聚磁式場(chǎng)調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理與靜態(tài)特性

聚磁式場(chǎng)調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理與靜態(tài)特性李祥林;程明;鄒國(guó)棠;李順【摘要】提出一種新型聚磁式場(chǎng)調(diào)制永磁(Flux-ConcentratingField-ModulatedPermanent-Magnet,FCFMPM)電機(jī)，該電機(jī)外轉(zhuǎn)子采用聚磁式永磁體結(jié)構(gòu)改善氣隙磁通密度,定子采用開口槽結(jié)構(gòu)提高空間利用率.基于磁齒輪效應(yīng),定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生極對(duì)數(shù)少、運(yùn)行速度快的諧波磁場(chǎng),由該諧波磁場(chǎng)作為有效勵(lì)磁的FCFMPM電機(jī)具有低速、大轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)?在深入分析電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,運(yùn)用二維有限元方法計(jì)算了其靜態(tài)特性,包括空載永磁磁鏈、空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電感、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩等?研制了一臺(tái)5kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并與商業(yè)化小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)做比較.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度大、定位力矩小、外特性硬等特點(diǎn)，特別適用于如風(fēng)力發(fā)電等低速、直驅(qū)系統(tǒng).期刊名稱】《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》年(卷),期】2014(029)011【總頁(yè)數(shù)】9頁(yè)(P1-9)【關(guān)鍵詞】聚磁;磁場(chǎng)調(diào)制;永磁電機(jī);風(fēng)力發(fā)電;低速直驅(qū)【作者】李祥林;程明;鄒國(guó)棠;李順【作者單位】東南大學(xué)電氣工程學(xué)院南京210096;東南大學(xué)電氣工程學(xué)院南京210096;香港大學(xué)電機(jī)電子工程系香港;東南大學(xué)電氣工程學(xué)院南京210096【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM351引言隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，可再生能源的開發(fā)利用正呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，近20年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，它不僅影響輸出電能的質(zhì)量和效率，也影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入的研究，先后提出了多種新結(jié)構(gòu)［1-3］。一類是以機(jī)械式增速齒輪箱為中間環(huán)節(jié)的高速發(fā)電系統(tǒng)，常用的結(jié)構(gòu)有雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電系統(tǒng)［4,5］、高速永磁發(fā)電系統(tǒng)［6,7］，以及近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)［8,9］、定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)［10］等。然而，齒輪箱的使用不但造成機(jī)械損耗大、功率密度低、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，而且，齒輪箱是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)中故障率較高的部件［2］。另一類是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，直接利用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，取消了齒輪箱，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，從而系統(tǒng)的可靠性、效率和運(yùn)行成本得到了相應(yīng)改善。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究主要集中在開關(guān)磁阻電機(jī)［11,12］、雙凸極永磁/電勵(lì)磁電機(jī)［13-15］、橫向磁通永磁電機(jī)［16,17］、磁通切換永磁電機(jī)［18］、雙定子永磁電機(jī)［19］等然而，由于工作在較低轉(zhuǎn)速，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往存在體積大、制造成本高、運(yùn)輸和安裝困難等問(wèn)題。因此，研制適合風(fēng)能高效轉(zhuǎn)換利用、運(yùn)行可靠、控制方便、供電質(zhì)量?jī)?yōu)良、具有較高轉(zhuǎn)矩密度的低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)成為緊迫而又影響深遠(yuǎn)的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。