鄧秋玲,李春菊,許志偉

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

直驅(qū)軸向磁場(chǎng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

鄧秋玲,李春菊,許志偉

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

當(dāng)電機(jī)極數(shù)足夠多,電機(jī)軸向長(zhǎng)度與外徑的比率足夠小時(shí),軸向磁場(chǎng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度比傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)大.另外,軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)還有許多其它優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,軸向長(zhǎng)度短,節(jié)約材料等,因此軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)特別適合于直驅(qū)風(fēng)能轉(zhuǎn)換和電動(dòng)車(chē)應(yīng)用場(chǎng)合.闡述軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn),重點(diǎn)介紹磁極和電樞繞組的設(shè)計(jì),為軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ).

軸向磁場(chǎng);永磁;同步發(fā)電機(jī);電機(jī)設(shè)計(jì)

0 引 言

風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的理想特性是制造成本低,電機(jī)性能優(yōu)良,運(yùn)行可靠,易維護(hù)、效率高等.由于稀土永磁材料、電力電子技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,永磁同步發(fā)電機(jī)最近在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和效率又可以通過(guò)使用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)而得到進(jìn)一步提高.然而,直驅(qū)發(fā)電機(jī)的低速特性需要很大的轉(zhuǎn)矩,要求電機(jī)有較多的極數(shù),有較大的直徑,使得電機(jī)內(nèi)部有很多空間不能充分利用.這就是直驅(qū)發(fā)電機(jī)通常比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)要重、經(jīng)濟(jì)性差的原因.為了在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力,必須對(duì)低速大直徑的發(fā)電機(jī)在成本、功率密度和效率等方面進(jìn)行優(yōu)化[1].

眾所周知,如果電機(jī)的極數(shù)足夠多,軸向長(zhǎng)度與外徑的比率足夠小時(shí),軸向磁場(chǎng)永磁(AFPM)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度比傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)永磁(RFPM)電機(jī)大[2].軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,節(jié)約材料,定子繞組散熱條件良好的優(yōu)點(diǎn),還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu),以提高輸出功率.因此軸向永磁同步發(fā)電機(jī)特別適合應(yīng)用于風(fēng)能轉(zhuǎn)換和電動(dòng)車(chē)輛場(chǎng)合.

由于軸向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu),因此在電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有不同的要求.本文就電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題作一些探討,為軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ).

1 軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中,定、轉(zhuǎn)子均為圓盤(pán)形,在電機(jī)中對(duì)等放置,因此也稱為盤(pán)式電機(jī).最小的盤(pán)數(shù)是2,但是為了使電機(jī)結(jié)構(gòu)更具對(duì)稱性以消除盤(pán)與盤(pán)之間的磁拉力,并且為了得到更大的氣隙面積以增加輸出,一般都使用三個(gè)盤(pán),或三個(gè)以上的盤(pán).若外面的兩個(gè)盤(pán)是轉(zhuǎn)子,中間盤(pán)為定子,則稱為內(nèi)定子結(jié)構(gòu)(有的文獻(xiàn)稱為T(mén)orus結(jié)構(gòu)),如圖1(a),(b)所示.相反,若中間盤(pán)為轉(zhuǎn)子,外面的兩個(gè)盤(pán)是定子,則稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子(IR)結(jié)構(gòu),如圖1(c),(d)所示.

1.1 磁路結(jié)構(gòu)

對(duì)于有三個(gè)盤(pán)的軸向磁場(chǎng)電機(jī),可以形成兩種不同的磁路方案,即所謂的NS方案,定子兩邊的正對(duì)面一個(gè)為N極,另一個(gè)為S極,磁通徑直通過(guò)位于中間的定子而不需要在定子內(nèi)產(chǎn)生周向的流通,因此不需要定子軛部,如圖1(a)所示,定子是開(kāi)槽的,因此簡(jiǎn)稱為NS(NS方案)T orus-S(開(kāi)槽)型.相反,如圖1(b)所示的NN方案,則兩個(gè)N磁極正對(duì)著定子的兩邊,因此,磁通必須沿著定子軛周向地流通,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為NN Torus-S型.

