交替极永磁风力发电机的设计与分析

(1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京211102；2.东南大学电气工程学院，南京210096)摘要：为改善传统异步风力发电系统的性能并降低传统直驱风力发电机的生产制造成本，提出一种交替极永磁风

力发电机。该电机转子采用永磁极和铁心极交替排布的结构，定子采用分数槽集中绕组。通过解析计算和有限元仿 真分析可知，该电机的磁通分布合理，反电

少，漏磁更低，功率输出更强，因而

低。

合风力发电应用。传统永磁发电机，所提出的设计 磁钢用关键词：风力发电；交替极；分数槽集中绕组；有限元；永磁电机中图分类号：T(315 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2019)08-0001-05Design and Analysis of a Consequent-pole Permanent Magnet Wind GeneratorZHANG Zhen1， WANG Haihua1， HAN Xuedong1， FAN Ying2， QU Guangyu2

(1. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute， Nanjing 211102， China ；2. School of Electrical Engir^ering， SoutUeasi Unaersity， Nanjing 210096， China)Abstract: To improve the performance of the traditional asynchronous wind power generation system and re­duce the manufacturing cost of conventional dhect-deve wind generatoe，a consequent：。. permanent mag­net (PM) wind generatoe was proposed in this papee. The rotoe of this machine adopted a steicture in which the PM pole and the iron pole were alternately arranged， and fractional slot concentrated winding was de­

signed on tUe statoo. According 1u the results of analyticot colculation and fnite element analysis，the mag­

netic circuit was unsaturated and tUe total distortion rate of tUe back-EMF was low. Compared with tUe tiadi-

tional permanent magnet generatoo，thero is less fux leakage，PM volume but strongeo output poweo io the proposed design. Theefore，this proposed machine is more suitabee foo wind poweo generation.Key words： wind geneation； consequent-pole； fractionae slot conconOated winding； fnite element analy- sos； PM maohoneo引言传统

通 采用极对数较大的设计 ，磁 漏磁

［2］， ［3］%

磁，用

造成的 ，，

后期 成本 ， 和发展⑷%学

风力发电机制造和近年 国 能源的 大，风能便为其中之一UT。 有 :风能发电学 •究风力发电的大 建设系统的 中，风力发电机一直是国

风力发电机而言，

为减少永磁风力发电机中的永磁体用量，各国

大 的 。文献［5 -6］同步磁阻电机中 少

的 ％ 、低成本以电 一直 设计的

机 ，永磁电机具有 的功

％

和

电，因提高同步磁阻电机的功， 性能接近普通永磁同步电机，但 '而永磁风力发电机更能 风力发电应用上的需求。然而，由于永磁风力发电机的低速应用特征［1］，该类电机存在电机功率因素低和反电势畸缺点，不仅对永磁风力发电机系统中的逆变器额收稿日期：2019—02—22,修回日期：2019 — 04 — 12基金项目：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司科技项目（32-JK-2018 -002）作者简介：张震（19）,男，硕士，工程师，研究方向为风力发电技术。通讯作者：樊英（1970）,女，博士，教授，博士生导师，研究方向为电动汽车驱动以及新能源发电技术。・2・微电机52卷定容量有 的 ，还恶化风力发电机的供电

式中，E为交流电枢绕组的相电动势，5为交流电枢

绕组的相电流。其中，相电流5可表示为品质。文献［7-8 ］风力发电机的磁钢形状 了

结构设计和性能分析，结果表明，聚磁式磁钢的聚

磁能力 能提 表贴式磁 的气隙磁密,示出 的永磁 用率％但献［8 ］中提及 的聚磁型永磁风力发电机为辐条式磁钢结构，转子

式中，7?为相线圈匝数，4为电枢直径，C为电负

%交电枢绕组的相电

E =Afl7?