相比機(jī)械式齒輪，磁齒輪傳動(dòng)具有無(wú)接觸、振動(dòng)小、維護(hù)少、可靠性高的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［20,21］提出并分析了一種具有同軸結(jié)構(gòu)的磁齒輪，基于磁場(chǎng)調(diào)制原理，該磁齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［22,23］將一臺(tái)外轉(zhuǎn)子高速無(wú)刷電機(jī)內(nèi)嵌到同軸磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子腔中，構(gòu)成磁齒輪復(fù)合永磁(Magnetic-GearedCompactPermanentMagnet,MGCPM)電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高速設(shè)計(jì)與控制和外轉(zhuǎn)子的低速直驅(qū)要求。雖然MGCPM電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)均較高，但是三層氣隙和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件給電機(jī)設(shè)計(jì)和制造增加了難度?；诖艌?chǎng)調(diào)制原理，文獻(xiàn)［24,25］對(duì)MGCPM電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，分別提出了具有兩層氣隙和一層氣隙的磁齒輪復(fù)合電機(jī)。文獻(xiàn)［26］對(duì)三種類型的磁齒輪復(fù)合電機(jī)進(jìn)行了定量比較分析，結(jié)果表明具有一層氣隙的磁齒輪復(fù)合電機(jī)不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且轉(zhuǎn)矩密度高，更適用于低速直驅(qū)場(chǎng)合。事實(shí)上，具有一層氣隙的磁齒輪復(fù)合電機(jī)與美國(guó)Wisconsin-Madison大學(xué)的T.A.Lipo教授等在20世紀(jì)90年代末提出的永磁游標(biāo)電機(jī)本質(zhì)上相同［27］，本文統(tǒng)稱其為場(chǎng)調(diào)制永磁(Field-ModulatedPermanent-Magnet,FMPM)電機(jī)。文獻(xiàn)［25］提出的一層氣隙場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用表貼式永磁體結(jié)構(gòu)，永磁體容易脫落，而且，裂槽式定子一方面降低了空間利用率，另一方面由于調(diào)磁極的磁短路，減少了氣隙磁通與定子電樞繞組的有效匝鏈，導(dǎo)致電機(jī)功率密度大打折扣。本文提出一種新型聚磁式場(chǎng)調(diào)制永磁(Flux-ConcentratingField-ModulatedPermanentMagnet,FCFMPM)電機(jī)，在詳細(xì)分析該電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，給出了該電機(jī)的氣隙磁通密度表達(dá)式，并基于有限元方法(FiniteElementMethod,FEM)分析了電機(jī)的空載永磁磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電感、定位力矩和靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)特性，研制了一臺(tái)5kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了空載和負(fù)載試驗(yàn)，并與現(xiàn)有商業(yè)化小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)做對(duì)比，驗(yàn)證了所提電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度大、外特性硬等特點(diǎn)，適用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電。電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1所示為一臺(tái)三相18/8極FCFMPM電機(jī)，考慮到要使風(fēng)機(jī)葉片可直接安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用了直接驅(qū)動(dòng)的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成的鐵心和插入轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布、交替切向充磁的轉(zhuǎn)子永磁體組成?？紤]到永磁體承受壓應(yīng)力的能力大而承受拉應(yīng)力的能力很低，輻條式永磁體結(jié)構(gòu)一方面使永磁體在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中承受壓應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度［6］；另一方面能夠產(chǎn)生聚磁效應(yīng)，改善氣隙磁通密度，提高電機(jī)功率密度。電機(jī)定子采用硅鋼片疊成的開口槽結(jié)構(gòu)，三相電樞繞組對(duì)稱嵌套在定子齒上，相比文獻(xiàn)［25］中的裂槽式定子結(jié)構(gòu)，省去了調(diào)磁極塊，定子齒兼做調(diào)磁塊，提高了空間利用率，而且被調(diào)磁極塊短路的磁通能夠通過(guò)定子齒有效匝鏈電樞繞組，提高了永磁體利用率。考慮到最大限度的提高每相繞組磁鏈，取定子齒端寬度與轉(zhuǎn)子等效極弧寬度近似相等。圖118/8極FCFMPM電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1Configurationof18/8-poleFCFMPMmachine工作原理為清楚說(shuō)明新型FCFMPM電機(jī)的工作原理，本文首先分析了該電機(jī)的氣隙磁通密度組成，然后借助磁場(chǎng)分析做進(jìn)一步闡述。