轴向磁通永磁发电机定子绕组结构改进及特性分析

朱 军, 李少龙, 刘慧君, 宋丹丹, 田 淼

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000; 2.国网新疆电力公司 经济技术研究院,新疆 乌鲁木齐 830000)



轴向磁通永磁发电机定子绕组结构改进及特性分析

朱 军1, 李少龙1, 刘慧君2, 宋丹丹1, 田 淼2

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000; 2.国网新疆电力公司 经济技术研究院,新疆 乌鲁木齐 830000)

针对成型永磁风力发电机气隙磁场调节困难、难以提高发电机性能的问题,文章通过推导轴向磁通定子无铁芯永磁发电机在基波与谐波磁场下的绕组系数和电动势方程,采用改变线圈边宽和厚度2种方法来提高发电机性能。实验分析结果表明:绕组空间布局对发电机性能有显著的影响,改进后的发电机电压波形正弦性畸变率THD为2.4%,比改进前减少54%,效率达到90%,比改进前提高了3.3%。采用该方法设计出的风力发电机性能较好,具有一定的使用价值。

轴向磁场;定子无铁芯;线圈边宽和厚度;永磁风力发电机性能

轴向磁场无铁芯永磁电机也称盘式电机,拥有比传统电机更多的优势。其轴向尺寸小、结构紧凑、效率高、功率密度大。尤其是定子无铁芯结构,不仅减轻了电机重量,而且消除了与之相关的齿槽转矩和铁芯损耗,启动转矩小,非常适用于小型离网型垂直轴风力发电系统[1-2]。

无铁芯永磁电机采用非重叠集中绕组比分布绕组优点多,绕组端部伸出长度短、铜耗和发热损耗少[3];缺点是非重叠集中绕组的绕组系数相对较低,输出转矩较小,空间布局多样化,影响电机磁密分布规律。

对于有铁芯有槽电机,线圈布局受到槽型的限制,绕组系数主要由线圈跨距决定。文献[4-5]均推导出绕组系数的计算公式,但只适应于定子有槽结构;而对于定子无铁芯无槽电机计算绕组系数比较复杂,绕组线圈放置于气隙磁场中,不同的线圈边宽和厚度会影响气隙磁密分布规律和幅值的大小,也会影响绕组导体产生的感应电动势幅值大小。文献[6]只考虑了基波情况下线圈的边宽为线圈跨距的1/3,没有充分考虑谐波情况下线圈边宽的范围。文献[7]通过响应曲面优化算法,分析了极弧系数和线圈边宽对磁密波形和电动势波形的影响。文献[8]分析了线圈边宽和内径比对电机转矩的影响,但没有具体分析边宽和厚度的变化对电机整体性能的影响。

本文首先推导出了定子无铁芯发电机在基波与谐波磁场下的绕组系数和电动势方程,用解析法和有限元法分析计算了线圈边宽对发电机电磁转矩的影响;通过2种情形分析了线圈边宽对发电机整体性能的影响:① 保持绕组厚度与永磁体厚度比值为常数,增加线圈边宽,可以用最少的永磁材料制造出高功率密度的永磁发电机;② 对情形①进行改进,永磁体厚度不变,使线圈边宽达到最大,改进后的发电机电动势基波幅值最大,谐波含量最小,效率最高。

1 定子无铁芯绕组结构及参数计算

轴向磁通无铁芯永磁风力发电机分解结构如图1所示,中间为无铁芯定子,双外转子盘上永磁体N-S均匀交替,电机主磁路分为2个方向[9],沿半径流通形成闭合回路(L1),沿轴向流通形成闭合回路(L2)。由此可见,发电机工作气隙分布复杂,如果磁路设计不合理,谐波含量会较高,严重影响发电机性能。

图1 轴向磁通无铁芯永磁风力发电机分解结构

由于定子无铁芯结构,绕组不受槽的限制,线圈布局如图2a所示,线圈在平均半径Re处轴向剖面图如图2b所示。由图2可知,线圈布局可分为3种结构,每种结构绕组轴向厚度不同,本文主要讨论这3种绕组空间布局对发电机性能的影响。图2中,Wc、hc为线圈边宽和厚度;Wp为线圈圆周方向跨度;ro、ri为磁极外径和内径；re为磁极平均半径；dwire为线圈导体直径。

图2 定子无铁芯线圈空间布局

由图2可以看出,定子无铁芯绕组系数主要包含线圈圆周方向跨度Wp和线圈边宽Wc,每个线圈中所有导体可能不在同一相,这样会使电动势矢量和减少,因此计算绕组系数要考虑到线圈边宽。

1.1 基波与谐波磁场下电动势与绕组系数的计算

在分析线圈内的导体感应电动势时,假定边宽区域内的导线在线圈中均匀分布,则每根导体感应出的电动势矢量[10]如图3所示。线圈单边导线感应电动势关于对称中心处的导体感应电动势对称。设定对称中心线为参考线,将所有导体的感应电动势折算到参考线上。