E可由下式表示结构较为复杂且永磁用

应用对电机结构

，无法 风力发电(4)的简单性和可靠性，也制造成本。文献［& ］提出了交替极永磁发电机的

式中，/为电流频率，Dl为气隙的正弦系数，D为 绕组系数，札为每极磁通，且可由式(5)得到：札=经皿丿@' \"p

概念，将传统永磁发电机中的部分永磁极替换为铁

心极，该设计能够在降低磁钢用量的同时，保持常 规永磁电机的电磁特性。文献［10-12 ］交替极永

(5)式中，Elcz为气隙磁密基波的 ，匚为电机轴长， 『为极距，\"p为等效转子极弧系数％将式(3 ) ~式(5)带入式(2)中可知P = \"pal

磁电机做一步的 ，结果表明， 该类电机将部分永磁极替换为铁心极，有效解决了极间漏 磁的现象，这 缓解风力发电中 极对数较多

DD/ElJ。％4

6. 1( 6 )而产生的漏磁 非常有效％因此，本文提出一种基于交替极结构的新型聚

磁式“V型”永磁风力发电机。

式中，％为电机转速。在添加漏磁系数D，斜槽系 数D 电机 \"后，式(6)可改写为4 = /

槡 #\"pDDXDALDABgmJr传统风力发电(］)机，该新型拓扑既能降低永磁体用量，还能提供良

好的电磁性能； 传统的交替极永磁电机，该定、通过将电机长径比$ =r/4带入式(7)，可得到电

新型拓扑重新设计了永磁体和电枢绕组，简 转子结构，降低了极间漏磁，从而提

枢直径4的表达式为4 = ：/ 6. 1P

C 槡 #\"pDalD/ElJ%永磁(8)用率％基于上述功率方程，通过预设磁负荷 P和电负 荷C以及额定转速％等基本参数可以确定电机的电枢

1电机设计本文设计了一台交替极永磁风力发电机。本节

将从电机电磁设计、结构设计和磁路原理3个面

初 参数％其中，电 C设为2x1045m，气隙基波磁密幅值设为1.2T，效率\"预

阐述该交替极永磁风力发电机，从而为该类风力发

电机的设计提供详实和准确的参考。设为0.9,额定转速为500 r - min'1，额定功率为

800W，计算出电枢直径为102.9mm，轴长为60mm%电枢绕组转子1.1交替极永磁风力发电机电磁设计1.1.1交替极永磁风力发电机的槽极配比定子采用分数槽集中绕组，因此定子槽与

永磁极对数 的关系 公式永磁极{ Z=2p+2Z=；mQ (1)铁心极 定子(a)三维结构图电枢绕组定子中，Z为定子槽数，@为电机相数，p为转子

极对数，Q为正整数。考虑到单位体积的功率密度

等因素，@设计为五相，且定子槽数与极对数式(1)中的两个子公式，因而可将极槽配比设为 20槽/18极，在既保证输出正弦波电压的同时，还

转子能够有效减小电机铜耗。1-1.2交替极永磁风力发电机功率方程交替极结构(b)俯视图首先，交电机的计算功率2的表达式为P = mEI

(2)

图1交替极永磁风力发电机结构示意图8期张震等：交替极永磁风力发电机的设计与分析1.2交替极永磁风力发电机结构设计图1为所提出的交替极永磁风力发电机的结构 图。考虑到电机的功率输出和容错能力，该新型拓

扑定子采用交流五相设计，在风力发电系统中，通

过整流逆变电路转换为与电网同步的三相电压。同时，为提高该交替极永磁风力发电机在故

障状 的容 能力，电枢绕组采用 绕的绕线方式， 保一个容 ％转子与定子同

定子内部，并采用 式永磁转子结构以保证转子 中的结构强度％转子永磁体采用了“V型”排布的交替极结构，提 永

磁磁势和永磁体利用率%通过文献［10 ］可知，由于

交替极拓扑用铁心极替代原有一半的永磁极，这拓“ V型”永磁结构中的两块磁 设 ，有利于降低电机反电势中非工

。在传统“V型”永磁结构下，

有永磁 排布，“V型”磁 的调节范围受到 磁钢，制约了对电机反电

的 ％图2( a)、 2 ( b)分别为传统永磁电机和交替极永磁电机的磁路％交替极永磁风力发电机的核心

路

原有永磁电机中的NS磁极中的一极，并以铁心极替代％这磁路从传统永磁电机的\"永磁N 极！气隙！定子！气隙！永磁S极\"转化为新的\"永

磁极！气隙！定子！气隙！铁心极\"％永磁体用量减 少，磁路磁 大，从而提 永磁 用率％同时，

电机存在铁心极，电机极弧系数可 传统永磁电机极弧系数1的极限，从而为永磁体提供

的转子 ％图2磁路结构示意图通过上述分析可知，本文提出的交替极永磁风

力发电机的定子设计能够有

降低电机的端部绕组，减小电机铜耗，同时采用容错设计减小电机相 ， 风力发电机

定；转子设计减少永磁体用量并提 永磁 用 ，同时交替极设计还有

降低电机反电势中非工

％1.3交替极永磁风力发电机性能分析1. 3.1基于磁路理论2分析可知，对于传统永磁电机而言，闭

合磁路的磁 两组磁钢提供，而交替极永磁风力发电机的闭合磁路 一组磁钢％通过解析计算可知，转子磁 Fpm为式中，E为永磁体剩磁，为永磁体厚度，%0为真 空磁导率，％为相对磁导率。空气磁导&g为

