爪極發電機的轉子參數對電機性能的影響風力發電

張成

摘 要：在小型容量直驅式風力發電機中，永磁體數目越多的發電機越來越受歡迎。直驅式發電機價格廉潔、低損耗、高性能和噪聲小等優點。本文介紹了應用3D有限元分析了實用于小容量風電系統的爪極永磁同步發電機轉子的磁場分析和對電機性能的影響。

關鍵詞：爪極式；永磁同步發電機；3D FEM

0 引言

在風力發電系統中，永磁電機的可靠性和高效率，使得它在低速風電機組中越來越受歡迎。隨著現在高能量密度磁性材料的出現，使得設計出特殊轉子成為可能。永磁體的出現替代了轉子中勵磁繞組，低熱量、高效率且隨著電力電子的發展，讓永磁同步發電機受到廣泛的關注。PMSM轉子有3種拓撲結構：表面式永磁體、內置式永磁體和爪極結構。由于爪極電機簡單、低價，通常用在汽車、風電和水輪發電中，多極數使得它被用在變速恒頻的風電系統中，永磁體也替代了繁瑣的勵磁繞組。

本文將介紹基于3D有限元法對PMSM性能分析。對轉子爪極不同的長度、寬度、厚度參數進行分析，對電機的性能、感應電勢、磁場密度的影響。

1 電機主要參數和3D有限元分析

本文主要的設計參數：永磁體NdFeB勵磁、三相、額定電壓80V、定子36槽、軸向磁化、定子外半徑146mm、定子內半徑92.5mm、極數8、轉子外半徑92mm、爪極長107mm、額定轉速750rpm。

爪極發電機在風電系統中優點除了新能源外，相對于傳統的發電機就是它的高數目的爪極數，讓它可高速或低速運行。

電磁場分析是基于Maxwell 3D有限元分析，它是個對電機設計和電磁分析的強大軟件。由于爪極電機特殊的結構，必須考慮它的三維特性：徑向、橫向、軸向。由于其對稱性，對其分析將基于一對磁極上。使用FEM法對磁場的分析分為三步：預處理、場解決方案、后處理。在預處理階段需要畫幾何模型、設置材料屬性、網格剖分等，在空載的情況下，一旦基本的電機結構設計完成，磁路方程也解決了。為了獲得更精確的結果，就要對爪極電機最重的2個部分氣隙和爪極數進行分析。

磁場密度、感應電勢和漏磁通的計算在后處理階段，同時，通過軟件可以清楚的看到在定子齒、爪極間的磁密圖和得到漏磁通的值，如兩爪極間為3.065·10-5Wb。

感應電勢可由下式獲得：

2 轉子參數對電機性能的影響

2.1 對感應電勢、磁密、漏磁通的影響

為了在爪極表面得到更好的磁密分布、更高的感應電勢、更低的漏磁通，對爪極的尺寸進行了修改。其一，減小了爪極的長度、寬度；其二，縮短和減小了爪極的厚度，得到emf=80.2V，漏磁通（兩爪極間）為1.627·10-5Wb，爪極間磁密增加。應為爪極的寬度減小，氣隙間的磁密和原先的相比，更加接近正弦波。

加厚爪極底部，為了消除爪極底部沒有利用上的區域。得到：emf=82.2V、爪極間漏磁通為：1.365·10-5Wb、氣隙磁密度也增加。

2.2 對氣隙磁密的諧波影響

作為獨立的發電設備或連接電網，最重要的是產生最優的能量品質。其中產生的諧波這一參數就看出電能質量的好壞。對永磁同步發電機，氣隙間頻率可由v=2k±1，k=0，1，2，...得出，爪極電機的第一個諧波頻率為13.8[1/m]，可由

氣隙磁密諧波代表著感應電勢是否被“污染”，分析原先參數、減小爪極長度、寬度、厚度和加厚底部，分別得到第一次諧波值：0.158T、0.24T、0.28T。結果表明，氣隙間磁密的第一次諧波變大了，更高次諧波值見表1。

上表表明：隨著爪極的長度、寬度減小或爪極底部厚度增加，氣隙間高次諧波的值減小。

3 結語

永磁爪極發電機適用在小型直驅式風力發電系統中。本文基于3D有限元分析軟件對小容量、直驅式風電系統中的PMSM的磁場進行了分析，氣隙磁密的分布和諧波的計算。本文的目的是用一種比較的方式，通過減小轉子爪極的長度、寬度和增加爪極底部的厚度，來分析爪子參數對電機性能的影響。結果表明：感應電勢增大，最大和平均的氣隙磁密也增高了，氣隙磁密的高次諧波值也變的更小了。

參考文獻

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[2]陳世坤.電機設計（第2版）[M].機械工業出版社，2000.

[3]熊冬情.基于Ansoft的爪極發電機參數計算及優化[D].西南交通大學，2012.

（作者單位：上海海事大學）