有/无铁芯轴向磁通风力发电机性能研究

朱 军 宋丹丹 李少龙 韩巧丽 封海潮 许孝卓

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，焦作 454000； 2.内蒙古农业大学能源与交通工程学院，呼和浩特 010018)

1 引 言

目前风能是最具规模化和商业化发展前景的新能源[1]。由于地理位置的优势，风力发电机组主要分布在东南沿海地区及西北地区。为多结构利用新能源，使微风地区也能更好的采集风能，本文研究一种微风启动下的小型垂直轴盘式风力发电机，因其轴向尺寸小、结构紧凑、效率高、启动转矩小、功率密度大[2～4]等优点，可应用在垂直轴风力发电系统内，垂直轴风力发电是今后风力发电的主要方向[5,6]。

轴向磁通单定子双外转子发电机可分为有铁芯TORUS和无铁芯TORUS。对于无铁芯TORUS结构，有研究盘式无铁芯永磁发电机的电磁力对转子盘的形变影响[7]；有对无芯轴向磁通永磁同步发电机进行研究与改进，转子侧采用低活性材料，更经济化[8]；有对无铁心轴向磁通永磁发电机永磁漏磁通的建模改进，根据磁等效电路模型提出一种准三维模型计算无铁芯发电机漏磁通[9]。对于有铁芯TORUS结构，有研究对国产小型风力发电机中使用各种磁性材料的轴向磁通永磁发电机的设计，提出了对转子部分采用硬磁铁氧体取代钕磁铁的显著原因[10]。将定子侧采用电动钢芯与软磁复合磁芯轴向磁通永磁同步电机做比较[11]，由于软磁复合材料具有低损耗和涡流损耗小等优点使得电机性能增加，提出了采用软磁复合材料发电机的运营范围。采用Halbach磁极结构[12～14]，充磁方向必须多样，这对永磁体的充磁、加工技术的要求比较高，也势必提高了永磁体的制造成本，从而增加整个电机的制造成本。

综上所述，有、无铁芯发电机各有各的适用前景。本文主要对比分析单定子双外转子的有铁芯TORUS和无铁芯TORUS结构的效率及电能质量，为微风启动下的小型风力发电机系统选择发电机提供参考。

2 轴向磁通发电机分类

轴向磁通发电机按其定转子的数目及相对位置可分为单气隙结构，单定子双转子结构，单转子双定子结构和复合结构。单气隙结构由于结构不对称，存在单边磁拉力，会使转子固有频率降低造成电枢变形而影响电机性能，如果磁路设计不合理，漏磁通增加，使发电机效率降低[15]。单转子双定子结构，由于其机械强度弱，应用不广泛。多盘结构是盘式电机的轴向叠加，输出功率大，转矩大[16],多用在船舶推进装置[17]。本文主要研究单定子双转子结构，单定子双外转子可分为有铁芯TORUS和无铁芯TORUS，如图1所示。

(a)有铁芯TORUS (b)无铁芯TORUS图1 发电机三维有限元模型Fig.1 Three dimensional finite element model of generator

3 轴向磁通永磁发电机电磁设计

3.1 基本电磁公式

轴向磁通发电机在原动机的拖动下带动转子转动。转子转动产生旋转磁场，旋转的磁场在定子侧感应出感应电流，可知单根导体的最大感应电动势e(θ)为[2]

(1)

式中:Do——发电机磁极外径;Di——发电机磁极内径;Bδ(θ)——平均半径处的气隙磁密;r——线圈平均半径。

单根导体的平均感应电动势Eav为

(2)

式中:Ω——电机的机械角速度;Bδav——平均气隙磁密;p——极对数。

若定子侧每相电枢绕组并联支路数为a,每个线圈匝数为N1，定子绕组系数为kw,αi为计算极弧系数，则每相绕组感应电动势为

(3)

按照设计准则，若m为发电机的绕组相数，Ia为输出相电流，额定转速为n，则额定输出功率P为

(4)

发电机的电磁转矩为

(5)

式:Aav——平均电负荷;Bδ——气隙磁密。

3.2 结构尺寸设计

根据本发电机输出特性和运用场合，电负荷为1000A/m,发电机外径公式为

(6)

