新型无铁心永磁直驱风力发电机

    杨卫平，  袁龙生，赵朝会

(上海电机学院电气学院，上海200240)

       摘要：针对传统永磁直驱风力发电机结构重量大、齿槽转矩严重、定转子之间存在电磁吸力并存在铁心损耗等问题，采用Maxwell2D软件，优化I广传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度。在转了直径不变的情况下，对定、转子材料不『日的三种水磁直驱风力发电机进行了建模和仿真，比较分析了这三种发电机的优缺点，提出了新型尤铁心永磁直驱风力发电机一仿真和计算结果表明：加入Halbach列后的新型无铁心水磁直驱风力发电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机。

    关键词：永磁直驱风力发电机；无铁心；气隙磁密

    中图分类号：TM 315文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)05—0011-05

0 引言

      在能源短缺的今天，作为可再生能源的风能成为研究热点之一，风力发电也引起了各国学者的不断关注。

    文献[1]通过对几种常见的永磁直驱同步发电机(DDPMG)类型(径向结构发电机、轴向结构发电机)的研究，设计了一台具有辅助磁极的切向磁钢直驱发电机[2]，该电机为切向结构和径向结构的组合，减小了转轴侧永磁体的漏磁，提高了气隙磁密；但电机结构复杂，铁心损耗严重。文献[3]介绍了一个轴向磁通永磁直驱风力发电机，并优化设计了100 kW的永磁直驱风力发电机，但该电机的气隙磁密较低，功率密度难以提高，导致材料利用率较低。文献[4]介绍了10 MW永磁直驱风力发电机，虽然其结构简单、工作可靠，但电机定、转子之问的电磁吸力较大，使得电机的结构重量大，要求电机有一定的结构刚度。

  为了解决传统DDPMG结构重量大、齿槽转矩严重、铁心损耗较大且定、转子之间存在电磁吸力等问题，文献[5]提出了一种定子元铁心永磁直驱风力发电机的结构，该电机重量得到很大程度地减轻，但气隙磁密相对较低，高功率密度难以满足。

    本文采用Ansoft软件中的Maxwell2D平台，优化传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度，并对定、转子分别为导磁材料和非导磁材料三种组合的永磁直驱风力发电机进行了建模与仿真，分析比较了这三种发电机的优、缺点；最后，为了降低永磁直驱风力发电机的结构、重量，并且保持较高的气隙磁密，提出永磁体采用Halbach阵列的新型无铁心永磁直驱风力发电机。

1  永磁直驱风力发电机结构参数的选取及优化

l.1永磁直驱风力发电机的结构

    图1为水磁直驱风力发电机的结构图，表1显示了电机的丰要结构参数。

1．2永磁直驱风力发电机极数、磁钢厚度和磁钢宽度的确定

    图1所示的永磁直驱风力发电机，极数P与磁钢宽度bm决定了电机极弧系数α的大小、在极距t相同(即极数一定)时，磁钢宽度bm窄，则极弧系数α就小，电机气隙磁密Bδ相对就较低；磁钢宽度6。宽，则极弧系数α就大，电机气隙磁密Bδ就相对较高。但bm过宽时，将出现极间漏磁，使得Bδ增加不多。

l.2.1极数的选择

    在磁钢宽度bm=33 mm、极数不同时，极弧系数和气隙磁密Bδ的变化情况，如表2所示。

    由表2可以绘制出图2所示在磁钢厚度hm=12 mm和磁钢宽度bm=33 mm时，电机极数P与气隙磁密Bδ之间的关系益线。

    由图2看Ⅲ：在磁钢厚度、磁钢宽度、气隙一定的情况下，随着檄数的增加，气隙磁密逐渐增大；但当极数增大到50时，气隙磁密的增加量明显减小，原因是随着极数的增加，电机极间漏磁增大，这点可以从图3看出，图3所示为不同极弧系数下(即不同极数)电机的磁力线分布。

      由以上讨论可知，为了保证永磁直驱风力发电机较高的气隙磁密和较小的极问漏磁，选取电机的极数为50，即极弧系数为O.875。

l.2．2磁钢宽度的选择

    图4为P=50、磁钢厚度hm=12 mm的情况下，磁钢宽度bm与电机气隙磁密之间的关系。

    由图4可以看出：在极数P、磁钢厚度、气隙一定的情况下，随着磁钢宽度的逐渐增加，气隙磁密逐渐增大，但当磁钢宽度增加到33 mm时，气隙磁密