圖1 軸向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案

1.2 鐵心的構(gòu)造形式

軸向磁場(chǎng)電機(jī)按照電樞結(jié)構(gòu)可分為有鐵心電機(jī)和空氣鐵心(無(wú)鐵心)電機(jī).無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)的軸向磁場(chǎng)電機(jī)的電樞是由繞組注塑而成.有鐵心的軸向磁場(chǎng)電機(jī)的定子鐵心是通過(guò)將硅鋼片帶料卷繞后再進(jìn)行槽加工或?qū)_好槽的硅鋼片帶料卷繞而成.鐵心開(kāi)槽時(shí),可以減小有效氣隙而增大氣隙磁密,減小所需永磁體用量,因而可以降低發(fā)電機(jī)的成本.但在槽加工過(guò)程中,會(huì)遇到疊片之間的短路問(wèn)題,當(dāng)繞制沖好槽的疊片帶的時(shí)候,存在預(yù)先打孔的槽難以對(duì)齊的難題.因此,軸向磁場(chǎng)電機(jī)的電樞鐵心是軸向磁場(chǎng)電機(jī)制造的難點(diǎn).也有許多AFPM電機(jī)采用無(wú)槽結(jié)構(gòu),如圖 1(d)所示 ,稱為 AFIR-NS(無(wú)槽)型 .無(wú)槽鐵心電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是消除了鐵心齒損耗,齒槽轉(zhuǎn)矩和噪聲.但電機(jī)有效氣隙增大,所用永磁體用量增加.

轉(zhuǎn)子由高性能的永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成,為了牢固起見(jiàn),一般將永磁體用螺絲釘固定在轉(zhuǎn)子鐵心上,再用玻璃纖維綁扎帶稍微綁扎一下.為了降低轉(zhuǎn)子鐵心損耗,轉(zhuǎn)子鐵心一般由硅鋼片卷繞而成,但有時(shí)也采用整塊鋼制成,因?yàn)橥ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)子鐵心的主磁通不發(fā)生變化,通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵心的二次諧波磁通會(huì)發(fā)生變化.

1.3 定子繞組

在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中使用的繞組與傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)一樣,有迭繞組、波繞組和集中繞組.集中繞組可繞在與氣隙平面平行的平面上,也有沿電樞鐵心軛部環(huán)繞的,叫環(huán)形繞組,或背對(duì)背繞組.迭繞組是最基本的繞組形式,但是槽滿率較低,通常只有50%,而使用方線時(shí)背對(duì)背繞組的槽滿率可以高達(dá)80%.這種環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單,它可以均勻的環(huán)繞在鐵心上,可以靈活的選擇節(jié)距以改善電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)波形,線圈尺寸相同,便于制造,可以組成較多的并聯(lián)支路,端部形狀整齊,有利于散熱和增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度.背對(duì)背繞組的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是繞組端部很短.

一般情況下,雙轉(zhuǎn)子AFPM電機(jī)的總體性能較好,定子開(kāi)槽的雙轉(zhuǎn)子AFPM電機(jī),如圖1(a),(b)所示,是最重要的兩種軸向磁場(chǎng)電機(jī).文獻(xiàn)[3]中,Huang比較了這兩種電機(jī),得到結(jié)論:NN型雙轉(zhuǎn)子定子開(kāi)槽(NN Torus-S)電機(jī)的定子軛部比較大,因?yàn)橛袃蓚€(gè)轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁通通過(guò)它,定子軛長(zhǎng)是一個(gè)特別重要的參數(shù),它不僅影響電機(jī)的重量,還會(huì)影響鐵耗.但是它可以使用槽滿率高的背對(duì)背繞組,這大大減小了繞組端部的突出高度,增加了電機(jī)的功率密度和效率.

相反,NS型雙轉(zhuǎn)子定子開(kāi)槽(NS Torus-S)的電機(jī)有較短的定子軛,這樣增加了功率密度,降低了損耗.然而,為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,不能用環(huán)形繞組,必須采用槽滿率低的迭繞組,且繞組的端部較長(zhǎng),這樣增加了電機(jī)的外徑,增加了損耗,降低了功率密度.雖然后者的功率密度和效率稍高一些,但總的來(lái)講,這兩種電機(jī)的性能是相差不大的.

