基于Maxwell和Sim...2_kW低速永磁发电机设计_邓屹.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：邓屹，王健，任君，等 基于 和 的 低速永磁发电机设计 科学技术与工程，（）：.，（）：.电工技术基于 和 的 低速永磁发电机设计邓屹，王健，任君，崔雅文，岳鹏飞（.上海能源科技发展有限公司，上海；.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，呼和浩特）摘 要 针对低风速、风资源欠佳且用电困难的地区，为改善风力发电机的低速发电性能，提高风能利用率，设计了一种应用于 风力发电机组的低转速永磁发电机，利用磁路法对 永磁发电机进行电磁设计，获得发电机的主要尺寸参数，其中定子内径为 ，铁心长度为 ，永磁体宽度为 ，永磁体厚度为.。采用 软件进行二维建模并分析其空载和负载情况下的磁场分布，通过 和 联合对其仿真，对其瞬态特性进行分析。在此基础上研制了低转速永磁风力发电机样机，通过对比发电机转速在 时，样机试验与仿真的功率值和效率值，二者的最大误差为.，低于，结果表明该低转速永磁发电机设计可行。关键词 永磁发电机；磁路法；有限元分析；中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：内蒙古自治区科技计划（）第一作者：邓屹（），男，汉族，江苏宜兴人，博士，高级工程师。研究方向：新能源。：。，（.，；.，），.，.，；小型风电机组作为分布式能源主力，对于乡村振兴战略起重要作用。中国国土面积广阔，风能资源丰富，低风速地区，即风速在 范围内区域，相对占比较高，随着风力发电技术的发展，研究适用于低风速地区的风电机组将有利于解决风资源欠佳且用电困难地区的用电问题。永磁发电机具有运行效率高、质量轻、噪声低等优点。在低速永磁发电机研究方面，张晓敏研制了一台 低速永磁同步发电机，该发电机采用径向磁场，转子磁极采用表贴突出式。等提出一种用于低速风力发电的双面无芯轴向磁通永磁发电机，得出了双面无芯轴向磁通永磁发电机更适合低速风力发电的应用。长春工程学院的杨鸣昊研制了一种适用于中国低投稿网址：流速海域的低转速发电机，采用叶轮直驱、水下密封技术以及非金属轴承水润滑技术，实现了在超低转速下达到发电机的额定功率，满足发电要求，经仿真验证效率达到了 。赵喜龙为解决电机在较低转速下带来的温升问题，通过对电机进行优化设计包括风路结构、定转子铁心电磁设计等，达到了电机性能要求。等为改善高效发电机的低速性能，提出了一种基于模糊算法和参数扫描的优化方法，实验证明，该方法能有效提高可偏转双定子开关磁阻发电机在低速运行状态下的综合性能。在结构设计方面，龙玮以 ，低速柴油同步发电机为例，介绍了如何选定主要电磁设计参数，以及一些关键零部件的结构特点等，并确定结构参数。最后根据该项目电机的试验数据验证了设计的合理性。王娜等通过响应曲面法，以永磁体厚度、形状为优化变量，电压波形畸变率、效率为优化目标对单边盘式发电机进行优化。结果表明，优化后的单边永磁发电机效率提高了.，总谐波失真（，）降低了.。李伟起等为获得效率高、运行稳定的电机，引入改进的多目标粒子群算法对永磁同步电机进行优化，以铁心长度、定子每槽导体数、定子槽型尺寸和永磁体的尺寸为优化变量。结果表明电机的效率增加了.。在有限元仿真方面，多通过经验及计算分析确定发电机的尺寸和永磁体材料，用 软件对永磁发电机的静、瞬态磁场进行仿真分析，或进行空载、负载、短路去磁性能分析，通过与实验数据对比，验证设计的合理性。