第４５ 第４５卷（总第 期）簧篓２１５期３期） （ＥｘＸＰＬｏｓＯＳＩｏＮＯＮ—ＰＲｏｏＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） ｒ ７爆也机 ｌ｜卜ｌ艺 Ｕ 不同转子结构离网型永磁同步发电机的电磁性能分析 仝世伟 ，李伟力 ，沈消寒 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨（１５００４０） 中国移动通信佳木斯分公司，黑龙江佳木斯（１５４００２） 摘要以一台４００ｗ离网型永磁同步风力系统所用永磁同步发电机为研究对象，分别就两 种转子结构建立了二维电磁场模型，对发电机在额定转速时的空载电压以及负载电磁参数进行了 有限元计算。并将样机结构的计算结果与实测结果进行了比较，误差较小。同时对两种结构发电 机的齿槽转矩进行了计算分析。对离网型永磁同步风力发电机的深入研究具有重要的参考价值。 关键词离网型；风力发电；电磁场；有限元；齿槽转矩 中图分类号ＴＭ３１３文献标识码Ａ文章编号１００８－７２８１（２０１０）０２－０００１－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｆ Ｏｆｆ－ｇｒｉｄ Ｔｙｐｅ、 ｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｒｏｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｓｈｉｗｅ ．Ｌｉ Ｗｅｉｌ 。ａｎｄ Ｓｈｅｎ Ｘｉａｏｈａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔａｋｉｎｇ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ ４００ｗ ｏｆｆ－￣ｄ ｔｙｐｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ａｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ ２一Ｄ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｆｅｌｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ－ｔｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｎｏ—ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｉｈｔ ｌｏａｄ ａｔ ｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｕｓｉｎｇ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐｒｏ． ｔｏｔｙｐｅ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｌｅｓｓ ｅｒｒｏｒｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｒａｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｉｔ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｏｆｆ－ ｇｒｉｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｆｆ－ ｄ ｔｙｐｅ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ； ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ０ 引言 载、负载时的电磁性能，以及永磁电机特有的齿槽 转矩的研究工作很有必要。 我国地域辽阔，地形复杂，适合应用运行 的小型风力发电设备，这是电网无法到达地区的 １ 离网型风力发电机的物理模型 重要发电手段。离网运行的小型风力发电设备， 本文以一台ＦＤ－４００离网型风力发电系统中 不但节约能源，还可以改善环境，缓解电力供应紧 使用的永磁同步发电机为研究对象，其基本参数 张状况，具有重要的现实意义ｌｌ Ｊ。 如表１所示。 理论上讲，各种发电机均能适用于离网型风 表１样机的基本参数 力发电系统。但就实用性而言，随着永磁材料研 额定功率４００Ｗ ２８Ｖ 究的快速深入发展，永磁同步发电机以其优异的 额定电压（ＤＣ） 相、极 ３相１０极 性能广泛应用于离网型风力发电系统。本文的研 额定工作风速 ８ｍ／ｓ 究对象就是应用于离网型风力发电系统中的永磁 发电机额定转速 ３４２ｒ／ｍｉｎ 定子槽数 ３３ 同步发电机 。 永磁体充磁方式 平行充磁 离网型风力发电系统的运行环境比较复杂， 结合文献［５］、［６］可知，适用于永磁电机的 永磁风力发电机内部电磁场变化也很复杂。