2 軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

2.1 軸向永磁同步電機(jī)的主要尺寸方程

用D30表示的軸向磁場(chǎng)電機(jī)尺寸方程[4]:

為了得到用D20Le表示的尺寸方程,定義KL=D0/Le,即軸向磁場(chǎng)電機(jī)表面比系數(shù).

最后得到軸向磁場(chǎng)電機(jī)的通用尺寸方程:

式中:PR為電機(jī)的額定輸出功率,Kφ=Jr/Js為轉(zhuǎn)子電負(fù)荷和定子電負(fù)荷的比值(若電機(jī)中沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組,則 Kφ=0),m為電機(jī)的相數(shù),m1為每個(gè)定子的相數(shù),Ke為電動(dòng)勢(shì)系數(shù),Kp,Ki分別為電功率和電流波形系數(shù).η為電機(jī)效率,Bg為氣隙磁密,A為電負(fù)荷,f為變流器頻率,p為電機(jī)的極對(duì)數(shù),Le為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度.

λ=Di/Do是盤(pán)式永磁電機(jī)磁極的內(nèi)徑Di和外徑Do之比,近似為電樞內(nèi)徑與外徑之比.稱為電樞直徑比,它是盤(pán)式永磁電機(jī)初始設(shè)計(jì)時(shí)的重要幾何尺寸比.

從式(1)可以得到電樞外表面的直徑Do:

2.2 永磁磁極的設(shè)計(jì)

盤(pán)式有槽電機(jī)的永磁體軸向長(zhǎng)度LPM可表示為:

μr為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率,Br為永磁體的剩余磁通密度,Kd是通過(guò)有限元研究或通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得到的永磁電機(jī)的漏磁系數(shù),Kc為卡特系數(shù),Kf為盤(pán)式電機(jī)的氣隙磁通密度在徑向方向上的最大值修正系數(shù).

在徑向磁場(chǎng)電機(jī)中,定子齒沿軸向方向有一個(gè)固定的齒寬,因而卡特系數(shù)是個(gè)常數(shù).而在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中,為了提高槽滿率,定子槽形為矩形,而定子齒只能為梯形.結(jié)果,電機(jī)氣隙磁阻不僅沿切向方向變化(如徑向磁場(chǎng)電機(jī)那樣)也會(huì)沿徑向方向變化.若所施加的氣隙磁勢(shì)為常數(shù),結(jié)果使氣隙磁密不均勻,靠近內(nèi)徑的地方,因齒的區(qū)域較窄,使鐵心飽和,而在靠近外徑的地方,因齒區(qū)域較寬,而不能有效地利用永磁體.定子齒的幾何尺寸決定了氣隙磁通密度的分布.在電機(jī)設(shè)計(jì)中,用卡特系數(shù)來(lái)表示在不變磁勢(shì)作用下,由于定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽而引起氣隙磁密的變化.考慮到圖2所示的定子齒的幾何尺寸,卡特系數(shù)可用下式表示[5]:

這是一個(gè)積分形式的卡特系數(shù),與齒寬為(w1+w2)/2,齒長(zhǎng)與梯形齒長(zhǎng)度相同的齒的卡特系數(shù)等效,是一個(gè)定值.實(shí)際上,對(duì)于軸向磁場(chǎng)電機(jī),由于靠近內(nèi)徑處,定子齒很窄,齒部飽和嚴(yán)重.若考慮飽和的效果,卡特系數(shù)是半徑的函數(shù),如圖3所示.

為了獲得最佳磁性能,必須對(duì)磁極形狀進(jìn)行最佳設(shè)計(jì),可以使用等效磁路法計(jì)算出定子齒的氣隙磁密分布,然后就可以近似得出磁極幾何形狀.

