基于解析法的直驱型永磁风力发电机的设计

2014-08-09 01:52王金平刘林波周晓燕

电机与控制应用 2014年12期

关键词：磁密齿槽气隙

王金平，刘林波，周晓燕

(1. 青岛和力达电气有限公司，山东青岛 266042； 2. 青岛理工大学，山东青岛 266033)

0 引言

直驱型永磁风力发电机系统无齿轮箱结构，提高了整个发电系统的可靠性，降低了维护成本。采用永磁体励磁，无励磁损耗，使得电机效率大大提高，使得直驱型永磁风力发电机成为风力发电行业的研究热点。

目前，电机设计多采用有限元法。在设计过程中，当电机参数发生变化时，有限元法必须重新生成模型、剖分，计算过程复杂。和有限元法相比，解析法无须重复建模、剖分，参数调整非常方便，有利于电机的优化设计[1]。

本文采用解析法对50kW直驱型分数槽永磁风力发电机进行了优化设计，讨论了极槽配合等对电机设计参数的影响，得到了优化的电磁方案。

1 解析模型与边界条件

永磁风力发电机模型如图1所示。解析法中，为了简化数学模型，假设： (1) 永磁体径向充磁，相对磁导率μr=1；(2) 定子槽为扇形槽；(3) 定、转子铁心磁导率无穷大。

图1 永磁风力发电机模型

在极坐标系r-θ下将整个求解域分为永磁体、气隙和定子槽。3个求解域的矢量磁位分别满足拉普拉斯方程和泊松方程[1]，具体如下：

(1)

式中：μ0——空气磁导率；

M——永磁体磁化强度；

J——定子槽内电流密度；

i——第i个定子槽。

边界条件[2]为

(2)

式中：Rm——永磁体半径；

Rs、Rr——定子内径、转子外径；

Rs1——定子槽内两层绕组分界面半径；

β——扇形槽的张角。

根据分离变量法，建立各区域的通解，将通解代入边界条件中，得到方程组。应用MATLAB编程求解即可得各区域磁密分布，根据磁密分布可以求得电机各项电磁参数[1]。

2 不同极槽配合对齿槽转矩的影响

在永磁风力发电系统中，为提高发电效率，发电机必须能在微风情况下起动，这就要求电机的起动阻力矩要小。永磁发电机的起动阻力矩主要是由电机的齿槽转矩引起的，在电机设计中，极槽配合的选择是降低齿槽转矩的关键。

文献[4]给出了单元电机极数和槽数选择的约束条件，提出选用最小公倍数较大的极数2p和定子槽数Q的组合可以有效降低永磁发电机的齿槽转矩。本文分别对50p45Q、50p153Q、64p60Q和64p198Q4种极槽配合的表贴式永磁发电机进行了设计比较。其中，50p45Q和64p60Q为分数槽集中绕组结构。该结构的电机具有绕组端部短、用铜量少以及可以使用绕线机进行机械化绕线等优点。为了方便比较，四台电机基本仿真计算数据保持一致，如表1所示。

表1 50kW永磁风力发电机基本数据

解析法计算过程中为了简化模型，用扇形槽模拟定子梨形槽，考虑槽口对齿槽转矩的作用，在仿真的过程中保证扇形槽槽口与实际槽型的槽口宽度保持一致。

直驱型永磁风力发电机转速低，属于多极结构，153Q和198Q两种又是多槽结构。应用解析法计算过程中生成的矩阵维数与极数、槽数以及气隙谐波次数有关，故计算过程生成的矩阵庞大。考虑计算机硬件的局限性和误差允许范围，此次仿真过程中气隙谐波次数取100，齿部谐波次数取20。图2～图5分别为4种极槽配合下的齿槽转矩分布。