加极对数的同时避免过多的增加槽数,与此同时,分数槽绕组结构还能够增加槽利用率[27],增加绕组的短距系数和分布系数,改善电机反电势波形的正弦性,绕制简便,能够提高电机性能并降低电机成本。
小型永磁风力发电机的功率密度与电机的绕组系数有关,提高绕组系数可以削弱磁动势谐波。对mp对极的小型永磁风力发电机,当只给其中的单相绕组通电时,其气隙磁动势分布如图3.2所示。
图中,θm是定子圆周方向相对于定子齿中心线的角度,其傅里叶展开式为:
其中,kwn是绕组系数的n次谐波。当n=p时,kwn是基波绕组系数;当np时,kwn是谐波绕组系数。电机的输出转矩特性由基波绕组系数决定,因此在设计时应尽量使其取得较大值。采用合适的槽数和极数,可以提高绕组系数,降低电机绕组的齿槽转矩[28]。通常,可以使线圈两个元件边电动势相差接近180°来提高绕组系数,而分数槽集中绕组的两个元件边的电角度与绕组的基波槽距电角度等,均为α=2πp/z。可以看出槽数Z与极数2p之差越小,α就越接近180°。
若槽数Z为偶数,可取(式中i=1,2,3……):
若槽数Z为奇数,则可取:
        从上述两式中可看出,i值取的越小,α就越接近180°。当槽数较多时,i可取2或3;当槽数较少时,i一般取1。增大永磁电机槽数和磁极数的最小公倍数(M)可增加齿槽转矩的脉动频率,从而使转矩脉动幅值减小。表3.2给出部分常用的极槽配合参数。
齿槽转矩是永磁电机在发电机状态空载运行时,由电机电枢铁心与永磁体相互作用所产生的。当永磁发电机转动时,永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导与电枢齿周围的磁场保持不变,而在永磁体两侧面的由一到两个电枢齿所构成的区域内的气隙磁导将会产生较大的变化,齿槽转矩就由此时的磁场储能变化产生[29]。不同极槽数选择对电机的齿槽转矩有很大影响,可以按照如下具体原则进行选择:
(1) 所选槽极数应使电机获得较高的基波的绕组因数,这样在获得同样大小的感应电势下减少电机所需要的匝数,从而使电机的尺寸有所减小,又可以在相同的转矩下使得电流减小。
(2) 永磁电机槽数与极数的M值越大越好,因为齿槽转矩幅值与M值成反比。
(3) 应采取合适的槽极数以减小电机的径向力[30]
通过表3.2可以看出,极对数为23时的M值相对较大,又由于发电机加工工艺与自身结构的要求,槽数最好不要太多,所以初选为51槽。对几组槽极数配合分别做Ansoft Rmxprt解析仿真,通过观察实际的仿真结果,验证本组极对数与槽数匹配合理。

3.3 小型永磁风力发电机的结构设计

3.3.1 小型永磁风力发电机主要设计内容

       小型永磁风力发电机的设计内容与传统电机大体相同。图3.3给出了具有大电感特性的小型永磁同步发电机总体设计流程图。
       本章所要设计的小型永磁风力发电机的主要性能参数为:额定功率为1.5kW,额定转速为250r/min,额定电流为5.53A,额定转矩为69N·m,效率高于90%。表3.3列举出了小型永磁风力发电机的设计内容。

3.3.2 电机主要尺寸设计

       小型永磁风力发电机的能量转换是在气隙中通过气隙主磁通进行的,因此主要尺寸与气隙关系紧密。由以往的实践经验可知,电机的主要尺寸包括电枢直径(Ds1)和铁芯有效长度(lef)。本文所设计的电机为外转子结构,因此电枢直径即为定子外径[31]。定子外径计算公式为:
其中,αp′为计算极弧系数,一般取0.6~0.7;KNm为气隙磁场波形系数,取值为1.11;Kdp为基波绕组系数,本设计中可取0.92;A为线负荷,Bδ为气隙磁感应强度;nN为额定转速,取值250r/min;λ为长径比;P′为电机设计中的电磁功率。
长径比λ可以形象的反映出电机的几何形状,即主要尺寸关系:
本文所设计的电机,其额定功率PN=1500W。则:
其中,KE为满载电势标幺值,即电机在额定负载时,其感应电势与端电压的比值。本设计中的永磁同步电机功率因数较高,故取cosφN=0.9,KE≈1.06[31]
当电机的功率和转速在一定范围内时,αp′、KdpKNm变化范围很小,所以电机尺寸主要与ABδ有关。对于ABδ,一般取:
由式3.9可得A=(34700~44200)A/m,应综合考虑电机技术指标和经济性来选择电磁负荷。首先,若同时提高ABδ,可节省材料并减小电机的尺寸和体积,但这需要提供更好的冷却条件和绝缘材料,经济性会降低。其次,若只选取较高的A,则绕组用铜量增加,绕组匝数也将增多。再次,若选取较高的Bδ,则会增加电机的基本铁耗[31]。因此,ABδ应选择恰当的比值。通过初步的计算分析,选取A=40000A/m,Bδ=0.86T,此数值为初步预期数值,对于电磁负荷数值以及以上各参数仍需循环代入求解,从而得出最优的数据。
小型永磁同步发电机的气隙长度δ可由下式确定:
式中,Kc为饱和短路比,在本设计中可取0.25~0.7;BδN为额定工况的气隙磁密;τ为极距;K0为半经验系数,可取0.22~0.24。目前小型同步发电机的气隙,采用机械许可的安全值,一般取δ=0.5~2.5mm。
利用式3.6计算Ds1,初选气隙长度δ后,可得转子内径Dr1为:
定义电机的电磁功率为:
式中,m为电机电枢绕组相数;E为电枢绕组的相电动势;I为电枢绕组的相电流。
电枢绕组的相电动势为:
式中,N为电枢绕组的每相串联匝数;Kdp为电枢的绕组系数;Φ为每极磁通。
每极磁通为[32]
式中,Bδ为气隙磁密;其中Bδav为气隙平均磁密;lef为电枢的计算长度;τ为极距,τ与定子外径Ds1的关系为:
电负荷为沿电枢圆周单位长度上的安培导体数,可由式3.18得出:
电机的电磁转矩和空载转矩满足式3.19关系:
式中,tr是上升时间。发电机的转动惯量可表示为:
式中,ρFe为铁芯材料的密度。将式3.20代入式3.19可得:
一般情况下空载转矩为电磁转矩的3%到5%,ωm=2πn/60。
发电机运行环境风速不稳定,本文所设计的小型永磁风力发电机目标为可以在宽范围风速下运行,期望风机可以在较低风速下就可以启动,因此转动惯量不宜过大,长径比应不宜过小。

3.3.3 电机磁路设计

       电机的磁路设计即根据磁场设计的要求,选择永磁体材料、磁极形状和尺寸,使得永磁体的性能得到最好的发挥,磁路设计更为合理[33]
永磁材料选择
      根据第2章提供的各种永磁材料的参数对照表以性能分析,本设计中选用稀土钕铁硼永磁材料(NdFeB),型号为NTP-288M,钕铁硼永磁材料具有很强的抗去磁能力,磁稳定性好,其剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁能积均比其他材料好,可以满足本设计中电机的要求,其主要性能参数如表3.4所示。
 
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