王智琦等提出一种基于、和 的多领域协同耦合仿真平台，该联合仿真为电机及其控制器的一体设计提供了一种可行性路径。陈云云等基于 、平台建立了完整的电机及驱动控制系统模型，并进行仿真分析，结果表明该计算结果具有更高的准确性和可信度，为后续电机的进一步系统级优化设计提供了参考。研究适用于低风速地区的低转速永磁发电机对风力资源开发具有重大意义。现以 低转速永磁发电机作为研究对象，利用磁路法对其进行电磁设计，获得电机的主要尺寸参数，其中额定转速为 ，极 对 数 为 对。采 用 和 联合对其仿真，对电机内部磁场进行分析，通过有限元分析结果验证电磁设计的正确性。并制造低转速永磁风力发电机样机，利用样机试验结果证明低转速永磁风力发电机设计的可行性，以期为低转速永磁发电机的研究提供参考。永磁发电机基本理论永磁发电机的电磁设计方法主要有等效磁路法和电磁场数值计算有限元法。等效磁路法运算速度快，但精度较低；数值计算有限元法计算速度相对较慢，但计算准确率较高。因此永磁发电机的计算可以磁路法和有限元法结合使用。确定永磁发电机的主要尺寸之前，功率 可根据式（）计算求得。（）式（）中：为发电机的计算功率；为额定效率；为额定功率。永磁发电机的主要尺寸就是定子内径 和铁心等效长度，可由式（）求得 的近似值，并与式（）联立求得电机的主要尺寸。.（）式（）中：为额定转速；为计算极弧系数，.；为电负荷；为磁负荷，.。（）式（）中：为长径比，通常中、小型同步电机的长径比为.。永磁发电机的气隙长度可根据式（）求得。.（.）（）永磁发电机的永磁体磁化长度 和永磁体磁化宽度 可根据式（）、式（）求得。（）（）（）式中：为电机饱和系数，.；为与转子结构有关的系数，.；为永磁体空载工作点的估算值，.；为空载漏磁系数，.；为永磁体最大磁密；为永磁体剩磁，.；为气隙磁场波形系数；为电机轴向实际长度。永磁发电机电磁设计.永磁发电机主要技术指标 永磁风力发电机的主要技术指标是发电机运行最基本的参数，是发电机设计所要达到的目标值，如表 所示。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：表 永磁风力发电机的主要技术指标 电机参数参数值额定功率 额定电压 额定转速 额定频率 电机相数 连接方式 形功率因数.极对数 定子槽数.电磁设计根据 永磁风力发电机的主要技术指标，对永磁发电机进行电磁设计，主要包括永磁发电机主要尺寸、电枢绕组和转子结构的设计等。采用等效磁路法对 永磁风力发电机进行初步计算，将永磁体等效成一个恒磁通源，确定电机主要尺寸和绕组参数以及永磁体尺寸。发电机转子永磁体采用钕铁硼永磁材料。为使 永磁风力发电机能够低速运行，永磁发电机采用表贴式径向转子结构。图 定子冲片和槽形图.永磁发电机主要尺寸发电机的主要尺寸指定子内径 和铁心等效长度，当确定这两者数值后发电机的其他尺寸就相应的可以确定了。经电磁设计，永磁风力发电机的主要尺寸参数如表 所示。表 永磁风力发电机的主要尺寸参数 电机参数参数值定子内径 定子外径 转子内径（轴孔直径）转子外径 铁心长度 气隙长度 永磁体宽度 永磁体厚度.永磁发电机定子冲片与绕组设计电机齿槽结构时，在满足齿部、轭部磁通密度及定子铁心冲片机械强度等条件下，尽量使槽面积大些，增加其对绕组的容纳能力。所以，采用的定子槽形为梨形槽，如图 所示。电机的绕组采用分数槽绕组。发电机的极数为，定子槽数为 槽。由式（）可得，发电机的每极每相槽数为分数，绕组的空间分布如图 所示。（）电磁场有限元分析.永磁发电机有限元模型根据等效磁路法对永磁发电机进行初步设计，以此为基础，在 有限元软件中建立模型。