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，做如下假設(shè)：（1） 永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。（2） 磁場(chǎng)僅在截面發(fā)生變化，軸向不發(fā)生變化。（3） 忽略鐵心局部磁飽和。（4） 忽略漏磁。氣隙磁通密度分析不考慮定子齒的磁場(chǎng)調(diào)制功能，僅外轉(zhuǎn)子永磁體單獨(dú)作用時(shí)，在半徑為r的氣隙中產(chǎn)生的徑向磁通密度隨圓周位置0的變化關(guān)系為式中cr——轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)，等于轉(zhuǎn)子鐵心等效磁極與極距的比；pr——轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)；3r 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；aOm——轉(zhuǎn)子初始位置相對(duì)于等效磁極極軸偏移的角度；brm 傅里葉系數(shù)。事實(shí)上，定子齒的磁場(chǎng)調(diào)制功能源于齒槽交替排布形成的氣隙磁阻變化，利用該磁阻變化與永磁磁通的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，調(diào)制出一系列旋轉(zhuǎn)空間諧波磁場(chǎng)，其調(diào)制功能函數(shù)入經(jīng)傅里葉變換后可表示為式中cstt——定子齒端弧系數(shù)，等于定子齒端寬度與槽距的比；Nst——定子齒數(shù)；P0n——定子初始位置相對(duì)于槽中心軸偏移的角度；a0,an——傅里葉系數(shù)。忽略高次諧波的影響，僅考慮式（1）和式（2）的直流和基波分量，則經(jīng)定子齒調(diào)制后的空載氣隙徑向磁通密度可近似表示為式（3）中的第一項(xiàng)與永磁磁場(chǎng)基波分量有關(guān)，其旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子相同；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)均由永磁磁場(chǎng)經(jīng)定子齒調(diào)制產(chǎn)生，前者所表示的諧波磁通密度極對(duì)數(shù)多，運(yùn)行速度慢，后者所表示的諧波磁通密度極對(duì)數(shù)少，運(yùn)行速度快。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值與磁通的變化率成正比，因此后者可作為定子電樞繞組設(shè)計(jì)的有效諧波分量加以利用，能夠提高電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而改善電機(jī)的功率密度由式（3）可得,有效諧波磁通極對(duì)數(shù)psef和旋轉(zhuǎn)角速度3sef的表達(dá)式為由式（4）可見，與普通永磁同步電機(jī)不同，F(xiàn)CFMPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)為pr,而定子電樞繞組需按照極對(duì)數(shù)psef繞制。由式（5）可知，定子電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)并非同步，而是定子電樞磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度較轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度放大Gr倍，Gr稱為磁齒輪變速比，即：定子齒的磁場(chǎng)調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)到定子磁場(chǎng)的增速（本文將這種現(xiàn)象稱為“磁齒輪增速效應(yīng)”）。此外，當(dāng)pr>Nst時(shí)，3sef和3r同向，反之，則二者反向。為了獲得較高的有效諧波磁通密度幅值，綜合分析后，本文選用18/8的極槽數(shù)配比，即：轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)為14，定子齒數(shù)為18，電樞繞組極對(duì)數(shù)為4。圖2所示為18/8極FCFMPM電機(jī)空載時(shí)，氣隙徑向磁通密度波形及對(duì)應(yīng)的諧波頻譜圖。從圖2b可見，氣隙磁通密度包含一系列空間諧波，除14th基波分量外，高速低次諧波中的4th分量幅值最大，被作為有效諧波利用，此結(jié)論與前述分析一致。圖2空載時(shí)氣隙徑向磁通密度Fig.2No-loadairgapradialfluxdensity磁場(chǎng)分析本節(jié)將借助磁場(chǎng)分析進(jìn)一步闡述FCFMPM電機(jī)的工作原理。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，圖3所示為轉(zhuǎn)子不同電角度位置時(shí)，18/8極FCFMPM電機(jī)一半的空載磁場(chǎng)分布?？梢钥闯觯捎诙ㄗ育X的磁場(chǎng)調(diào)制作用，雖然轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)為14，但是，定子磁場(chǎng)分布與4對(duì)極普通永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)分布相似，因此，定子電樞繞組可按4對(duì)極電機(jī)設(shè)計(jì)。同時(shí)可以觀察到，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1對(duì)極，定子磁場(chǎng)也轉(zhuǎn)過(guò)1對(duì)極，由于極對(duì)數(shù)差異，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度較轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度快，即：實(shí)現(xiàn)了“磁齒輪增速效應(yīng)”，此結(jié)論與前述分析一致。