内置式U形永磁同步发电机转子结构优化

温嘉斌, 宋春杰, 付 瑶, 郭萍萍

(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080)

随着对环境保护的日益重视,风力发电以其能源的可再生性、环保性以及其建设周期短、成本低的优势,成为我国可再生能源利用开发的重点对象[1-2].永磁同步发电机是风力发电的主要应用发电机,其结构简单,相比传统发电机而言效率高,但由于其结构原因,会产生齿槽转矩.齿槽转矩会造成发电机转矩脉动,产生震荡和噪音,同时也会使得风力发系统的叶片震荡从而使得切入速度变化,效率降低[3].因此降低永磁同步发电机齿槽转矩是在设计过程中必须考虑的因素.同时,在设计过程中通常会采取相应转子通风道等散热措施,因此有必要考虑转子通风道对发电机性能影响.在以往的文献当中,大多数都是对表面式转子磁极结构进行优化[4-6].文献[7]较为全面地总结了非均匀气隙对切向永磁同步发电机性能的影响.文献[8]通过调整一字磁钢离转子圆心的位置达到对直线起动永磁电动机进行优化的目的,该方法虽然可以调整气隙磁密的幅值大小,但对于发电机来说,达不到优化电势波形的目的.文献[9]研究了非均匀气隙及V形磁钢角配合对永磁电动机的影响.文献[10-11]主要研究了磁极偏移对瓦片形永磁发电机齿槽转矩的影响.文献[12]则研究了切向转子结构磁极偏移时对发电机的影响.文献[13]研究了不同频率下的转子温升情况,而研究转子通风道位置对发电机性能影响的文献非常少.

文中拟针对内置式U形永磁同步发电机进行转子结构优化,研究磁极偏移和转子非均匀气隙对齿槽转矩及电压畸变率的作用,同时将采用转子轴向圆形通风道,来分析转子通风道对永磁同步发电机性能的影响.

1 齿槽转矩的产生

齿槽转矩是由于永磁发电机本身的设计结构产生的.永磁体与其对面的齿槽结构产生一种切向力的作用,这种作用趋向于永磁磁极与齿槽结构相对齐,当永磁磁极与齿或槽中心对齐时,磁通在齿槽两侧引起的引力相互平衡,当永磁磁极与齿或槽中心没有对齐时,由于磁场储能的变化,将会导致齿槽转矩的产生.

由上可知,齿槽转矩可定义为在不通电的情况下磁场储能随转子位置变化,表示为

(1)

式中:W为磁场储能;α为定转子相对位置角.

文中将以6极,72槽的内置式U形转子结构永磁同步发电机为模型,采用磁极偏移、转子结构非均匀气隙及调整转子通风道位置等方法来探索削弱齿槽转矩及降低永磁磁钢发生退磁风险的方法.发电机的参数如下:定子外径为900 mm,定子内径为620 mm,转子外径为614 mm,轴向长度为800 mm.其转子模型见图1.

图1 永磁同步发电机转子模型

2 磁极偏移对齿槽转矩的影响

假设发电机电枢磁导率无穷,则可以认为其磁场储能近似等于气隙中的磁场储能,即可表示为

(2)

(3)

(4)

将式(2)-(4)代入式(1)中可得

(5)

当θ=0时,有

(6)

文中模型机为6极发电机,如图1所示,将图1中发电机的磁极进行编号,让编号为1,3,5的磁极沿逆时针方向偏转θ角,在这θ角以齿距比例为度量,编号为2,4,6的磁极保持与齿或槽的中心线对齐不变.用有限元方法对不同的θ角进行分析,在不同偏移角下的齿槽转矩如图2所示.在不同偏移角时的发电机齿槽转矩幅值及相电压幅值如表1所示,其中齿槽转矩以磁极没偏移时的取值为基值,求取百分比.

图2 不同偏移角所对应的齿槽转矩波形图

为进一步查看各次谐波含量,将空载相电势进行傅里叶分解,图3为磁极偏移相应角度后所对应空载相电势傅里叶分解图.

