楊衛(wèi)平， 袁龍生， 趙朝會(huì)

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240)

0 引言

在能源短缺的今天，作為可再生能源的風(fēng)能成為研究熱點(diǎn)之一，風(fēng)力發(fā)電也引起了各國(guó)學(xué)者的不斷關(guān)注。

文獻(xiàn)［1］通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)的永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(DDPMG)類型(徑向結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)、軸向結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī))的研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有輔助磁極的切向磁鋼直驅(qū)發(fā)電機(jī)［2］，該電機(jī)為切向結(jié)構(gòu)和徑向結(jié)構(gòu)的組合，減小了轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體的漏磁，提高了氣隙磁密;但電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵心損耗嚴(yán)重。文獻(xiàn)［3］介紹了一個(gè)軸向磁通永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了100 kW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但該電機(jī)的氣隙磁密較低，功率密度難以提高，導(dǎo)致材料利用率較低。文獻(xiàn)［4］介紹了10 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力較大，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大，要求電機(jī)有一定的結(jié)構(gòu)剛度。

為了解決傳統(tǒng)DDPMG結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重、鐵心損耗較大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力等問(wèn)題，文獻(xiàn)［5］提出了一種定子無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，該電機(jī)重量得到了很大程度地減輕，但氣隙磁密相對(duì)較低，高功率密度難以滿足。

本文采用Ansoft軟件中的Maxwell2D平臺(tái)，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度，并對(duì)定、轉(zhuǎn)子分別為導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料三種組合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模與仿真，分析比較了這三種發(fā)電機(jī)的優(yōu)、缺點(diǎn);最后，為了降低永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、重量，并且保持較高的氣隙磁密，提出了永磁體采用Halbach陣列的新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及優(yōu)化

1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖1為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，表1顯示了電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

表1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)極數(shù)、磁鋼厚度和磁鋼寬度的確定

圖1所示的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，極數(shù)P與磁鋼寬度bm決定了電機(jī)極弧系數(shù)α的大小。在極距τ相同(即極數(shù)一定)時(shí)，磁鋼寬度bm窄，則極弧系數(shù)α就小，電機(jī)氣隙磁密Bδ相對(duì)就較低;磁鋼寬度bm寬，則極弧系數(shù)α就大，電機(jī)氣隙磁密Bδ就相對(duì)較高。但bm過(guò)寬時(shí)，將出現(xiàn)極間漏磁，使得Bδ增加不多。

1.2.1 極數(shù)的選擇

在磁鋼寬度bm=33 mm、極數(shù)不同時(shí)，極弧系數(shù)和氣隙磁密Bδ的變化情況，如表2所示。

由表2可以繪制出圖2所示在磁鋼厚度hm=12 mm和磁鋼寬度bm=33 mm時(shí)，電機(jī)極數(shù)P與氣隙磁密Bδ之間的關(guān)系曲線。

由圖2可看出:在磁鋼厚度、磁鋼寬度、氣隙一定的情況下，隨著極數(shù)的增加，氣隙磁密逐漸增大;但當(dāng)極數(shù)增大到50時(shí)，氣隙磁密的增加量明顯減小，原因是隨著極數(shù)的增加，電機(jī)極間漏磁增大，這一點(diǎn)可以從圖3看出，圖3所示為不同極弧系數(shù)下(即不同極數(shù))電機(jī)的磁力線分布。

表2 氣隙磁密Bδ隨極數(shù)的變化情況

圖2 極數(shù)P與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

圖3 不同極弧系數(shù)下電機(jī)的磁力線分布

由以上討論可知，為了保證永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)較高的氣隙磁密和較小的極間漏磁，選取電機(jī)的極數(shù)為50，即極弧系數(shù)為0.875。

1.2.2 磁鋼寬度的選擇

圖4為P=50、磁鋼厚度hm=12 mm的情況下，磁鋼寬度bm與電機(jī)氣隙磁密之間的關(guān)系。

由圖4可以看出:在極數(shù)P、磁鋼厚度、氣隙一定的情況下，隨著磁鋼寬度的逐漸增加，氣隙磁密逐漸增大，但當(dāng)磁鋼寬度增加到33 mm時(shí)，氣隙磁密的增加量減小，原因是極間漏磁的增加。因此，選取合適的磁鋼寬度為33 mm。