图3 线圈单边导体感应电动势向量图

图3中，xi为第i根导体到线圈边宽中心线的距离；τp为极矩。距离参考线为xi的导体折算系数为cos(πxi/τp),折算后基波情况下每根导体的感应电动势为:

(1)

其中，Bz为气际磁密；r为线圈径向切面半径；Δr为切面厚度。

单侧线圈边宽导体感应电动势为:

(2)

假设磁密分布为非标准正弦曲线,用傅里叶级数表示气隙磁密,即

(3)

线圈边宽的分布系数为:

(4)

线圈跨距系数为:

(5)

电机基波绕组系数为:

(6)

如果采用电角度表示线圈跨距和线圈边宽,即

(7)

那么电机基波绕组系数可改写为:

(8)

轴向磁通无铁芯永磁发电机中的磁场复杂,圆周方向含有大量谐波,将磁密的q次谐波考虑进电动势的计算中,即

(9)

感应电动势波形畸变率为:

(10)

q次谐波磁密与m次绕组系数配合下线圈电动势的谐波绕组系数为:

(11)

从(8)式和(11)式可以看出,绕组系数与线圈跨距和边宽跨距有关,如图4所示,绕组系数随着线圈边宽增加而减少,绕组系数在180°～250°电角度时较大,本文选取240°电角度。

图4 不同电角度下绕组系数和边宽变化

1.2 定子无铁芯永磁发电机电磁转矩特性

绕组系数反映铜的利用率,线圈边宽越窄,绕组系数越大。同时线圈匝数随边宽变窄而减少,电磁转矩和铜耗也会受到影响。因此,要获得大的转矩就要合理选择线圈边宽。不考虑温度变化的影响,电枢绕组电阻为:

(12)

绕组线圈虚拟槽满率为:

(13)

电机输出转矩可以用绕组系数和槽满率表示为:

(14)

其中,ρCu为铜的电阻率;l为电枢绕组的有效长度,l=ro-ri;Q为电枢绕组虚槽总数;Ncoil为每个线圈匝数;Ep和Ip分别为绕组相电压和相电流;PCu为电枢铜损耗功率。

对于永磁发电机,较多的极数会产生较高的绕组系数和较好的输出转矩,但也会增加电机成本。边宽对发电机电磁转矩的影响如图5所示。由有限元分析法和解析法下边宽对电磁转矩的影响可知,极对数一定条件下,增加边宽,线圈匝数增加,有利于提高电磁转矩。解析法的结果和有限元分析法基本一致,存在误差是因为解析法没有考虑到线圈端部边缘效应。因此,改变线圈布局,可以有效改善发电机输出电磁转矩。

图5 边宽对发电机电磁转矩的影响

2 关键参数设计与改进方法

为研究线圈边宽和厚度的变化对发电机整体性能的影响,本文所选发电机参数见表1所列。

表1 发电机有限元模型参数

本文以线圈绕组边宽Wc和轴向绕组厚度hc均8.0 mm(等边型)、永磁体厚度hp4.5 mm、其他参见表1数据为该发电机能够满足性能所需的参数,分别通过2种情形对线圈的不等边竖直型Ⅰ、等边型Ⅱ、不等边水平型Ⅲ3种布局结构进行分析。

情形1 槽满率α为常数,绕组匝数不变,由(13)式可知线圈边宽和厚度成反比例变化,保持电枢绕组厚度hc与永磁体厚度hp比值为常数,其参数变化见表2所列,增加线圈边宽,可以减少永磁体厚度,提高发电机功率密度。

情形2 其他条件不变,对情形1进行改进,保持永磁体厚度不变,其参数变化见表2所列,由(9)式和(10)式可知,增加线圈边宽,可使发电机电动势幅值增大,谐波含量减小。

表2 2种情形参数变化

3 实验及结果分析

为了验证上述情形的正确性,本文根据发电机主要尺寸,建立不同线圈布局下的发电机三维有限元模型,并通过情形1和情形2进行对比,对线圈在3种布局下发电机的气隙磁密、电压波形畸变率和效率进行研究。

3.1 线圈边宽对发电机气隙磁密波形的影响

由于电枢绕组厚度和永磁体厚度的变化对气隙磁密的影响是非线性的,永磁体厚度在3.5～7.5 mm时气隙磁密增长最快,永磁体利用率也较高。

情形1时不同线圈边宽下气隙磁密波形如图6a、图6b所示,当线圈边宽为8～10 mm时,气隙磁密变化在径向和周向平均半径处基本一致,幅值为0.51 T;线圈边宽为4 mm和12 mm时,磁密幅值有所减少。因此情形1选取边宽为8～10 mm时为研究对象,在保证气隙磁密分布规律基本一致的条件下对发电机整体性能进行分析。情形2时不同线圈边宽下气隙磁密波形如图6c、图6d所示,永磁体厚度不变,线圈轴向厚度随边宽增加而减少,漏磁减少,气隙磁密幅值在径向和周向平均半径处随线圈边宽增加而增大;对线圈布局进一步改进,使线圈边宽达到最大15 mm时气隙磁密幅值达到0.66 T,可见保持永磁体厚度不变,增加线圈边宽可以有效提高气隙磁密幅值。