式中，'为气隙长度，\"p为等效极弧系数，厂为极 距，e为电机轴长％永磁体磁导&pm为(11)pm式中，Gm为永磁

％因此交替极磁路如图2 ( C)所示，永磁体磁通为砸pm(________%%__________EhpmGpml\"p TPm hg、 * 4Q 咕叫7 +45屮冲

%0%Oeepm %0 \"p1 1(12)

通过 述解析式可知，

采 交替极结构，基波磁路的磁 大，

同磁 的气隙基波磁通增加，从而能够减少磁钢用量，提高永磁

用率％即交替极电机能够

小的磁 '传统电机相同大小的磁通％同时， 可知，

交替极电机极弧系数 有 大的设计，因而可以实现上述设计结构。由式(12)可知， 交替极永磁风力发电机的气隙磁

和磁 、气气隙 有关％1.3.2基于磁场调制理论通过 述磁路理 可知， 交替极结构能够通过

大气隙磁导的方式来提高磁通 ％实 ，交替极结构还能够通过调制出额外有用 的方式来电机在单位体积内的功率输出能力％ 磁制理论［13］，可知交替极永磁风力发电机气隙内的

磁

Fpm( )，i)的表达式为Fpm(

二magSD \"衆5…* \\2 丿

I cos' $p ( 0 -(ot) ] }\"f微电机52卷{T(式中，Fp为传统结构永磁体磁动势幅值，&S为传

(13)统永磁风力发电机定子磁导幅值，0p为传统电机转

子极弧 ， p2 为传统电机极 数， 本 交替 极的极对数P1 —致％但是，与交替极永磁风力发电

机不同的是，传统永磁风力发电机转子磁导通常为

式中，尺皿轡为交替极永磁体磁动势幅值，p为交替

极的极对数，*为转子转速，0为气隙圆周位置，i

为永磁体磁动势的谐波次数。此外，交替极永磁风 力发电机的转子磁导函数&(0, t)的表达式为常值，定为&4 ,&L0, t) =&4

(20)\" &( 0，t) =&r +( -& $ +同理，传统永磁风力发电机的气隙磁密E\" (0, t)为 E\" (0, t) =Fpm(0, t) x&p0, t) x&p0) x +

2(sin畔1 cos'8 (0 - *)]()( 21 )

因而可以推导出气隙磁密为两部分之和，即(14)

E\" (0, t) =GL (P) +GL ($, D)

(22)式中，为转子永磁极处的磁导，&r为转子铁心极 处的磁导，J为转子磁导阶数。交替极永磁风力发电

机的定子磁导函数&(0)为综上，交替极永磁风力发电机的气隙磁密共包

含四个部分，如表1所示；而传统永磁风力发电机 的气隙磁密仅由两个组成部分，如表2所示。可见,

f ,+ T^sin ( AWS0)cos( DS)D = 1，2- 2 /\" 交替极 拓扑特性，能够产生不同性质的 :成分。对于传统电机而言，其气隙磁密中转速为* 的工作谐波只有GL (p,而交替极电机中的工作谐

波主要由G (p和,2 (P, j)两部分提供,因此，在相

(15)

同的磁 ，交替极永磁风力发电机能够比普通 电机提 的有用工

大，因而能够

式中，&S为交替极定子处磁导幅值，0s为交替极定 子极弧

，7为定子齿数，D为定子磁导阶数。，并且磁路中磁 -积下，提 大的功率输出。由于定子为 槽，因此，开槽处的磁位仍会发换推导出。最后，通表1交替极永磁风力发电机的气隙磁密组成生变化，具体变化可 保

谐波成分

61 (0 G2( P, 8

极对数

|( p ±j)P1

转速过下式可得到气隙磁密p(0, tE(0，t) =Fpm(0，t) x&(0，t) x&(0) x +o>*( pP； *7)(16)

G3 ( P D) lip±Wsl

式中，+为空气气隙的等效磁导系数。展开式(16)，

可得气隙磁密E)0, t)为4部分之和，即G (p 8 D)

(P 士J)p1 士 Wsl [(::p；；*7]p(0, t) =G[ (%) +,(%, j) +0,(%, D) +G；(%, j，D)

