有/無鐵芯軸向磁通風力發電機性能研究

朱 軍 宋丹丹 李少龍 韓巧麗 封海潮 許孝卓

(1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，焦作 454000； 2.內蒙古農業大學能源與交通工程學院，呼和浩特 010018)

1 引 言

目前風能是最具規模化和商業化發展前景的新能源[1]。由于地理位置的優勢，風力發電機組主要分布在東南沿海地區及西北地區。為多結構利用新能源，使微風地區也能更好的采集風能，本文研究一種微風啟動下的小型垂直軸盤式風力發電機，因其軸向尺寸小、結構緊湊、效率高、啟動轉矩小、功率密度大[2～4]等優點，可應用在垂直軸風力發電系統內，垂直軸風力發電是今后風力發電的主要方向[5,6]。

軸向磁通單定子雙外轉子發電機可分為有鐵芯TORUS和無鐵芯TORUS。對于無鐵芯TORUS結構，有研究盤式無鐵芯永磁發電機的電磁力對轉子盤的形變影響[7]；有對無芯軸向磁通永磁同步發電機進行研究與改進，轉子側采用低活性材料，更經濟化[8]；有對無鐵心軸向磁通永磁發電機永磁漏磁通的建模改進，根據磁等效電路模型提出一種準三維模型計算無鐵芯發電機漏磁通[9]。對于有鐵芯TORUS結構，有研究對國產小型風力發電機中使用各種磁性材料的軸向磁通永磁發電機的設計，提出了對轉子部分采用硬磁鐵氧體取代釹磁鐵的顯著原因[10]。將定子側采用電動鋼芯與軟磁復合磁芯軸向磁通永磁同步電機做比較[11]，由于軟磁復合材料具有低損耗和渦流損耗小等優點使得電機性能增加，提出了采用軟磁復合材料發電機的運營范圍。采用Halbach磁極結構[12～14]，充磁方向必須多樣，這對永磁體的充磁、加工技術的要求比較高，也勢必提高了永磁體的制造成本，從而增加整個電機的制造成本。

綜上所述，有、無鐵芯發電機各有各的適用前景。本文主要對比分析單定子雙外轉子的有鐵芯TORUS和無鐵芯TORUS結構的效率及電能質量，為微風啟動下的小型風力發電機系統選擇發電機提供參考。

2 軸向磁通發電機分類

軸向磁通發電機按其定轉子的數目及相對位置可分為單氣隙結構，單定子雙轉子結構，單轉子雙定子結構和復合結構。單氣隙結構由于結構不對稱，存在單邊磁拉力，會使轉子固有頻率降低造成電樞變形而影響電機性能，如果磁路設計不合理，漏磁通增加，使發電機效率降低[15]。單轉子雙定子結構，由于其機械強度弱，應用不廣泛。多盤結構是盤式電機的軸向疊加，輸出功率大，轉矩大[16],多用在船舶推進裝置[17]。本文主要研究單定子雙轉子結構，單定子雙外轉子可分為有鐵芯TORUS和無鐵芯TORUS，如圖1所示。

(a)有鐵芯TORUS (b)無鐵芯TORUS圖1 發電機三維有限元模型Fig.1 Three dimensional finite element model of generator

3 軸向磁通永磁發電機電磁設計

3.1 基本電磁公式

軸向磁通發電機在原動機的拖動下帶動轉子轉動。轉子轉動產生旋轉磁場，旋轉的磁場在定子側感應出感應電流，可知單根導體的最大感應電動勢e(θ)為[2]

(1)

式中:Do——發電機磁極外徑;Di——發電機磁極內徑;Bδ(θ)——平均半徑處的氣隙磁密;r——線圈平均半徑。

單根導體的平均感應電動勢Eav為

(2)

式中:Ω——電機的機械角速度;Bδav——平均氣隙磁密;p——極對數。

若定子側每相電樞繞組并聯支路數為a,每個線圈匝數為N1，定子繞組系數為kw,αi為計算極弧系數，則每相繞組感應電動勢為

(3)

按照設計準則，若m為發電機的繞組相數，Ia為輸出相電流，額定轉速為n，則額定輸出功率P為

(4)

發電機的電磁轉矩為

(5)

式:Aav——平均電負荷;Bδ——氣隙磁密。

3.2 結構尺寸設計

根據本發電機輸出特性和運用場合，電負荷為1000A/m,發電機外徑公式為

(6)