图6 不同线圈边宽下的气隙磁密波形

3.2 线圈边宽对发电机空载特性的影响

无铁芯永磁发电机轴向不同位置处导体切割磁力线产生的感应电动势幅值不同,气隙谐波含量也不同,线圈轴向中间位置磁通密度最小,但磁密波形更加趋近于正弦。线圈边宽大小会影响发电机轴向长度,从而会对发电机的感应电动势幅值和谐波含量产生较大影响。

因为情形1保持气隙磁密分布规律和幅值基本一致,所以发电机空载电动势幅值和电压波形畸变率没有明显变化,空载相电压幅值为26.4 V,电压波形畸变率THD为5.3%。情形2时发电机空载特性如图7所示,感应电动势幅值随着线圈边宽增加而增大,改进后边宽为15 mm时,感应电动势最大,相电压幅值为30.2V;空载电压中高次谐波占有量不多,主要是三次谐波,谐波含量先增加后减少,改进后空载电压波形畸变率THD为2.4%,比改进前情形1减少了54%。

图7 不同边宽下发电机空载特性

3.3 线圈边宽对发电机负载特性的影响

发电机输出功率反映发电能力，效率大小反映了风能转化成电能的转化率。情形1下发电机负载特性见表3所列。

由表3可知,因为气隙磁密幅值基本不变，线圈导体产生的感应电动势变化也不明显，所以发电机在额定转速、不同边宽下，绕组铜耗、输出功率和电磁转矩相差不大，在保证电机性能时，增加边宽可以有效减少永磁体材料。情形2下发电机负载特性见表4所列。由表4可知，保持永磁体厚度不变，发电机输出功率随边宽呈对数函数增加，绕组铜耗随着边宽先增加后减少，不计涡流损耗及杂损耗，改进后发电机效率由87%提高到90%，比改进前情形1提高了3.3%。

表3 情形1下发电机负载特性

表4 情形2下发电机负载特性

3.4 实验结果对比分析

情形1和情形2下的基波幅值、效率和THD值见表5所列。

表5 情形1和情形2下的基波幅值效率和THD值

情形1增加了线圈边宽,永磁体厚度成比例减少,在保证电机性能的前提下,可以用最少的永磁材料制造出高功率密度的永磁发电机;情形2保持永磁体厚度不变,对线圈布局进一步改进,使线圈边宽达到最大值15 mm,改进后的发电机电压波形正弦性畸变率THD为2.4%,比情形1减少了54%,效率达到90%,比情形1提高了3.3%。

4 结 论

本文推导了定子无铁芯发电机在基波与谐波磁场下的绕组系数和电动势方程,采用解析法和有限元法分析计算了线圈边宽对发电机电磁转矩的影响,通过2种情形以及改进设计分析了线圈边宽对发电机整体性能的影响。研究结果表明:

(1) 保持绕组厚度与永磁体厚度比值为常数,增加线圈边宽,可以用最少的永磁材料制造出高功率密度的永磁发电机。

(2) 保持永磁体厚度不变,使线圈边宽达到最大,改进后的发电机电动势波形正弦性畸变率为2.42%,比情形1减少了54%,效率达到90%,比情形1提高了3.3%。

(3) 发电机轴向长度随线圈边宽增加而减少,轴向尺寸的减小可进一步实现轴向磁通发电机的薄盘型化。

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(责任编辑 胡亚敏)

Improved design and characteristic analysis of stator winding configuration for axial flux permanent magnet generator

ZHU Jun1, LI Shaolong1, LIU Huijun2, SONG Dandan1, TIAN Miao2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2.Economic Research Institute, State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830000, China)

Aiming at the difficulties in the air-gap magnetic field adjustment and the improvement of the performance of the permanent magnet wind generator, the winding factor and the induced voltage of the air-cored axial flux generator in the fundamental and harmonic magnetic field are derived. There are two kinds of approaches to improve the performance of the generator by changing the width and thickness of the coil. Experimental result shows that the distribution of windings has a significant impact on the performance of the generator. The improved generator electromotive force waveform sine distortion rate THD is 2.4%, which is reduced by 54%, and the efficiency reaches 90%, which increases by 3.3%. The designed wind generator has good performance and certain practical value.

axial flux; air-cored stator; width and thickness of coil; performance of permanent magnet wind generator

2016-08-04；

2016-10-13

河南省高校基本科研业务费专项资金资助项目(NSFRF140115);河南省教育厅科学技术重点研究资助项目(12A4700)

朱 军(1984-),男,内蒙古乌兰察布人,博士,河南理工大学副教授，硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.006

TM315

A

1003-5060(2017)07-0892-07