式中：m——电枢绕组相数;αi——计算极弧系数;αi——磁极外径与内径比;n——额定转速。

根据实际工作场合，本发电机的结构参数如表1所示。

表1 样机结构参数

4 有铁芯、无铁芯发电机对比分析

在magnet里建立三维模型，可生成三维矢量场强度、气隙磁通密度、铜耗、铁耗等多种场的运算结果。由于TORUS结构的对称性，为提高求解速度，对三维有无铁芯模型建立5分之一模型并添加适当的边界条件，以此来缩短求解时间，确保求解精度。

无铁芯TORUS其质量轻，无齿槽转矩，无磁滞损耗和涡流损耗，启动轻便。但其输出电压低，极间漏磁与有铁芯TORUS来说比较严重。有铁芯TORUS其质量大，启动力矩大，存在齿槽转矩及电枢反应，有磁滞损耗和涡流损耗，但其输出扭矩大，导磁性能高。通过建立部分有限元模型，来对比分析有无铁芯在不同情况下的性能。

4.1 磁钢用量相同对比分析

有铁芯发电机绕组采用鼓形绕组连接方式，无铁芯发电机绕组采用分数槽集中绕组连接方式，定子侧采用集中非重叠绕组，用无磁性不导电的环氧树脂固定成形。定子铁芯采用硅钢片，具体优化参数如表2所示。

表2 优化匝数后二种发电机参数

本文研究对象为微风下的小型风力发电机，情况一：即永磁体用量、绕组规格型号及输出功率相同时，优化有铁芯发电机匝数，对比分析发电机低转速时的效率，转矩特性及电能质量。因为有铁芯发电机定子铁芯部分导磁性更强，为达到相同的输出，可以优化有铁芯的电枢绕组的匝数。

由图2(a)可知，由于有铁芯发电机的匝数少，铜耗小，在额定运行状态下，有铁芯发电机效率明显高于无铁芯发电机4.2%。随着转速n的升高，有铁芯发电机发电效率η更具优势。

(a) 有无铁芯发电机在不同转速下的效率特性

(b) 有无铁芯发电机随时间变化下的电磁转矩

(c) 有无铁芯发电机谐波含量图2 发电机的效率特性、转矩特性及谐波分析Fig.2 Efficiency characteristics, torque characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

由图2(b)可知，有铁芯发电机由于铁芯的存在，转动惯量大，响应速度慢，同时有铁芯发电机存在齿槽转矩，使得发电机的电磁转矩T有波动，影响电机运行的平稳性；而无铁芯发电机电磁转矩平稳性高。

由表2及图2(c)可知，有铁芯发电机，其电压波形畸变率低于无铁芯发电机，电能质量更好，3次谐波含量较少，但5次、7次谐波含量较多，有无铁芯发电机的电压波形畸变率都在国标5%内。

有铁芯发电机用铜量仅为无铁芯发电机的一半，从经济性的角度，有铁芯发电机优于无铁芯发电机。

4.2 磁钢用量及电枢绕组匝数相同对比分析

本发电机转子部分永磁体材料选择气隙磁通密度较高，矫顽力较大的铝铁硼。在情况二下：即在永磁体及绕组用量相同时，对比分析在低速时有无铁芯发电机的效率及电能质量。表3为情况二下，两种发电机的参数对比。图3(a)为有无铁芯发电机在不同转速时的效率特性，图3(b)为有无铁芯发电机在额定运行状态下的谐波分析。

表3 永磁体用量相同时俩种发电机参数

由图3(a)可知，在情况二下：发电机运行在额定状态时，无铁芯发电机效率比有铁芯发电机效率高0.3%，不同转速下，无铁芯发电机效率明显占优势。虽然有铁芯发电机导磁性更好，输出扭矩、电压较大，但有铁芯发电机存在磁滞损耗和较多的涡流损耗且发热严重，效率较低。

(a) 有无铁芯在不同转速下的效率特性

(b) 有无铁芯发电机谐波含量图3 发电机的效率特性及谐波分析Fig.3 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通过表3及图3(b)可以看出，有铁芯发电机的谐波含量高于无铁芯发电机且奇次谐波含量较大，但有无铁芯发电机的电压波形畸变率都在国标5%内。

无铁芯发电机加工简单，更具经济优势，启动轻便。故在微风启动下，无铁芯发电机性能更加优越。

4.3 磁通量相同对比分析

永磁体的厚度影响着磁通量的大小及分布，情况三：即在输出功率及匝数相同时，有铁芯的导磁性更强，为此优化永磁体厚度，在磁通量相同时，分析有无铁芯发电机的效率。表4为有无铁芯发电机在额定运行状态下的参数对比，图4(a)为有无铁芯发电机在不同转速的效率特性对比，图4(b)为有无铁芯发电机在额定运行状态下的谐波分析。