表1 不同偏移角齿槽转矩幅值及相电压幅值

图3 空载电势傅里叶分解图

由图2可见,磁极偏移使齿槽转矩的相位产生偏移,其变化周期为一个齿距.由图2-3、表1可见,当磁极偏移2/5及3/5齿距时,其齿谐波含量、电压畸变率及齿槽转矩都是比较小的.也就是说适当的磁极偏移能够有效地减少齿谐波含量,降低电压畸变率和齿槽转矩.不过考虑到发电机对称的问题,这个偏移角度应该在达到预期目的的范围内尽量的小,同时也可观察到磁极偏移后发电机空载电势较磁极偏移前是有所变化的,这一点对于强调电能输出质量的发电机是非常值得注意的.

3 非均匀气隙对发电机的影响

对于瓦片形永磁发电机,可以采用不等后永磁体来降低齿槽转矩，与之相类似的,非均匀气隙也是利用转子结构的变化来改变发电机气隙形状从而达到削弱齿槽转矩的目的.图4为转子偏心距示意图,这里主要用偏心距h来衡量非均匀气隙的程度.

图4 转子偏心距示意图

对具有不同偏心距的永磁同步发电机进行有限元计算,得出在不同偏心距下的齿槽转矩波形图及其齿槽转矩幅值等,结果见图5和表2.

图5 不同偏心距下的齿槽转矩波形图

偏心距/mm齿谐波值/V电压畸变率/%齿槽转矩/(N·m)037．2414．501156．3532．0913．081051．61025．447．35954．61518．636．44867．42013．195．35783．0

由图5和表2可知,非均匀气隙可以有效减小齿谐波及齿槽转矩,同时降低电压畸变率.图6是在不同偏心距时空载相电势幅值情况,可见其呈下降趋势.

图6 不同偏心距下的空载电势幅值

4 转子通风道对发电机性能的影响

对于发电机来说,在一般情况下采用相应散热措施是必要的.文中模型机采用转子轴向圆形通风道,并以其为例,来研究转子通风道对永磁同步发电机性能的影响.在这里,将转子通风道中心线与磁极中心线对齐时作为原点,以通风道偏离磁极中心线的角度作为度量,沿逆时针方向偏转为负、顺时针方向为正,来观察转子通风道偏转角对发电机性能的影响.转子通风道偏转不同角度时的空载相电压和额定负载相电压折线图见图7.

图7 转子通风道在不同位置时的空载及负载电压折线图

由图7可见,转子通风道的位置对空载和负载电压影响不大.在短路时,电枢电阻非常小,在一般情况下忽略不计,这时就相当于纯电感负载,即电枢反应表现为直轴去磁,也就意味着设计不当将会导致永磁体退磁.除了短路电流倍数,转子的磁路结构也会影响短路电流,从而使得在去磁最严重的情况下,永磁体表面的磁密分布不同,因此短路电流对永磁磁钢的影响也变得尤为重要.永磁同步发电机三相短路时,转子通风道在不同位置时所对应的去磁最严重永磁体的最小磁密见表3.

表3 最小磁密表

由表3可见,在转子通风道中心线顺时针偏离磁极中心线2°时,去磁最严重,永磁磁钢表面的最小磁密面的磁密最大.这表明转子通风道沿磁极中心线偏离适当的位置时,可以有效降低永磁体退磁风险.

5 结 论

1) 磁极偏移使得齿槽转矩相位发生变化,该变化是周期性的.适当的磁极偏移可以减少齿谐波含量,降低电压畸变率及削弱齿槽转矩,在磁极偏移0.5齿距时发电机齿槽转矩最小.

2) 非均匀气隙可以明显降低电压畸变率及齿谐波含量,有效改善永磁同步发电机齿槽转矩问题,不过会引起其电势幅值有所降低.

3) 磁极偏移及非均匀气隙均会使得发电机电势有所变化.因此在采用磁极偏移及非均匀气隙时,应考虑到是否满足额定电势要求及发电机对称问题,从而选择适当的磁极偏移及非均匀气隙.

4) 转子通风偏离磁极中心线的程度对永磁同步发电机空载及负载电势影响不大,当转子通风道沿磁极中心线偏离适当的位置时,可以有效降低永磁体退磁风险.对于文中发电机来说,当转子通风道位置顺时针偏转2°机械角度时,永磁磁钢最小磁密处的磁密最大为0.331 7 T.

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