通，（）邓屹，等：基于 和 的 低速永磁发电机设计投稿网址：过在 的 模块中调整永磁发电机的相关参数并进行初步的计算，再将 中样机模型一键导入到 如图 所示。根据具体需要，简单调整激励源或仿真设置，即可对瞬态场中空载与负载情况进行求解。图 定子绕组的空间分布图.图 永磁发电机二维模型.空载仿真分析空载特性是检验发电机性能的重要指标之一，通过对空载磁力线、空载电压、齿槽转矩等的分析，可以验证发电机设计的合理性。通过仿真得到空载时发电机磁力线分布如图 所示，可以看出磁力线合理地分布在定子齿部、轭部、转子部分，且永磁体间的漏磁很小。空载相电压波形如图 所示，可以见空载电压波形正弦性较好，空载电压有效值为.。齿槽转矩是永磁电机所特有的，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。本设计采用分数槽绕组增加了齿槽转矩的频率，所以与整数槽绕组发电机相比齿槽转矩更小，发电机低速运行时更加平稳。经计算 永磁发电机的额定转矩为.，在空载情况下得到发电机的齿槽转矩如图 所示，其最大值为.，占发电机额定转矩的.，满足设计要求。图 空载磁力线分布图.图 空载电压波形图.图 空载转矩波形图.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：.负载仿真分析永磁发电机额定负载运行时，磁力线分布如图 所示，可以看出，磁力线分布规律，且与空载时相比，永磁体间漏磁增大。额定负载时，三相绕组感应电动势如图 所示，其有效值为.；三相电流如图 所示，其有效值为.，感应电动势与相电流正弦性较好，波形也比较光滑。图 负载磁力线分布图.图 负载三相绕组感应电动势波形图.图 负载三相绕组电流波形图.根据式（）可得发电机输出功率为 .（）式（）中：为输出功率；为相电压有效值；为相电流有效值；为功率因数。.联合仿真分析将 中的二维模型导入到 模块中，输入通过机械模块调节使发电机达到输出状态，输出连接三相不可控整流桥、滤波电路、稳压电路和负载，通过稳压、增负载的方式，得到直流电压和直流电流波形，如图 所示。联合仿真中设置输入额定转速为 ，负载大小为.。永磁发电机经过整流后的直流电压波形如图 所示，电压平均值为.；直流电流波形如图 所示，电流平均值为.。如表 所示，对 发电机负载时计算值与仿真值进行对比，符合设计要求。根据式（），可得发电机输出功率为 .（）图 永磁发电机控制系统模块搭建.，（）邓屹，等：基于 和 的 低速永磁发电机设计投稿网址：式（）中：为输出功率；为直流电压；为直流电流。永磁发电机损耗与效率永磁发电机在运行时输出功率的大小，主要受其自身效率的影响，也就是主要取决于永磁发电机在运行时的各种损耗，这些损耗越大，则永磁发电机的效率越低。影响永磁发电机效率的主要因素有：定子绕组的铜损耗、铁损耗、机械损耗和其他杂散损耗。忽略机械损耗和其他杂散损耗的影响。图 直流电压波形图.图 直流电流波形图.表 发电机负载计算值与仿真值 数值直流电压 直流电流 额定值.仿真值.相对误差.永磁发电机损耗发电机额定负载时，主要损耗有铁耗、铜耗。通过电磁场有限元分析可得到发电机的铁耗曲线，由图 可知，铁耗稳定后的值为.。通过有限元仿真得到的铜耗曲线如图 所示，其有效值值为.。永磁发电机负载时的总损耗为.。.永磁发电机效率永磁发电机的效率指额定功率占发电机额定功率与自身损耗之和的比值，发电机的负载效率可由式（）求取。.（）式（）中：为效率；为总损耗。图 永磁发电机铁耗图.图 永磁发电机铜耗图.