目前 转子结构有许多种，本文研究的有两种结构，分别 永磁电机的设计中还有许多问题要解决，作为离 是样机的永磁燕尾形嵌套结构和表面贴磁结构。 网型风力发电系统的核心部件，永磁发电机在空 永磁体均为平行充磁方式。其转子在一个极处结 １ 防爆也机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） 第４５卷（总第１２ＯｌＯ￣第２期 ５３期） 构分别如图１、图２所示。 气隙 铁心 图１样机结构 气隙 图３样机电磁场求解域模型 ２ 电磁性能计算与分析 基于电磁场理论，本文采用有限元法对电机 的求解域进行电磁场分析，对电机稳态运行时的 图２表面贴磁结构 空载、负载情况下的电磁场进行了计算与分析。 为方便计算与分析，结合本发电机的特点做 ２．１空载电磁性能计算与分析 出以下假设 通过对两种结构的离网型风力发电机的空载 （１）忽略位移电流的影响，定子载流导体和 电磁场有限元的计算，可得出所用永磁同步发电 铁心中的集肤效应忽略不计，铁心外缘的散磁忽 机的空载电磁场分布，如图４所示。 略不计； （２）对电机有效长度内磁场按二维场分析， 场域中各场量随时间按正弦变化； （３）考虑磁饱和，忽略交变磁场在电机内导 电材料中的涡流反应，这样发电机可以考虑为非 线性稳态磁场； （４）忽略由于电机外接控制器以及蓄电池等 负载引起的注入谐波成分。 在上述假设条件下，选取电机二维平面为求 解区域，将具体物理模型参数与有限元求解电磁 场的方法相结合，加上相应的边界条件，可得到该 电ＳＥ－－维电磁场的边值问题为 Ｊ 力．．ｏｘ ０（ １ ０Ａ）＋１０ｏｘ ｄｙ Ｉ（１．ｔ Ｏｙ ０．４） ＝一 ‘ （ｂ）表面贴磁结构 ，．图４两种结构空载磁力线分布图 Ｓｌ：Ａ＝０ 由磁力线分布可以看出，表面贴磁结构的极 ５ ：１ ＯＡｚ： １ ＯＡ 一 — ＝ ：√ｓ 间漏磁比样机结构明显要大。 根据电磁计算结果，结合该电机的结构参数 式中， 一求解场域；Ｓｌ一第一类齐次边界条件； 可以得到两种结构发电机在３４２ｒ／ｍｉｎ时空载电 ｓ：一永磁体等效面电流边界； 一源电流密度； 压。如表２所示。 一永磁体的等效电流密度，其法线由永磁体指 表２两种结构电机３４２ｒ／ｍ时的空载相电压 向外部；Ａ一磁矢位 —磁导率。 根据样机的结构尺寸参数，建立电机内的二 维电磁场计算分析模型。考虑到本文两种电机结 构仅在转子磁极处结构不同，此处只给出样机结 由表２可以看出，郁艮元计算结果与实测结 构的电机内二维电磁场求解域模型，如图３所示。 果对比，误差满足收敛精度要求，可以为工程实际 ２ 第４５第４５ 卷（总第 期）薯２１期期）５３ （ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ－ＰＲＯＯＦＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） ｒ ７爆＇Ｉ｜卜ｌ龟扎 艺 应用所接受。 ２．２负载电磁性能计算与分析 在有限元计算中，对电机定子绕组施加三相 电流，用以模拟电机负载状态，进行有限元计算。 齿槽转矩的计算与分析 作为永磁电机特有的问题之一，齿槽转矩也 是永磁电机设计和制造过程中必须考虑和解决的 得出此时对应的气隙磁密基波幅值及其初相角， 通过计算得到电机输出端电压 、功率因数ｃｏｓｑ￣。 问题之一。它是永磁电机不通电时永磁体和铁心 与额定值 、ｃｏｓ￣ｐ 进行比较，需同时满足收敛精 度要求。若计算结果不同时满足收敛精度要求， 则重新调整电机定子电流相位角，对定子赋新的 电流，重复计算，直至收敛要求同时满足；从而得 到收敛状态时电机的电磁状态 ｊ。 之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿 间相互作用力的切向分量的波动引起的 ］。齿槽 转矩太大，导致风力发电机的起动风速大，降低效 率，而且会引起发电机以及发电系统的振动与噪 音。 齿槽转矩可表示为电机不通电时永磁电机内 部磁场能量 对旋转角Ｏ／的导数，即 ａＷ 唧 一 通过对两种结构离网型风力发电机负载电磁 场的有限元计算，可得到所用永磁同步发电机在 ３４２ｒ／ｍｉｎ时的负载电磁场分布图，如图５所示。 （２） 假设电枢铁心磁导率无穷大，则电机内的存 储能量可近似为电机气隙和永磁体中的能量，即 ≈ ＋ ｄ （３） 结合文献［６］可得，在不考虑斜槽时的齿槽 转矩表达式为 （ ） 。 Ｂ ｓｉｎｒｉｇａ（４） 式中，Ｌ 一电枢铁心的轴向长度；Ｒ 一电枢外半 径；Ｒ 一定子轭内半径；ｎ一使，＝／２ｐ为整数的整 数。 在定、转子相对位置变化一个齿距的范围内， （ｂ）表面贴磁结构 图５两种结构负载磁力线分布图（３４２ｒ／ｍｉｎ） 齿槽转矩呈周期变化。变化周期ⅣＤ由极数和槽 数的配合决定，如式（５）所示。 一 ＧＣＤ（ｚ，２ｐ） 根据电磁场计算结果，可得出两种结构发电 机在３４２ｒ／ｍｉｎ时负载电磁场的双重迭代收敛结 （５） 果。如表３所示。 表３两种结构电机３４２ｒ／ｍ时的负载电磁性能 式中，ＧＣＤ（ｚ，２１，）一槽数ｚ和极数 的最大公约 数。