式中：m——電樞繞組相數;αi——計算極弧系數;αi——磁極外徑與內徑比;n——額定轉速。

根據實際工作場合，本發電機的結構參數如表1所示。

表1 樣機結構參數

4 有鐵芯、無鐵芯發電機對比分析

在magnet里建立三維模型，可生成三維矢量場強度、氣隙磁通密度、銅耗、鐵耗等多種場的運算結果。由于TORUS結構的對稱性，為提高求解速度，對三維有無鐵芯模型建立5分之一模型并添加適當的邊界條件，以此來縮短求解時間，確保求解精度。

無鐵芯TORUS其質量輕，無齒槽轉矩，無磁滯損耗和渦流損耗，啟動輕便。但其輸出電壓低，極間漏磁與有鐵芯TORUS來說比較嚴重。有鐵芯TORUS其質量大，啟動力矩大，存在齒槽轉矩及電樞反應，有磁滯損耗和渦流損耗，但其輸出扭矩大，導磁性能高。通過建立部分有限元模型，來對比分析有無鐵芯在不同情況下的性能。

4.1 磁鋼用量相同對比分析

有鐵芯發電機繞組采用鼓形繞組連接方式，無鐵芯發電機繞組采用分數槽集中繞組連接方式，定子側采用集中非重疊繞組，用無磁性不導電的環氧樹脂固定成形。定子鐵芯采用硅鋼片，具體優化參數如表2所示。

表2 優化匝數后二種發電機參數

本文研究對象為微風下的小型風力發電機，情況一：即永磁體用量、繞組規格型號及輸出功率相同時，優化有鐵芯發電機匝數，對比分析發電機低轉速時的效率，轉矩特性及電能質量。因為有鐵芯發電機定子鐵芯部分導磁性更強，為達到相同的輸出，可以優化有鐵芯的電樞繞組的匝數。

由圖2(a)可知，由于有鐵芯發電機的匝數少，銅耗小，在額定運行狀態下，有鐵芯發電機效率明顯高于無鐵芯發電機4.2%。隨著轉速n的升高，有鐵芯發電機發電效率η更具優勢。

(a) 有無鐵芯發電機在不同轉速下的效率特性

(b) 有無鐵芯發電機隨時間變化下的電磁轉矩

(c) 有無鐵芯發電機諧波含量圖2 發電機的效率特性、轉矩特性及諧波分析Fig.2 Efficiency characteristics, torque characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

由圖2(b)可知，有鐵芯發電機由于鐵芯的存在，轉動慣量大，響應速度慢，同時有鐵芯發電機存在齒槽轉矩，使得發電機的電磁轉矩T有波動，影響電機運行的平穩性；而無鐵芯發電機電磁轉矩平穩性高。

由表2及圖2(c)可知，有鐵芯發電機，其電壓波形畸變率低于無鐵芯發電機，電能質量更好，3次諧波含量較少，但5次、7次諧波含量較多，有無鐵芯發電機的電壓波形畸變率都在國標5%內。

有鐵芯發電機用銅量僅為無鐵芯發電機的一半，從經濟性的角度，有鐵芯發電機優于無鐵芯發電機。

4.2 磁鋼用量及電樞繞組匝數相同對比分析

本發電機轉子部分永磁體材料選擇氣隙磁通密度較高，矯頑力較大的鋁鐵硼。在情況二下：即在永磁體及繞組用量相同時，對比分析在低速時有無鐵芯發電機的效率及電能質量。表3為情況二下，兩種發電機的參數對比。圖3(a)為有無鐵芯發電機在不同轉速時的效率特性，圖3(b)為有無鐵芯發電機在額定運行狀態下的諧波分析。

表3 永磁體用量相同時倆種發電機參數

由圖3(a)可知，在情況二下：發電機運行在額定狀態時，無鐵芯發電機效率比有鐵芯發電機效率高0.3%，不同轉速下，無鐵芯發電機效率明顯占優勢。雖然有鐵芯發電機導磁性更好，輸出扭矩、電壓較大，但有鐵芯發電機存在磁滯損耗和較多的渦流損耗且發熱嚴重，效率較低。

(a) 有無鐵芯在不同轉速下的效率特性

(b) 有無鐵芯發電機諧波含量圖3 發電機的效率特性及諧波分析Fig.3 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通過表3及圖3(b)可以看出，有鐵芯發電機的諧波含量高于無鐵芯發電機且奇次諧波含量較大，但有無鐵芯發電機的電壓波形畸變率都在國標5%內。

無鐵芯發電機加工簡單，更具經濟優勢，啟動輕便。故在微風啟動下，無鐵芯發電機性能更加優越。

4.3 磁通量相同對比分析

永磁體的厚度影響著磁通量的大小及分布，情況三：即在輸出功率及匝數相同時，有鐵芯的導磁性更強，為此優化永磁體厚度，在磁通量相同時，分析有無鐵芯發電機的效率。表4為有無鐵芯發電機在額定運行狀態下的參數對比，圖4(a)為有無鐵芯發電機在不同轉速的效率特性對比，圖4(b)為有無鐵芯發電機在額定運行狀態下的諧波分析。