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：额定转速为 的永磁发电机效率为.，符合基本设计要求。永磁发电机样机测试.永磁发电机样机试验对 永磁发电机进行样机试验，试验方法参照小型风力发电机组用发电机 第 部分：试验方法（.）小型风力发电机组用发电机。利用一台异步电动机作为原动机，通过变频调速的方式来拖动所设计永磁发电机。发电机发出的三相交流电经过整流后变为直流电输出，采用测量仪器测得输出的直流电压和电流。发电机实测如图 所示。图 发电机实测图.样机试验数据与仿真实验数据对比提高转速的同时增加负载使电压保持 ，当发电机在 的转速范围内运转，得到发电机的输出功率，并计算效率，如表 所示。在小型风力发电机组用发电机 第 部分：试验方法（.）中规定 永磁发电机的效率不低于。因此，所设计样机的效率满足国家标准要求。表 不同转速下发电机负载仿真值与实测值 转速（）功率仿真值.功率实测值.效率仿真值.效率实测值 误差.结论研制了一台极对数为、槽数为、转速为 的 低转速永磁风力发电机。利用 软件对发电机空载和负载进行了仿真分析，并通过 和 联合仿真得到以下结论。（）在 空 载 情 况 下，空 载 电 压 有 效 值 为.，空载电压波形正弦性较好。齿槽转矩为.，该发电机具有较低齿槽转矩。表明了该低速发电机设计的合理性。（）在负载情况下，发电机的电压有效值为.，电流有效值为.。三相发电机仿真后功率计算结果为 .，通过 模块中电路仿真后功率计算结果为 .。二者结果都与额定功率值相近。（）在负载情况下，发电机铁耗为.，铜耗为.。额定转速为 的永磁发电机效率为.，符合基本设计要求，且所设计的发电机效率较高。（）对样机试验数据与仿真实验数据进行对比，二者误差值低于，验证了发电机设计的合理性。参考文献 中国电器工业协会 我国低转速大扭矩电机的应用现状及发展建议 电器工业，（）：，（）：张晓敏 低速永磁发电机设计特点 上海大中型电机，（）：，（）：，（）：杨鸣昊 低速水平轴潮流能发电机设计及仿真分析 长春：长春工程学院，：，赵喜龙 隔爆型低转速大功率电机设计 防爆电机，（）：，（）：，（）：龙玮 超大容量低速柴油同步发电机设计要点 上海大中型电机，（）：，（）邓屹，等：基于 和 的 低速永磁发电机设计投稿网址：，（）：王娜，唐传胜，时磊 基于响应曲面法的单边盘式发电机优化设计 电机与控制应用，（）：，（）：李伟起，林荣文，陶涛 基于多目标粒子群算法的异步起动永磁同步电机优化设计 电机与控制应用，（）：，（）：彭绍宇，罗朋，赵志伟 波浪能圆筒型永磁直线发电机优化设计 电子技术与软件工程，（）：，（）：刘军伟，李华阳，钟云龙，等 半直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真 微特电机，（）：，（）：刘韬伦，辛绍杰 极靴形状对永磁副励磁机工作性能的影响 上海电机学院学报，（）：，（）：刘志华，李志平，彭双光，等 基于 的双定子永磁直驱风力发电机设计研究 上海大中型电机，（）：，（）：邹琳，陶凡，徐汉斌，等 用于流致振动发电的直线电机设计及优化 科学技术与工程，（）：，（）：王智琦，林立，陈红专 车用异步电机与弱磁调速协同耦合仿真 邵阳学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：陈云云，蔡同乐，李敏艳 基于耦合仿真的少稀土混合永磁电机的性能分析 机床与液压，（）：，（）：柯健龙 低风速磁悬浮垂直轴风力机研究 曲阜：曲阜师范大学，：，.科 学 技 术 与 工 程 ，（）