周期数 越大，齿槽转矩的幅值越小。 在齿槽转矩的计算中，考虑到齿槽转矩的产 生主要在气隙内，因此加大气隙内的有限元网格 剖分密度，将计算的时间步长设置的足够小，这样 可以准确捕捉到气隙内的磁密变化，从而更精确 的计算齿槽转矩。由式（５）可知，本文的定子槽 数为３３槽、转子磁极为１０极的４００ｗ离网式永磁 由表３可以看出，有限元计算结果与实测结 果对比，误差满足收敛精度要求，也可为工程实际 应用所接受。 风力发电机在定、转子相对转动一个齿距时，会出 现ｌ０个齿槽转矩周期。根据齿槽转矩周期的对 （下转６页） ３ 爆也机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） 第４５卷（总第１２０１０年第２期 ５３期） 般破坏的是定子绕组，电压常集中于侵入的端点 弦峰值的√３倍。 部位。 如果逆变器和一个非接地电源连接，中性电 一般情况下，通用变频器驱动容量较小的异 压值能降低。但如果不可能进行这样连接时，用 步电动机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超 一个隔离变压器将逆变器和电源的接地隔离，用 过２００ｋＷ的电动机时，特别是对已有的风机、压 隔离阻抗器在正极和负极同时直接连接，或通过 缩机等进行变频调速改造的场合，最好事先确认 一个相对较低的阻抗将电动机中线接地，中点电 轴电压的大小，以便及早采取预防措施。 压就会减小。 ７ 中点漂移 当通用变频器用于电动机时，电动机绕组可 ８ 结语 能承受因中点漂移而造成的比正常电压高的线对 选择适用的通用变频器，并不比用好一台计 地电压。中点漂移是电源中点和电动机中点间电 算机容易，掌握一定的理论基础再加上现场的应 压差，其幅值为中点系统设计的函数，在某些情况 用经验，按照实际的需要，正确选择适用的变频器 下，通用变频器（电流型）中点漂移幅值可高达 及交流电动机，减小故障率，是十分重要的。 ２．３／单位（１单位＝ ），会造成电动机线 作者简介：玉佳彬女１９７２年生；毕业于湖南工业学院。现从 对地电压高达３．３／单位，对通用变频器（电压型） 事低压电机的研发工作． 而言，线对地电压幅值可高达标称线对地电压正 收稿１３期：２００９－０８－２６ （上接３页） 矩等，进行了有限元计算分析。计算结果表明，在 称性，此处取１／５齿距，即两个齿槽转矩周期进行 整个电机只有永磁体形状不一样的时候，表面贴 对比分析。分别对两种结构离网型永磁同步发电 磁结构与样机的永磁燕尾形嵌套结构相比，空载 机的齿槽转矩进行计算，得出在１／５齿距范围内， 端电压高，额定输出功率也较高，齿槽转矩幅值及 样机结构与表面贴磁式两种永磁电机在低速旋转 脉动均小，发电机起动更容易，震动与噪声小。这 时的齿槽转矩波形，如图６所示。 为离网型风力发电机的进一步研究提供一定的理 论依据。 参考文献 旨 ［１］ 王晓港，翟庆志，杨德昌．离网型小风电系统的现状 Ｚ ［Ｊ］．新能源．２００８，２５７（１０）：４６４７． 埤 ［２］ Ｊ．Ｗａｌｔｚｅｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｌａｒｇｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ 靶 强 Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ＩＣＥＭ２００２，２００２． ［３］李德孚．我国离网型风力发电行业发展现状［Ｊ］．可 再生能源．２００９，２７（３）：４ ． ［４］ 孔令军，田德，王海宽等．低转速永磁发电机在浓缩 相对位置／齿距 风能型风力发电机上的应用［Ｊ］．农村牧区机械化．２００４， 图６两种结构永磁风力发电机的齿槽转矩波形 ５９（３）：１６－１８． 通过对永磁电机齿槽转矩影响因素的考虑， ［５］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京．机械 由于样机结构的永磁体为矩形，因此其气隙长度 工业出版社，１９９７．１２． 不均匀，而表面贴磁结构的永磁体为弧形，其气隙 ［６］ 王秀和等．永磁电机［Ｍ］．中国电力出版社， ２００７．８． 长度则是均匀的，这使得样机结构的齿槽转矩脉 ［７］ 张晓晨，李伟力，曹君慈．屏蔽电机屏蔽损耗与电机 动较表面贴磁结构的大，其幅值也要大。 性能的计算与分析［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报．２００７． ４ 结语 ［８］ 汤蕴谬．电机内的电磁场（第二版）［Ｍ］．北京：科学 出版社，１９９８：２６５－２８０． 本文对两种结构的离网型永磁同步风力发电 作者简介：仝世伟男１９８３年生；哈尔滨理工大学电气与电子 机建立了物理分析模型。就离网型风力发电系统 工程学院电机与电器专业研究生。研究方向为特种电机理论研究． 较为关心的参数，诸如端电压、功率因数、齿槽转 收稿日期：２０１０－０３－０３ ６