圖4 磁鋼寬度bm不同時(shí)，氣隙磁密Bδ的變化情況

1.2.3 磁鋼厚度hm的選擇

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)取決于磁鋼厚度hm:磁鋼厚度hm薄，電機(jī)中的磁勢(shì)就小，氣隙磁密較低;磁鋼厚度hm增厚，電機(jī)的氣隙磁密增大。但當(dāng)磁鋼厚度hm增加到一定程度時(shí)，氣隙磁密的增加量減小，而增加磁鋼厚度又會(huì)提高電機(jī)的制造成本，因此hm存在一個(gè)最優(yōu)值。

在P=50，磁鋼寬度bm=33 mm的情況下，磁鋼厚度hm與氣隙磁密之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 磁鋼厚度hm與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖5可看出:在極數(shù)、磁鋼寬度和氣隙一定的情況下，隨磁鋼厚度的增加，氣隙磁密逐漸增大，但當(dāng)磁鋼厚度大于12 mm后，氣隙磁密的增加量減小。因此，選取合適的磁鋼厚度為12 mm。

1.3 不同定、轉(zhuǎn)子材料的三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的對(duì)比分析

傳統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)重量大、齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重、鐵心損耗大且定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁吸力，使得電機(jī)高空安裝困難、電機(jī)軸承使用壽命短和發(fā)熱嚴(yán)重，這些缺點(diǎn)限制了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推廣和應(yīng)用。為了解決以上問(wèn)題，對(duì)比分析了以下三種不同定、轉(zhuǎn)子材料的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下的氣隙磁密大小:(1)定子為非導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式;(2)定子為非導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子也為非導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式;(3)定子為導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子也為導(dǎo)磁材料，磁鋼采用徑向充磁方式。

比較時(shí)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:P=50，磁鋼厚度hm=12 mm，磁鋼寬度bm=33 mm，通過(guò)改變定、轉(zhuǎn)子材料，用Maxwell2D計(jì)算了氣隙長(zhǎng)度與氣隙磁密的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 氣隙δ與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖6可以看出，在氣隙大小相同的情況下，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料時(shí)，氣隙磁密明顯高于其他兩種情況;而且定、轉(zhuǎn)子都為非導(dǎo)磁材料時(shí)氣隙磁密最低。三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定性對(duì)比如表3所示。

表3 不同定、轉(zhuǎn)子材料的三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定性比較

由表3可看出，定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料的電機(jī)氣隙磁密相對(duì)較低，但其結(jié)構(gòu)重量輕，且不存在齒槽轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有很大的應(yīng)用潛力。因此，如何在結(jié)構(gòu)重量較輕、齒槽轉(zhuǎn)矩為零和不存在定、轉(zhuǎn)子之間電磁吸力的情況下，盡可能提高氣隙磁密成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

2 Halbach列無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

2.1 Halbach列

圖6和表3均說(shuō)明無(wú)鐵心電機(jī)雖然電機(jī)的氣隙磁密較低，但電機(jī)結(jié)構(gòu)重量最輕，且無(wú)齒槽轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子間電磁吸力。為了提高無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密，提出轉(zhuǎn)子中應(yīng)用Halbach列永磁結(jié)構(gòu)的新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

Halbach列是美國(guó)學(xué)者Klaus Halbach提出的一種新穎的永磁體排列方式，它分為平面陣列和曲面陣列。曲面陣列的Halbach有內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和外轉(zhuǎn)子永磁體兩種排列。圖7所示的是外轉(zhuǎn)子Halbach陣列。對(duì)外轉(zhuǎn)子Halbach陣列，磁場(chǎng)分布在Halbach列磁體的外部，其內(nèi)部磁場(chǎng)幾乎為零，即在Halbach列中形成單邊磁場(chǎng)的永磁陣列本身就為磁場(chǎng)提供了通路，而另一邊幾乎不受磁場(chǎng)的影響，這被稱為Halbach列的自屏蔽(Self Shielding)效應(yīng)［8］。

圖7 典型Halbach列

在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，應(yīng)用Halbach列的自屏蔽效應(yīng)，可使電機(jī)轉(zhuǎn)子材料有較大的選擇余地，本來(lái)為磁場(chǎng)提供通路的導(dǎo)磁材料也可以用非導(dǎo)磁材料代替，這在提高電機(jī)功率密度的同時(shí)也極大地減少了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的定位轉(zhuǎn)矩和鐵心損耗。

