永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響
鄧秋玲10，黃守道2，劉婷2
（1湖南工程學(xué)院電氣與信息工程系，湘潭411101；2湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）
摘要：研究了2 mw永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。研究表明槽數(shù)和極數(shù)配合對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有重要影響，它也影響****斜槽和****極弧系數(shù)，也決定了輔助齒槽的****數(shù)值。該文引入了一個(gè)與槽數(shù)和極數(shù)成比例，而與它們的最小公倍數(shù)成反比例的利益因子來(lái)表示槽數(shù)和極數(shù)配合的好處。一般說(shuō)來(lái)，利益因子越大，齒槽轉(zhuǎn)矩也越大。仿真結(jié)果證明了提出方法的效果。
關(guān)鍵詞：齒槽轉(zhuǎn)矩；永磁；同步發(fā)電機(jī)；電機(jī)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：tm315：tm313 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848 (2010) 07-0009-04
0引 言
在傳統(tǒng)的風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)必須通過(guò)齒輪箱和發(fā)電機(jī)相連接，齒輪箱的存在會(huì)使系統(tǒng)遭受機(jī)械故障，齒輪又是噪聲的主要來(lái)源，還會(huì)引起功率損耗，并增加成本。因此為了增加系統(tǒng)的可靠性和降低維護(hù)費(fèi)用，可以取消齒輪箱。由于永磁材料磁性能的改善和價(jià)格的降低，可用永磁體代替同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組，使永磁發(fā)電機(jī)極距減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較低，因此永磁同步發(fā)電機(jī)是直驅(qū)風(fēng)輪****的方法[l-2]。永磁同步發(fā)電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)在空間呈周期性分布，在某些情況下會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，
因而會(huì)引起時(shí)片的速度脈動(dòng)并帶來(lái)振蕩，齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會(huì)降低風(fēng)輪機(jī)的切入速度，使風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的利用率降低。因此，降低齒槽轉(zhuǎn)矩也是永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
本文研究了2 mw永磁同步發(fā)電機(jī)某些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。特別是齒槽配合對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，也考慮了齒槽配合與某些設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，如齒槽配合與極弧、斜槽、輔助齒槽等設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系。
1齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理及解析分析
永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體磁動(dòng)勢(shì)諧波和開(kāi)槽引起的氣隙磁導(dǎo)諧波共同作用產(chǎn)生的。當(dāng)定轉(zhuǎn)子存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于永磁體極弧部分的電樞齒與永磁體間的磁導(dǎo)基本保持不變，因此這些電樞齒周?chē)拇艌?chǎng)也基本保持不變，而與永磁體兩側(cè)面對(duì)應(yīng)的由一個(gè)或兩個(gè)電樞齒所構(gòu)成的一小段區(qū)域內(nèi)，磁導(dǎo)變化大，引起磁場(chǎng)儲(chǔ)能變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電機(jī)不通電時(shí)的磁場(chǎng)能量w相對(duì)于位置角的負(fù)導(dǎo)數(shù)，即：
因此，齒槽轉(zhuǎn)矩主要發(fā)生在磁極間的邊緣磁場(chǎng)和定子槽區(qū)域之間，典型的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖l所示。從圖中看出，當(dāng)極間軸線分別與齒中心和槽中心對(duì)齊時(shí)瞬態(tài)齒槽轉(zhuǎn)矩為零。齒槽轉(zhuǎn)矩正的****和負(fù)的****值發(fā)生在極間軸線差不多與槽的邊緣對(duì)齊的位置。
為了便于分析，作以下假設(shè)：①電樞鐵心的磁導(dǎo)率無(wú)窮大，永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣的相同；②除特別說(shuō)明外，同一電機(jī)中的永磁體形狀尺寸相同、性能相同、均勻分布；③鐵心疊壓系數(shù)為1。
由假設(shè)得到：電機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量近似為電機(jī)氣隙和永磁體中的磁場(chǎng)能量：
可知：磁場(chǎng)能量取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、永磁體的性能以及定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置。對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真，可將繞組的電源改為電流源，并將其值賦為零，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就是齒槽轉(zhuǎn)矩。
由虛位移法可以得到齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式：
2槽數(shù)和板數(shù)配合的選擇
由式(3)可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩的頻率與電機(jī)的極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)有關(guān)系。對(duì)每極槽數(shù)為整數(shù)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，在電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒的時(shí)間內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩一般波動(dòng)2次，經(jīng)歷兩個(gè)周期。例如180槽，90極的電機(jī)其兩個(gè)齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖如圖2(a)所 |
