新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析

电机设计

第24卷第3期2009年9月

电力科学与技术学报

JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vo.l24No.3Sep.2009

新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析

花 为,张 淦

(东南大学电气工程学院,江苏南京 210096)

摘 要:介绍一种新型绕组连接方式的永磁无刷电机,采用特殊的定子槽/转子极配合,功率密度高,定位力矩小,

适用于小型风力发电系统.以一台三相24/22极样机为例,分析其结构特点和运行原理,并基于有限元法,研究其设计过程.在此基础上,对样机的感应电动势、电磁转矩、输出功率、效率等进行实验验证.结果表明:该种电机在无需斜槽或斜极的条件下,采用集中绕组即可获得正弦电势,且保持较高的功率密度和效率,为小型风力发电机的选型提供一种新的方案.

关 键 词:风力发电;永磁电机;集中绕组;有限元;静态特性

-9140(2009)03-0027-06中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:1673

DesignandanalysisofaPMgeneratorforwindpowerwith

novelconcentratedwindings

HUAWe,iZHANGGan

(SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:Apermanentmagnetbrushlessmachineforwindpowerwithnovelconcentratedwindingsisin-troducedinthispaper.Thespecialcombinationofstatorslots/rotorpolesisemployedinthemachine,re-sultinginhighpowerdensityandlowcoggingtorque.Thedistincttopologyandoperationprinciplearean-alyzedbyusinga3-phase24/22-poleprototypedmachineasanexample.Basedonfiniteelementmethod,thedesignaspectsoftheprototypedgeneratorarepresented.Finally,theexperimentalresultsfromthepro-totypedmachine,includingelectro-magnetic-force(EMF),electromagnetictorque,outputpowerandeff-iciencyvalidatethedesign.Itshowsthattheopen-circuitEMFwaveformsareinherentlysinusoidalwith

concentratedwindingsandwithoutskewingofstatorslotsorrotorpoles,andhenceitexhibitssignificantlyhighertorquedensityandefficiency.Theresultslayanewchoiceforsmallwindpowergenerationsystem.Keywords:windpower;permanentmagnetmachine;concentratedwindings;finiteelementanalysis;staticcharacteristics

收稿日期:2009-07-28

基金项目:国家自然科学基金(50807007);高等学校博士学科点新教师专项科研基金(200802861038);中国电机工程学会电力青年科技

创新一等资助.

作者简介:花 为(1978-),男,博士,副教授,主要从事新型永磁电机设计、分析与控制研究;E-mai:lhuawei1978@

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电力科学与技术学报 2009年9月

目前,风力发电发展极为迅速,除并网型大功率风力发电系统外,离网型小功率风力发电系统的需求也日益增长

[1~7]

.其应用场合主要集中于长江及

其他航运系统,无人值守的森林哨所、差转台和微波站,沿海孤立岛屿,围网养殖系统,农牧区和边远山区等.

因为小型风力发电系统的风轮直接耦合在发电机轴上,省去了增速结构,转速只有几百转/分,所以小型风力发电机主要采用低速多极结构,转子结构以表面贴装式为主.

目前,国内外研究的小型三相永磁风力发电机绕组主要有2种类型:¹采用常规分布绕组(每极每相槽数q为1,图1所示为一台普通66槽/22极永磁同步电机,定子槽数Ns,相数为m,转子极数为Pr,q=Ns/m/Pr=1);º采用普通集中绕组(每极每相槽数q为1/2,图2所示为一台普通33槽/22极无刷直流电机,q=Ns/m/Pr=1/2).其中,分布绕组的线圈端部较长,电阻大,铜耗高,从而限制了电机的功率密度和效率.更严重的是该类型电机的定位力矩通常较大(由于定子槽数Ns和转子极数Pr的最小公倍数相对较小),因此用在风力发电领域,需要采用定子斜槽或者转子斜极等复杂生产工艺来降低定位力矩,提高起动风速.而普通集中绕组即每个线圈套在一个定子齿上,且属于不同相的线圈依次相邻排列.尽管这种结构的绕组连接方式可以保证每个线圈的端部较短、电阻小、铜耗低,可以提高电机的效率,但每个定子槽中实际分布的是属于不同相的双层绕组,必须采用相间绝缘,限制了槽满率,进而影响了电机的功率密度.此外,与第1种电机结构相似,该类型电机的定位力矩也较大,限制了在低风速场合的应用.

为验证新型结构电机的优点,保持转子极数Pr与前2种传统电机一样,即Pr=22.图3所示为一台三相24槽/22极永磁无刷电机结构.比较其定子结构发现,定子一共有24槽,即Ns=24,平分给三相,每相绕组分有8个槽,由于是采用双层绕组,即每个槽中有2个圈边,因此一共有8个集中式线圈,如图3(b)

图2 33槽/22极常规集中绕组永磁无刷电机Figure2 33-slot/22-polePMbrushlessmachine

withnormalconcentratedwindings

针对上述2种典型电机结构的缺点,近年来国际上提出了一种新型集中式绕组结构的永磁电机,即所谓的模块化永磁电机(modularPMma-chine)

[8~10]

,其具体结构将在后文详细介绍.目前的

研究成果表明,该电机在性能上具有一些明显超出常规永磁电机的优点.因此,本文不同于其在电动领域的应用,而是首次将该类型电机引入到小型风力发电系统中,以期获得低风速起动、宽风速领域发电、高效率和高功率密度等性能优势,为我国在小型风力发电系统中的电机选型提供一种新的方案.

1 电机结构

图1 66槽/22极分布绕组永磁无刷电机Figure1 66-slot/22-polePMbrushlessmachine

butedwindings

图3 24槽/22极模块化集中绕组永磁无刷电机Figure3 24-slot/22-polePMbrushlessmachine

witlartedw

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第24卷第3期花 为,等:新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析

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中属于同一种颜色深度的8个线圈组成一相.但是与普通绕法(图2)不同,属于同一相的4个线圈依次相邻套在定子齿上,而与之径向相对的另外4个线圈属于同相.显然,与图2(b)中绕组结构相比,唯一的区别在于三相24个集中式线圈在空间分布不同.图3(b)中仅有6个槽中放置的是属于不同相的圈边,其余18个槽中都是同相圈边.考虑到对称性,一半线圈(12个)的连接顺序可表述为ApAAAp-BpBBBp-CpCCAp(注:/p0表示圈边中的感应电势为反向).正是这种独特的绕组连接方式,使得该电机在制造时提供了一种/模块化0的生产工艺,即将该定子部分分成6块,每块可以单独嵌线,然后进行拼装即可成为一个整体,这也是该类型电机称为/modular0的原因.这对于大容量的MW级大型风力发电机,有一定的意义.

需要指出的是该新型结构的电机定子槽数和转子极数有一定的约束,Ns=Pr?2(Ns=Pr?1的结构由于各种原因,应用较少,具体可参阅文献满足这一规律的电机具有如下的特点

[8~10]

[8~10]

因此两者的最小公倍数必然很大(本例为264),并且每极槽数为分数,如式(1)、(2),从而导致定位力矩很小(具体见算例),而不必采用定子斜槽、转子斜极等复杂工艺来减小定位力矩.

每极每相槽数:

q=

每极槽数:

Q=

Ns241

==1+.pr2211

(2)

Ns244

==.mpr3@2211

(1)

表1 3种绕组方式的基波绕组因数比较Table1 Comparisonoffundamentalwindingfactors

ofthreewindingconfigurations

绕组类型分布式集中式模块化式

基波绕组因数Kw1

0.8660.8660.933