2.2 Halbach列無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真

定、轉(zhuǎn)子都為非導(dǎo)磁材料的情況下，在P=50，磁鋼厚度hm=12 mm，磁鋼寬度bm=33 mm的條件下建模，其充磁方向如圖8所示，圖9為其磁力線分布情況，氣隙δ不同時(shí)電機(jī)的氣隙磁密Bδ的變化情況如圖10所示。

圖8 磁鋼充磁方向

圖9 Halbach永磁電機(jī)的磁力線分布

圖10 氣隙δ與氣隙磁密Bδ的關(guān)系

由圖10可看出:在氣隙較小時(shí)，Halbach列無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密大小接近于定、轉(zhuǎn)子都為導(dǎo)磁材料的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由此可看出Halbach陣列對(duì)于提高無(wú)鐵心電機(jī)氣隙磁密具有良好的效果;在實(shí)際應(yīng)用中，加入Halbach列的新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅轉(zhuǎn)子側(cè)可以使用工程塑料或其他非導(dǎo)磁質(zhì)量較輕的材料，而且定子側(cè)也可以換成非導(dǎo)磁材料，這樣在保證了電機(jī)結(jié)構(gòu)重量較輕的同時(shí)也不會(huì)降低電機(jī)的氣隙磁密。

3 Halbach列電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)氣隙磁密和重量的比較

根據(jù)上述討論，比較了定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料，定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料，定子為非導(dǎo)磁材料、轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料和Halbach列的新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)4種結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，計(jì)算了4種情況下電機(jī)的重量、氣隙磁密和重量百分比浮動(dòng)，如表4所示。

表4 不同情況下的電機(jī)重量和氣隙磁密參數(shù)

表4中，重量?jī)H包括定子、轉(zhuǎn)子、磁鋼和Halbach列的重量，L代表該電機(jī)的長(zhǎng)度。以情況1為例計(jì)算電機(jī)的質(zhì)量:

式中:r1，r2——轉(zhuǎn)子外徑，內(nèi)徑;

r3，r4——定子外徑，內(nèi)徑;

a——磁鋼長(zhǎng)度;

b——磁鋼厚度;

ah——Halbach 磁鋼長(zhǎng)度;

bh——Halbach 磁鋼厚度;

ρ——不同材料的密度。

式(1)中，對(duì)材料是非導(dǎo)磁材料的各部分，質(zhì)量忽略不計(jì);同理可得其他三種電機(jī)的質(zhì)量W。

表4最后一列以傳統(tǒng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，給出各電機(jī)的重量百分比浮動(dòng)，以情況1為例:

仿真和計(jì)算結(jié)果表明，在相同氣隙長(zhǎng)度的情況下，雖然定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料的電機(jī)氣隙磁密最大，但電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量最重;而Halbach列新型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在不減小電機(jī)氣隙磁密的同時(shí)，大幅度降低電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，并能減小或者消除定、轉(zhuǎn)子之間的齒槽轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和磁鋼厚度;

(2)比較分析了定、轉(zhuǎn)子材料分別為導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料等三種情況下永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn);

(3)提出了Halbach列新型無(wú)鐵心永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī);

(4)通過(guò)仿真和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了Halbach列新型無(wú)鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有較高氣隙磁磁密、較輕的結(jié)構(gòu)重量，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力，有效地解決了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)高空安裝困難的問(wèn)題，同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

［1］E Spooner.Direct coupled，permanent magnet generators for wind turbine applications［J］.IEE Proc-Electr Power Appl，1996，1(143):1-8.

［2］E Spooner，A C Williamson，G Catto.Modular design of permanent-magnet gerenators for wind turbines［C］∥IEE Proc-Electr Power Appl，1996，5(143):388-395.

［3］L Soderlund，A Koski，H Vihriala，et al.Design of an axial flux permanent magnet wind power generator［J］.IEE EDD，1997:224-228.

［4］H Polinder，D Bang，R P J O M van Rooij，et al.10 MW wind turbine direct-drive generator design with pitch or active speed stall control［C］∥Electric Machines and Drive Conference，IEEE International，2007(1):1390-1395.

［5］E Spooner，P Gordon，J R Bumby，et al.Lightweight ironless-stator PM generators for direct-drive wind turbines［C］∥ IEE Proc-Electr Power Appl，2005，1(152):17-26.

［6］趙朝會(huì).Halbach陣列對(duì)傳統(tǒng)永磁電機(jī)的影響［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，11(1):10-15.

［7］宋國(guó)強(qiáng)，趙朝會(huì).Halbach列永磁電機(jī)的研究［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008(7):10-17.