圖3轉(zhuǎn)子不同位置，18/8極FCFMPM電機(jī)空載磁場(chǎng)分布Fig.3No-loadfluxdistributionsof18/8-poleFCFMPMmachineversusrotorpositions電樞繞組設(shè)計(jì)本文所研究18/8極FCFMPM電機(jī)，定子齒數(shù)為18，電樞繞組按4對(duì)極設(shè)計(jì)，則每極槽數(shù)為9/4。為減小繞組端部長(zhǎng)度，可采用集中繞組，此外，還可采用圖4所示的分布繞組。圖4中的分布繞組線圈跨距為2，小于每極槽數(shù)9/4，屬于短距線圈，能夠有效改善電動(dòng)勢(shì)波形。表1對(duì)比分析了相同條件下，兩種不同繞組連接所得到的單匝繞組相空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。結(jié)果表明，采用圖4所示的分布繞組不但能夠改善電動(dòng)勢(shì)波形，而且能夠大大提高相電動(dòng)勢(shì)幅值，在槽面積和槽電流密度相同的情況下，有利于提高電機(jī)功率輸出能力。圖4定子電樞繞組展開圖Fig.4Statorwindingconnection表1不同繞組連接方式下，單匝繞組相電動(dòng)勢(shì)對(duì)比Tab.1ComparisonofphaseEMFperturn靜態(tài)特性分析空載永磁磁鏈與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)FCFMPM電機(jī)的工作原理，由于定子電樞磁場(chǎng)與氣隙磁通密度有效諧波磁場(chǎng)是同步的，所以定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率可表示為式中nsef 有效諧波磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度；nr 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度?？梢?，雖然FCFMPM電機(jī)的定子電樞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度不同于轉(zhuǎn)子速度，但是，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率計(jì)算表達(dá)式仍與一般永磁同步電機(jī)相同?；诙S有限元法對(duì)所設(shè)計(jì)的18/8極FCFMPM電機(jī)進(jìn)行分析，得到電機(jī)空載永磁磁鏈和空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖5和圖6所示。由于改善的氣隙磁通密度和優(yōu)化的電機(jī)結(jié)構(gòu)，所得空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有較高的幅值，在額定轉(zhuǎn)速214r/min時(shí)，空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為323V，而且三相波形對(duì)稱，諧波分析表明，其總諧波畸變率(TotalHarmonicDistortion,THD)僅為3.85%。圖5空載永磁磁鏈波形Fig.5No-loadPMfluxlinkagewaveforms圖6空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形(nr=214r/min)Fig.6No-loadEMFwaveformsat214r/min電感使用有限元對(duì)電機(jī)電感進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)一相繞組通入電流，此時(shí)某相繞組匝鏈的總磁鏈由兩部分組成，即永磁磁鏈和電樞磁鏈?zhǔn)街绣鴓m——永磁體產(chǎn)生的永磁磁鏈；L——相自感（被測(cè)相與通電相為同一相）或互感（被測(cè)相與通電相為不同相）；I——通入的相電流。根據(jù)式（7）可得繞組電感由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)較永磁磁場(chǎng)弱，仿真分析表明，對(duì)FCFMPM電機(jī)施加增磁電流或去磁電流時(shí)，所得相繞組飽和電感差別不大，圖7給出了施加增磁電流時(shí)，三相繞組飽和電感波形。由圖7可得，相繞組自感平均值約為23mH，依此推算，額定電流時(shí)該FCFMPM電機(jī)的內(nèi)感抗壓降較小。圖7繞組飽和電感波形Fig.7Windingsaturatedinductancewaveforms定位力矩定位力矩是衡量永磁電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，它會(huì)影響電機(jī)起動(dòng)性能，并造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)于FCFMPM電機(jī)，定位力矩周期以電角度可表示為式中Ncog——有效諧波極數(shù)與定子齒數(shù)的最小公倍數(shù)，對(duì)于18/8極FCFMPM電機(jī),Scog=20°o圖8所示為采用Ansys有限元仿真軟件中的虛功法計(jì)算得到的電機(jī)定位力矩波形，其電周期為20o,與式（9）結(jié)果一致。定位力矩峰值約為3.05N?m,僅為額定輸出轉(zhuǎn)矩的1.39%。圖8定位力矩波形Fig.8Coggingtorquewaveform靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩圖9所示為加載與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同相位的電流時(shí)，電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩隨相電流有效值變化曲線，當(dāng)電流小于1.5倍額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩隨電流幾乎呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，由于該電機(jī)鐵心飽和程度受電樞磁場(chǎng)影響不明顯，與根據(jù)電壓、電流計(jì)算得到的理論值相比，電磁轉(zhuǎn)矩有限元計(jì)算值雖有所減小，但差別不大，說(shuō)明此電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，此時(shí)主要考慮散熱條件對(duì)電機(jī)性能的影響，這也是FCFMPM電機(jī)的特點(diǎn)。