(2)人才投入方面 “業務+技術+管理”的復合型人才是當前推進兩化融合的迫切需求。普通員工方面，我國企業伴隨著信息技術的引入而增加的用工占比平均水平為6.4%，其中大型企業占比較高，達到6.5%。在兩化融合相關中高級領導設置方面，我國設置信息化專職中層、高層領導的企業占比分別為43.5%、28.7%，且隨著企業體量的增大，其對兩化融合專職領導的設置也越加重視，大型企業設置信息化高層領導的比例為48.7%，分別較小微型企業、中型企業高出11.5和23.9個百分點(如圖9)。

由圖4(a)可知在情況三下：為達到相同的輸出特性，優化永磁體的厚度。當發電機處于額定情況下，無鐵芯發電機的效率明顯高于有鐵芯發電機5.7%，隨著轉速的升高，當轉速到達1000r/min時，有鐵芯發電機效率高于無鐵芯發電機效率。

表4 優化厚度時倆種發電機的參數

(a) 有無鐵芯在不同轉速下的效率特性

(b) 有無鐵芯發電機諧波含量圖4 發電機的效率特性及諧波分析Fig.4 Efficiency characteristics and harmonic analysis of iron and ironless generator

通過表4及圖4(b)可以看出，有鐵芯發電機的3次諧波含量較少，但5次、7次諧波含量較多，其電壓波形畸變率為1.9%，無鐵芯發電機的電壓波形畸變率為2.5%，都在國家標準5%內。從其市場運行性來說，無鐵芯發電機性能更加優越。

綜合分析以上三種情況，無鐵芯發電機以其高效率、低啟動轉矩和電磁轉矩平穩性高等優勢更適合在微風啟動下運行。

5 樣機測試實驗

為了更好的檢驗無鐵芯風力發電機的特性，加工一臺額定轉速為300r/min，輸出為300W的發電機。定子繞組采用集中繞組分布，經環氧樹脂固定成形，啟動力矩小。圖5為樣機試驗平臺，經原動機拖動，產生三相交流電。

圖5 樣機試驗平臺及重要部件Fig.5 Prototype test platform and important components

本樣機啟動方式為變頻啟動，圖6(a)為樣機經原動機(減速機)拖動在300r/min時,通過示波器導出的線電壓輸出波形，可以看出無鐵芯發電機輸出電壓曲線平滑，諧波含量少，電能質量高。

為檢驗仿真值的偏差性，將實驗結果與3D有限元計算結果進行對比。圖6(b)為發電機空載時，一個周期內,相電壓的仿真值與實測值的對比。當發電機運行在工頻50Hz時，取20ms為一個周期，電壓實測幅值為26.3，仿真幅值為27，在誤差允許范圍內，仿真值與實測值吻合。

本發電機額定轉速為300轉/min,負載端為純電阻電路采用星形接法，為降低三次諧波環流產生所產生的雜散損耗，所以交流發電機也采用星形接法。為研究發電機的實際輸出特性，圖7(b)給出了不同轉速下相電流的仿真值與測試值對比。

(a) 發電機在300r時實際輸出電壓波形

(b) 一個周期內發電機相電壓波形圖6 空載下無鐵芯發電機仿真值與測試值的對比Fig.6 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under no load

(a) 不同轉速下輸出功率的仿真值與測試值對比

(b) 不同轉速下相電流的仿真值與測試值對比圖7 帶載下無鐵芯發電機仿真值與測試值的對比Fig.7 Comparison of simulation value and test value of ironless wind generator under load

5 結束語

經樣機測試及對比，由圖6～圖7可知，仿真結果與測試結果吻合，證明了無鐵芯風力發電機的實用性。可得如下結論：

(1)在永磁體用量及輸出功率相等情況下，優化繞組匝數時，無鐵芯發電機效率低于有鐵芯發電機4.2%，但其啟動力矩小，電磁轉矩較平穩。

(2)在永磁體用量及匝數相同的情況下，無鐵芯發電機效率高于有鐵芯發電機0.3%，啟動輕便且諧波含量較少，電能質量符合國家標準。

(3)在功率及匝數相同的情況下，優化永磁體厚度即磁通量相同時，無鐵芯發電機效率高于有鐵芯發電機5.7%，且效率高，換向性好，控制性優越。

由于本文所研究的風力發電機應用在微風地區，考慮到地里位置的影響及安裝環境的要求，綜合以上所討論的三種情況下的發電機性能，無鐵芯發電機在微風啟動下的適用性更為廣泛。