(17)同理，对于传统永磁风力发电机而言，其磁动势F'pm表2传统永磁风力发电机的气隙磁密组成成分GL (P极数$2转速*p2 *( 0, t与本文所提出的交替极永磁风力发电机

G'p($, D)p2 土 Ds (p 土 'NJ磁 的解析表达式类似,为Fpm( 0，t) = .\ { $九严($P0 )pf通过上述分析，可从等效磁路分析和磁场调制

理论两个不同的角度有效证明交替极结构能够在相 等磁钢用 ，提 传统电机更好的电磁性能。I cos' ip2 ( 0 - *t)]定子磁 交替极电机类 &',( 0)2仿真验证2.1电机性能参数0s2 !+(19)设计交替极永磁风力发电机样机，其具体参数 如表3所示。8期张震等：交替极永磁风力发电机的设计与分析-5 -表3交替极永磁风力发电机设计参数参数参数极对数9定子齿数20绕组相数5额定功率/W800额定转速/(O - min-1 )500额定电 B140磁 B °)90°定子 /mm166转子 /mm102轴向长度/mm60数150电 /( A - mm\"2 )5磁磁1.022. 2电机磁密分布图3为该电机结构的磁密和磁力线分布。通过该图可知，交替极结构磁密分布

，且 出现明磁路饱和状况，漏磁较少，永磁

用率高。除此之外，还可从图3得知，在该结构中，铁心极为

从永磁N极出发的磁通提 磁路，验证 -文 弟h d押的和qiL图3电机磁密分布；意图2.3气隙磁密分布图4为该交替极永磁风力发电机的气隙磁密分

布图，从 中可 出，

该结构采用了交替极结构， ，正 磁

并不存在\"死\"现象，提高了永磁极的极弧系数，从而提 磁钢的利用率％

，由图4可知， 传统永磁结构，交替极结构的气隙磁密的正负方但

应的极弧系数不同，因而 其正 的磁通总量一致，因交替极结构电机的正 磁 同， 正 电 同%图4气隙磁密分布；意图2.4反电势分布由于该新型拓扑采用了 “ O型”永磁的排布方式，

所以反电势正弦程 ，

5所示。 ，其反电势的

磁

\"的关系 6所示。因而可知，交替极永磁风力发电机在采用了“O型”永磁结构的前提下，其反电

'\"的 而 ％因而，“ O型”永

磁结构的磁 也是电机设计时

考虑的参数之一，一 磁钢夹角为90。至110。，此时的反电

1(6. 2 %)。200150♦Phase A・Phase B->~Phase CPhase E・Phase D10050> 04-50-100150-2000 60 120 180 240 300 360。/(图6反电势的谐波畸变率与磁钢开口角度关系3结论本文设计了一种交替极永磁风力发电机，从结

构、原理

详细的阐述与分析，并通过有限元计算 电磁性能进行仿真。可 结论：(下转第47页)8期孙建翎等：计及加工误差的永磁电机齿槽转矩抑制研究47图9、图10分别为两台样机的齿槽转矩波形及谐波

性能的改善'J].微电机.2014(08)： 11-14, 43分析对比。可以看出，当定子冲片未进行偏移时,

[2] 费伟中，沈建新.转子斜极对永磁开关磁链电机性能影响的研

究'J].微电机，2017, 40(2) : 1 -4, 36.齿槽转矩为170.6 mNm,谐波成分中主要是第10

次、20次、24次、30次及60次谐波，其中定子冲

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-100片形变导致的齿槽转矩谐波占比约74% %将定子冲片沿轴向均分2段并偏移90。后，齿槽

转矩减小到86 mNm,第10次及第30次谐波明显减

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件下电机的磁导谐波和齿槽转矩谐波，提出了可以 通过将定子冲片沿轴向分段偏移的措施进行削弱齿 槽转矩。根据具体电机冲片要求以及加工工艺，可 选择将定子冲片轴向均分为n段，并逐段偏移180/n 度，以削弱定子冲片形变对齿槽转矩的影响％对于

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(4) 交替极永磁风力发电机能够提供较好的反 电势波形，提升供电质量，从而更加适合风力发电％(5) 交替极永磁风力发电机中改变“V型”永磁 结构将会对电机反电势波形产生重要影响，一般在

90。至110。之间较为合适％郭盈志，史立伟，肖东，等•增程器用少稀土永磁交替极发电机 设计与分析'J]•科学技术与工程，2018, 18(23)： 36-41.[10 ] Noman Baloch, Byung-ii Kwon, Yuting Gao. Low-cost High-torqur-

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