圖9平均電磁轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線Fig.9Variationofaverageelectromagnetictorquewithcurrent樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與比較分析5.1樣機(jī)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證上述分析的正確性，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)額定功率5kW的樣機(jī)，該樣機(jī)定子電樞繞組采用圖4所示的分布繞組，表2所示為樣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)。其中，槽電流密度按有效銅線部分計(jì)算。圖10為樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)拖動(dòng)FCFMPM樣機(jī)進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)，先測(cè)空載電動(dòng)勢(shì)，然后施加不同的三相對(duì)稱電阻負(fù)載，測(cè)試發(fā)電機(jī)輸出特性。表2FCFMPM樣機(jī)參數(shù)Tab.2SpecificationsofFCFMPMprototype圖10FCFMPM樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10FCFMPMprototypetestplatform圖11所示為額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)波形，與圖6所示的仿真結(jié)果吻合，諧波分析表明，該實(shí)測(cè)電動(dòng)勢(shì)波形THD僅為2.94%，比仿真值3.85%略小。由圖11可得，實(shí)測(cè)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值約為302V,比仿真值323V小6.5%，該誤差主要是由二維有限元仿真忽略了端部漏磁、電機(jī)加工工藝等因素造成的。圖12所示為采用LCR測(cè)試儀實(shí)測(cè)樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置時(shí)的三相繞組電感波形，其大小和變化規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致。圖13給出了樣機(jī)的外特性仿真和實(shí)驗(yàn)曲線，二者變化趨勢(shì)一致，由于空載電動(dòng)勢(shì)減小，故額定電流時(shí)實(shí)測(cè)輸出相電壓約為180.5V，此時(shí)輸出電壓調(diào)整率約為15.7%。此外，額定負(fù)載下，實(shí)測(cè)電機(jī)效率約為92%。圖11實(shí)測(cè)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形及諧波分析(nr=214r/min)Fig.11Measuredno-loadEMFwaveformandharmoniccomponents(nr=214r/min)圖12電感實(shí)測(cè)波形Fig.12Measuredinductancewaveforms圖13樣機(jī)外特性仿真與實(shí)驗(yàn)曲線Fig.13Simulatedandmeasuredoutputcharacteristics比較分析常溫條件下，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，所設(shè)計(jì)FCFMPM樣機(jī)能夠帶載長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)溫升滿足熱絕緣等級(jí)要求。為了進(jìn)一步說(shuō)明FCFMPM電機(jī)的特點(diǎn)，本文將所設(shè)計(jì)樣機(jī)與一款額定值相近的商業(yè)化小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)做比較，結(jié)果見表3。分析數(shù)據(jù)表明，在額定功率、永磁材料、冷卻方式、熱絕緣等級(jí)相同，額定相電壓、額定轉(zhuǎn)速、鐵心材料等參數(shù)相近的情況下，所設(shè)計(jì)樣機(jī)體積減小5.1%，質(zhì)量降低16.7%，轉(zhuǎn)矩密度提高38.3%，充分說(shuō)明FCFMPM電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩密度大的優(yōu)點(diǎn)。表3FCFMPM樣機(jī)和商業(yè)化電機(jī)比較Fig.3ComparisonofFCFMPMprototypewithcommercialcounterpart結(jié)論本文提出了一種新型聚磁式場(chǎng)調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，詳細(xì)介紹了該電機(jī)工作原理，并基于二維有限元方法，分析了包括空載永磁磁鏈、空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電感、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的電機(jī)靜態(tài)特性。通過(guò)研制樣機(jī)，進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)，并與同類商業(yè)化電機(jī)比較，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。與傳統(tǒng)永磁同步直驅(qū)電機(jī)、裂槽式永磁游標(biāo)電機(jī)相比，所提電機(jī)具有如下特點(diǎn)：基于磁齒輪效應(yīng)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子低速直驅(qū)和定子繞組按高速磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的

