張成

摘 要：在小型容量直驅(qū)式風力發(fā)電機中，永磁體數(shù)目越多的發(fā)電機越來越受歡迎。直驅(qū)式發(fā)電機價格廉潔、低損耗、高性能和噪聲小等優(yōu)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(tǒng)的爪極永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電機；3D FEM

0 引言

在風力發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)在高能量密度磁性材料的出現(xiàn)，使得設計出特殊轉(zhuǎn)子成為可能。永磁體的出現(xiàn)替代了轉(zhuǎn)子中勵磁繞組，低熱量、高效率且隨著電力電子的發(fā)展，讓永磁同步發(fā)電機受到廣泛的關注。PMSM轉(zhuǎn)子有3種拓撲結(jié)構：表面式永磁體、內(nèi)置式永磁體和爪極結(jié)構。由于爪極電機簡單、低價，通常用在汽車、風電和水輪發(fā)電中，多極數(shù)使得它被用在變速恒頻的風電系統(tǒng)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(zhuǎn)子爪極不同的長度、寬度、厚度參數(shù)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(shù)和3D有限元分析

本文主要的設計參數(shù)：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(nèi)半徑92.5mm、極數(shù)8、轉(zhuǎn)子外半徑92mm、爪極長107mm、額定轉(zhuǎn)速750rpm。

爪極發(fā)電機在風電系統(tǒng)中優(yōu)點除了新能源外，相對于傳統(tǒng)的發(fā)電機就是它的高數(shù)目的爪極數(shù)，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(jié)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(wǎng)格剖分等，在空載的情況下，一旦基本的電機結(jié)構設計完成，磁路方程也解決了。為了獲得更精確的結(jié)果，就要對爪極電機最重的2個部分氣隙和爪極數(shù)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(zhuǎn)子參數(shù)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(qū)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(fā)電設備或連接電網(wǎng)，最重要的是產(chǎn)生最優(yōu)的能量品質(zhì)。其中產(chǎn)生的諧波這一參數(shù)就看出電能質(zhì)量的好壞。對永磁同步發(fā)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(shù)、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(jié)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(jié)語

永磁爪極發(fā)電機適用在小型直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)中。本文基于3D有限元分析軟件對小容量、直驅(qū)式風電系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)對電機性能的影響。結(jié)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

[1]王群京.爪極電機的結(jié)構理論及應用[M].中國科學技術大學出版社，2006.

[2]陳世坤.電機設計（第2版）[M].機械工業(yè)出版社，2000.

[3]熊冬情.基于Ansoft的爪極發(fā)電機參數(shù)計算及優(yōu)化[D].西南交通大學，2012.

（作者單位：上海海事大學）