(2)人才投入方面 “业务+技术+管理”的复合型人才是当前推进两化融合的迫切需求。普通员工方面，我国企业伴随着信息技术的引入而增加的用工占比平均水平为6.4%，其中大型企业占比较高，达到6.5%。在两化融合相关中高级领导设置方面，我国设置信息化专职中层、高层领导的企业占比分别为43.5%、28.7%，且随着企业体量的增大，其对两化融合专职领导的设置也越加重视，大型企业设置信息化高层领导的比例为48.7%，分别较小微型企业、中型企业高出11.5和23.9个百分点(如图9)。

由图4(a)可知在情况三下：为达到相同的输出特性，优化永磁体的厚度。当发电机处于额定情况下，无铁芯发电机的效率明显高于有铁芯发电机5.7%，随着转速的升高，当转速到达1000r/min时，有铁芯发电机效率高于无铁芯发电机效率。

表4 优化厚度时俩种发电机的参数

(a) 有无铁芯在不同转速下的效率特性

(b) 有无铁芯发电机谐波含量图4 发电机的效率特性及谐波分析Fig.4 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通过表4及图4(b)可以看出，有铁芯发电机的3次谐波含量较少，但5次、7次谐波含量较多，其电压波形畸变率为1.9%，无铁芯发电机的电压波形畸变率为2.5%，都在国家标准5%内。从其市场运行性来说，无铁芯发电机性能更加优越。

综合分析以上三种情况，无铁芯发电机以其高效率、低启动转矩和电磁转矩平稳性高等优势更适合在微风启动下运行。

5 样机测试实验

为了更好的检验无铁芯风力发电机的特性，加工一台额定转速为300r/min，输出为300W的发电机。定子绕组采用集中绕组分布，经环氧树脂固定成形，启动力矩小。图5为样机试验平台，经原动机拖动，产生三相交流电。

图5 样机试验平台及重要部件Fig.5 Prototype test platform and important components

本样机启动方式为变频启动，图6(a)为样机经原动机(减速机)拖动在300r/min时,通过示波器导出的线电压输出波形，可以看出无铁芯发电机输出电压曲线平滑，谐波含量少，电能质量高。

为检验仿真值的偏差性，将实验结果与3D有限元计算结果进行对比。图6(b)为发电机空载时，一个周期内,相电压的仿真值与实测值的对比。当发电机运行在工频50Hz时，取20ms为一个周期，电压实测幅值为26.3，仿真幅值为27，在误差允许范围内，仿真值与实测值吻合。

本发电机额定转速为300转/min,负载端为纯电阻电路采用星形接法，为降低三次谐波环流产生所产生的杂散损耗，所以交流发电机也采用星形接法。为研究发电机的实际输出特性，图7(b)给出了不同转速下相电流的仿真值与测试值对比。

(a) 发电机在300r时实际输出电压波形

(b) 一个周期内发电机相电压波形图6 空载下无铁芯发电机仿真值与测试值的对比Fig.6 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under no load

(a) 不同转速下输出功率的仿真值与测试值对比

(b) 不同转速下相电流的仿真值与测试值对比图7 带载下无铁芯发电机仿真值与测试值的对比Fig.7 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under load

5 结束语

经样机测试及对比，由图6～图7可知，仿真结果与测试结果吻合，证明了无铁芯风力发电机的实用性。可得如下结论：

(1)在永磁体用量及输出功率相等情况下，优化绕组匝数时，无铁芯发电机效率低于有铁芯发电机4.2%，但其启动力矩小，电磁转矩较平稳。

(2)在永磁体用量及匝数相同的情况下，无铁芯发电机效率高于有铁芯发电机0.3%，启动轻便且谐波含量较少，电能质量符合国家标准。

(3)在功率及匝数相同的情况下，优化永磁体厚度即磁通量相同时，无铁芯发电机效率高于有铁芯发电机5.7%，且效率高，换向性好，控制性优越。

由于本文所研究的风力发电机应用在微风地区，考虑到地里位置的影响及安装环境的要求，综合以上所讨论的三种情况下的发电机性能，无铁芯发电机在微风启动下的适用性更为广泛。