要求，與傳統(tǒng)永磁同步直驅(qū)電機(jī)相比，在轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速相同的情況下，定子齒

數(shù)較少，繞組易于繞制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，加工制造方便。轉(zhuǎn)子采用輻條式永磁體結(jié)構(gòu)，與表貼式結(jié)構(gòu)相比，聚磁效應(yīng)能夠改善氣隙磁通密度，提高電機(jī)磁負(fù)載，在定子結(jié)構(gòu)尺寸和槽電流密度相同的情況下，即施加相同的電負(fù)載，能夠進(jìn)一步提高電機(jī)功率密度；磁負(fù)載的提高有利于用較少的繞組匝數(shù)獲得較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使內(nèi)電抗壓降相對(duì)降低，益于獲得較硬的外特性。開口槽定子結(jié)構(gòu)省去了裂槽式定子中的調(diào)磁極塊，定子齒兼具磁場(chǎng)調(diào)制功能，提高了定子空間利用率，減小了電機(jī)體積。體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩密度大、定位力矩小、外特性硬等優(yōu)點(diǎn)，使得所提FCFMPM電機(jī)在諸如風(fēng)力發(fā)電等低速直驅(qū)系統(tǒng)中有應(yīng)用前景。需要說(shuō)明的是，F(xiàn)CFMPM作為一種新型電機(jī)，其自身仍然存在一些問(wèn)題需要解決，如提高永磁體利用率等，這些內(nèi)容將是下一階段的主要研究任務(wù)，本文的工作為其打下了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)LiH,ChenZ.Overviewofdifferentwindgeneratorsystemsandtheircomparisons[J].IETonRenewablePowerGeneration,2008,2(2):123-138.HenkPolinder,FrankFAvanderPijl,etal.Comparisonofdirect-driveandgearedgeneratorconceptsforwindturbines[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2006,21(3):725-733.程明，張運(yùn)乾,張建忠?風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(3):1-9.ChengMing,ZhangYunqian,ZhangJianzhong.Developmentstatusandresearchprogressofwindpowergenerators[J].JournalofElectricPowerScienceandTechnology,2009,24(3):1-9.劉其輝，賀益康,趙仁德?交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(1):129-136.LiuQihui,HeYikang,ZhaoRende.OperationandcontrolofAC-excitedvariable-speedconstant-frequencywindpowergenerationsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2008,23(1):129-136.苑國(guó)鋒，李永東,柴建云，等.1.5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(2):42-47.YuanGuofeng,LiYongdong,ChaiJianyun,etal.Experimentalinvestigationonexcitationcontrolsystemof1.5MWvariablespeedconstantfrequencyDFIGwindgeneratorsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(2):42-47.⑹王鳳翔?永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向[幾電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(3):12-24.WangFengxiang.ApplicationanddevelopmenttendencyofPMmachinesinwindpowergenerationsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(3):12-24.夏長(zhǎng)亮?永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其功率變換技術(shù)J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(11):1-13.XiaChangliang.WindenergyconversionsystembasedonPMSGanditspowerconvertertechnology[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(11):1-13.鄧先明，姜建國(guó)?