爪极发电机的转子参数对电机性能的影响风力发电

张成

摘 要：在小型容量直驱式风力发电机中，永磁体数目越多的发电机越来越受欢迎。直驱式发电机价格廉洁、低损耗、高性能和噪声小等优点。本文介绍了应用3D有限元分析了实用于小容量风电系统的爪极永磁同步发电机转子的磁场分析和对电机性能的影响。

关键词：爪极式；永磁同步发电机；3D FEM

0 引言

在风力发电系统中，永磁电机的可靠性和高效率，使得它在低速风电机组中越来越受欢迎。随着现在高能量密度磁性材料的出现，使得设计出特殊转子成为可能。永磁体的出现替代了转子中励磁绕组，低热量、高效率且随着电力电子的发展，让永磁同步发电机受到广泛的关注。PMSM转子有3种拓扑结构：表面式永磁体、内置式永磁体和爪极结构。由于爪极电机简单、低价，通常用在汽车、风电和水轮发电中，多极数使得它被用在变速恒频的风电系统中，永磁体也替代了繁琐的励磁绕组。

本文将介绍基于3D有限元法对PMSM性能分析。对转子爪极不同的长度、宽度、厚度参数进行分析，对电机的性能、感应电势、磁场密度的影响。

1 电机主要参数和3D有限元分析

本文主要的设计参数：永磁体NdFeB励磁、三相、额定电压80V、定子36槽、轴向磁化、定子外半径146mm、定子内半径92.5mm、极数8、转子外半径92mm、爪极长107mm、额定转速750rpm。

爪极发电机在风电系统中优点除了新能源外，相对于传统的发电机就是它的高数目的爪极数，让它可高速或低速运行。

电磁场分析是基于Maxwell 3D有限元分析，它是个对电机设计和电磁分析的强大软件。由于爪极电机特殊的结构，必须考虑它的三维特性：径向、横向、轴向。由于其对称性，对其分析将基于一对磁极上。使用FEM法对磁场的分析分为三步：预处理、场解决方案、后处理。在预处理阶段需要画几何模型、设置材料属性、网格剖分等，在空载的情况下，一旦基本的电机结构设计完成，磁路方程也解决了。为了获得更精确的结果，就要对爪极电机最重的2个部分气隙和爪极数进行分析。

磁场密度、感应电势和漏磁通的计算在后处理阶段，同时，通过软件可以清楚的看到在定子齿、爪极间的磁密图和得到漏磁通的值，如两爪极间为3.065·10-5Wb。

感应电势可由下式获得：

2 转子参数对电机性能的影响

2.1 对感应电势、磁密、漏磁通的影响

为了在爪极表面得到更好的磁密分布、更高的感应电势、更低的漏磁通，对爪极的尺寸进行了修改。其一，减小了爪极的长度、宽度；其二，缩短和减小了爪极的厚度，得到emf=80.2V，漏磁通（两爪极间）为1.627·10-5Wb，爪极间磁密增加。应为爪极的宽度减小，气隙间的磁密和原先的相比，更加接近正弦波。

加厚爪极底部，为了消除爪极底部没有利用上的区域。得到：emf=82.2V、爪极间漏磁通为：1.365·10-5Wb、气隙磁密度也增加。

2.2 对气隙磁密的谐波影响

作为独立的发电设备或连接电网，最重要的是产生最优的能量品质。其中产生的谐波这一参数就看出电能质量的好坏。对永磁同步发电机，气隙间频率可由v=2k±1，k=0，1，2，...得出，爪极电机的第一个谐波频率为13.8[1/m]，可由

气隙磁密谐波代表着感应电势是否被“污染”，分析原先参数、减小爪极长度、宽度、厚度和加厚底部，分别得到第一次谐波值：0.158T、0.24T、0.28T。结果表明，气隙间磁密的第一次谐波变大了，更高次谐波值见表1。

上表表明：随着爪极的长度、宽度减小或爪极底部厚度增加，气隙间高次谐波的值减小。

3 结语

永磁爪极发电机适用在小型直驱式风力发电系统中。本文基于3D有限元分析软件对小容量、直驱式风电系统中的PMSM的磁场进行了分析，气隙磁密的分布和谐波的计算。本文的目的是用一种比较的方式，通过减小转子爪极的长度、宽度和增加爪极底部的厚度，来分析爪子参数对电机性能的影响。结果表明：感应电势增大，最大和平均的气隙磁密也增高了，气隙磁密的高次谐波值也变的更小了。

参考文献

[1]王群京.爪极电机的结构理论及应用[M].中国科学技术大学出版社，2006.

[2]陈世坤.电机设计（第2版）[M].机械工业出版社，2000.

[3]熊冬情.基于Ansoft的爪极发电机参数计算及优化[D].西南交通大学，2012.

（作者单位：上海海事大学）