2.3 電樞繞組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)較多,若每相每極槽數(shù)q為一個(gè)整數(shù),則需要開(kāi)較多的槽,使得電機(jī)內(nèi)徑處的齒寬變得很窄,這是不實(shí)際的.因此大的極對(duì)數(shù)限制了每相每極槽數(shù),這將會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形變壞.對(duì)于極數(shù)多的電機(jī)來(lái)說(shuō),有時(shí)不得不采用分?jǐn)?shù)槽繞組.而在極數(shù)多的電機(jī)中采用分?jǐn)?shù)槽繞組可以實(shí)現(xiàn)集中非重疊繞組.

在向徑磁場(chǎng)電機(jī)中使用集中或非重疊繞組有某些優(yōu)點(diǎn),其中包括①由于電機(jī)的端匝長(zhǎng)度縮短,縮短了電機(jī)總的軸向長(zhǎng)度.②由于減小的線圈數(shù)和簡(jiǎn)單的繞組結(jié)構(gòu),降低了定子繞組的成本.一般來(lái)說(shuō),集中繞組電機(jī)的缺點(diǎn)是繞組系數(shù)低,降低了輸出轉(zhuǎn)矩.然而,在極數(shù)多的電機(jī)中,通過(guò)使用合理的極數(shù)和槽數(shù)配合,這種分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)的繞組不僅可以實(shí)現(xiàn)非重疊集中繞組,同時(shí)會(huì)得到高的基波繞組系數(shù).

2.4 降低齒槽轉(zhuǎn)矩的措施

在直驅(qū)風(fēng)輪應(yīng)用中,要求發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該平穩(wěn),意味著齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值要小.這可以改善風(fēng)輪在低風(fēng)速時(shí)的起動(dòng)性能,減小振蕩.

降低徑向磁場(chǎng)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有:采用合適的定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)的配合;最佳的極弧形狀;斜槽和斜磁極;減小槽開(kāi)口等.這些方法理論上可以應(yīng)用到軸向磁場(chǎng)電機(jī)上,但還要考慮軸向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性.文獻(xiàn)[6]對(duì)降低軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和功率損耗的技術(shù)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和比較,得出了一些結(jié)論:使用磁性槽楔(可由粘結(jié)的磁性材料做成)閉合槽口,斜磁極,在兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤(pán)之間引入一個(gè)30°的角度偏差(半個(gè)槽距),選擇適當(dāng)?shù)拇艠O寬度等措施,可以降低有槽軸向磁場(chǎng)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和定子鐵心的功率損耗[7].

3 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)閺较虼艌?chǎng)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直徑大,轉(zhuǎn)子內(nèi)部的很多空間不能充分利用,使得它的功率密度較低,經(jīng)濟(jì)性差.雖然軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)存在電樞鐵心制造難的缺點(diǎn),但隨著新型材料的引入,如用注塑材料形成空氣鐵心繞組,或采用軟磁復(fù)合材料(SMC)來(lái)形成電樞鐵心,可以克服電樞鐵心制造困難的缺陷.又因軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊,功率密度高、能做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu)、還能實(shí)現(xiàn)模塊式結(jié)構(gòu)等系列優(yōu)點(diǎn),軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)必然會(huì)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用.

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Design of Direct-drive Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Wind Power Generator

DENG Qiu-ling,LI Chun-ju,XU Zhi-wei
(College of Elect.and Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

Axial flux machines can compete with the traditional radial flux machines in terms of torque density if the number of pole-pairs is sufficiently high and the ratio of axial length to outer diameter is low.Moreover,axial flux machines have many other advantages,such as simple structure,small axial length and saving materials.So axial flux permanent magnet synchronous generator is particularly suit able for direct-drive wind energy conversion and electric vehicle occasions.The paper deals with construction and design characteristics of axial flux permanent magnet synchronous generator and puts a stress on the design of magnetic pole and armature windings which lays a foundation for designing the machine.

axial flux;permanent magnet;synchronous generator;electric machine design

TM315

A

1671-119X(2010)01-0009-04

2009-10-26

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(05C571)

鄧秋玲(1966-),女,在讀博士,副教授,研究方向:風(fēng)力發(fā)電.