無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理及電磁設(shè)計(jì)J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)扌艮2003,23(11):126-132.DengXianmingJiangJianguo.Theprincipleandelectromagneticdesignofbrushlessdoubly-fedmachines[J].ProceedingsoftheCSEE,2003,23(11):126-132.張鳳閣，金石，張武基于無(wú)速度傳感器的無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(12):20-27.ZhangFenggeJinShi,ZhangWu.Directtorquecontrolforbrushlessdoubly-fedwindpowergeneratorbasedonspeedsensorless[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(12):20-27.施凱,黃文新,胡育文,等.寬風(fēng)速運(yùn)行的定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂撇呗訨].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(7):78-85.ShiKai,HuangWenxin,HuYuwen,etal.Topologyandcontrolstrategiesofdualstator-windinginductiongeneratorwindpowersystemoverawidewindspeedrange[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(7):78-85.MuellerMA.Designandperformanceofa20kW,100rpm,switchedreluctancegeneratorforadirectdrivewindenergyconverter[C].IEEEInternationalConferenceonElectricMachinesandDrives,2005:56-63.熊立新，高厚磊,徐丙垠，等?一種開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能跟蹤方法J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(11):1-7.XiongLixin,GaoHoulei,XuBingyin,etal.Anewcontrolmethodofswitchedreluctancegeneratorformaximumpowerpointtrackinginwindturbineapplication[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(11):1-7.FanYing,ChauKT,ChengMing.Anewthree-phasedoublysalientpermanentmagnetmachineforwindpowergeneration[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2006,42(1):53-60.張建忠，程明?新型直接驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(12):15-21.ZhangJianzhong,ChengMing.Anovelouter-rotorpermanentmagnetgeneratorwithdoublysalientstructurefordirectlycoupledwindturbines[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2007,22(12):15-21.朱德明，周楠，張卓然，等.直驅(qū)式多轉(zhuǎn)子極電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(12):32-37.ZhuDeming,ZhouNan,ZhangZhuoran,etal.Amultiplerotorpolesdoublysalientelectromagneticgeneratorfordirectdrivenwindturbine[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(12):32-37.顏建虎，林鶴云，馮奕?磁通切換型橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)扌艮2010,30(21):67-72.YanJianhu,LinHeyun,FengYi.Fluxswitchingtransversefluxpermanentmagnetwindgenerator[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(21):67-72.包廣清，李戰(zhàn)明,施進(jìn)浩?一種新型組合式橫磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(3):83-88.BaoGuangqing,LiZhanming,ShiJinhao.Researchontransversefluxpermanentmagnetgeneratorswithassembledconfiguration[J].ProceedingsoftheCSEE,2012,32(3):83-88.[18]花為程明,ZhuZQ,等.新型磁通切換型雙凸極永磁電機(jī)的靜態(tài)特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(13):129-134.HuaWei,ChengMing,ZhuZQ,etal.Studyonstaticcharacteristicsofnovelflux-switchingdoubly-salientPMmachine[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(13):129-134.NiuShuang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