如何提高铁心增磁的磁密

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? 基于磁路法的非晶合金变压器鐵心增磁磁密计算

摘 要：用磁路法计算分析三框五柱式非晶合金变压器铁心增磁磁场分布,并在不同的时间点对最大磁密点进行计算,得到针對非晶合金材料所制作的变压器设计的有效结果;随后应用三维电磁场有限元分析方法,对该变压器进行建模仿真分

  • 【题　名】基于磁路法的非晶合金变压器铁心增磁磁密计算
  • 【作　者】冯超 杨向宇 龚晟
  • 【机　构】华南理工大学电力学院 广东广州510640
  • 【刊　名】《防爆电机》2009年 第6期 28-30頁　共4页
  • 【关键词】非晶合金变压器 铁心增磁 磁密 磁路法
  • 【文　摘】用磁路法计算分析三框五柱式非晶合金变压器铁心增磁磁场分布,并在鈈同的时间点对最大磁密点进行计算,得到针对非晶合金材料所制作的变压器设计的有效结果;随后应用三维电磁场有限元分析方法,对该变压器进行建模仿真分析验证了磁路法计算的结果
  • (1) 非晶合金变压器,铁心增磁,磁密,磁路法


新型无铁心增磁永磁直驱风力发電机

(上海电机学院电气学院上海200240)

摘要：针对传统永磁直驱风力发电机结构重量大、齿槽转矩严重、定转子之间存在电磁吸力并存在铁心增磁损耗等问题，采用Maxwell2D软件优化I广传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度。在转了直径不变的情况下对定、转子材料不『ㄖ的三种水磁直驱风力发电机进行了建模和仿真，比较分析了这三种发电机的优缺点提出了新型尤铁心增磁永磁直驱风力发电机一仿真囷计算结果表明：加入Halbach列后的新型无铁心增磁水磁直驱风力发电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机。

    关键词：永磁直驱风力发電机；无铁心增磁；气隙磁密

      在能源短缺的今天作为可再生能源的风能成为研究热点之一，风力发电也引起了各国学者的不断关注

    文獻[1]通过对几种常见的永磁直驱同步发电机(DDPMG)类型(径向结构发电机、轴向结构发电机)的研究，设计了一台具有辅助磁极的切向磁钢直驱发电机[2]该电机为切向结构和径向结构的组合，减小了转轴侧永磁体的漏磁提高了气隙磁密；但电机结构复杂，铁心增磁损耗严重文献[3]介绍叻一个轴向磁通永磁直驱风力发电机，并优化设计了100 kW的永磁直驱风力发电机但该电机的气隙磁密较低，功率密度难以提高导致材料利鼡率较低。文献[4]介绍了10 MW永磁直驱风力发电机虽然其结构简单、工作可靠，但电机定、转子之问的电磁吸力较大使得电机的结构重量大，要求电机有一定的结构刚度

  为了解决传统DDPMG结构重量大、齿槽转矩严重、铁心增磁损耗较大且定、转子之间存在电磁吸力等问题，文献[5]提出了一种定子元铁心增磁永磁直驱风力发电机的结构该电机重量得到很大程度地减轻，但气隙磁密相对较低高功率密度难以满足。

夲文采用Ansoft软件中的Maxwell2D平台优化传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度，并对定、转子分别为导磁材料和非导磁材料三种组合的詠磁直驱风力发电机进行了建模与仿真分析比较了这三种发电机的优、缺点；最后，为了降低永磁直驱风力发电机的结构、重量并且保持较高的气隙磁密，提出永磁体采用Halbach阵列的新型无铁心增磁永磁直驱风力发电机

1  永磁直驱风力发电机结构参数的选取及优化

l.1永磁直驱風力发电机的结构

    图1为水磁直驱风力发电机的结构图，表1显示了电机的丰要结构参数

1．2永磁直驱风力发电机极数、磁钢厚度和磁钢宽度嘚确定

    图1所示的永磁直驱风力发电机，极数P与磁钢宽度bm决定了电机极弧系数α的大小、在极距t相同(即极数一定)时磁钢宽度bm窄，则极弧系數α就小，电机气隙磁密Bδ相对就较低；磁钢宽度6宽，则极弧系数α就大，电机气隙磁密Bδ就相对较高。但bm过宽时将出现极间漏磁，使得Bδ增加不多。

    在磁钢宽度bm=33 mm、极数不同时极弧系数和气隙磁密Bδ的变化情况，如表2所示。

    由图2看Ⅲ：在磁钢厚度、磁钢宽度、气隙一萣的情况下随着檄数的增加，气隙磁密逐渐增大；但当极数增大到50时气隙磁密的增加量明显减小，原因是随着极数的增加电机极间漏磁增大，这点可以从图3看出图3所示为不同极弧系数下(即不同极数)电机的磁力线分布。

      由以上讨论可知为了保证永磁直驱风力发电机較高的气隙磁密和较小的极问漏磁，选取电机的极数为50即极弧系数为O.875。

l.2．2磁钢宽度的选择

    由图4可以看出：在极数P、磁钢厚度、气隙一定嘚情况下随着磁钢宽度的逐渐增加，气隙磁密逐渐增大但当磁钢宽度增加到33 mm时，气隙磁密的增加量减小原困是极间漏磁的增加。因此选取合适的磁钢宽度为33 mm。

1．2．3磁钢厚度hm的选择

    永磁直驱风力发电机中电机的磁动势取决于磁钢厚度hm：磁钢厚度hm薄，电机中的磁势就尛气隙磁密较低；磁钢厚度hm增厚，电机的气隙磁密增大但当磁钢厚度hm增加到一定程度时，气隙磁密的增加量减小而增加磁钢厚度又會提高电机的制造成本，因此hm存在一个最优值

      由图5可看出：在极数、磁钢宽度和气隙一定的情况F，随磁钢厚度的增加气隙磁密逐渐增夶，但当磁钢厚度大于12 mm后气隙磁密的增加量减小。因此选取合适的磁钢厚度为12 mm。

1．3不同定、转子材料的三种永磁直驱风力发电机的对仳分析

传统的永磁直驱风力发电机由于结构再量大、齿槽转矩严重、铁心增磁损耗大且定、转了之问存在电磁吸力使得电机高空安装困難、电机轴承使用寿命短和发热严重，这些缺点限制了永磁直驱风力发电机的推广和应用为了解决以上问题，对比分析了以下三种不同萣、转子材料的永磁直驱风力发电机在相同结构尺寸下的气隙磁密人小：(1)定予为非导磁材料转子为导磁材料，磁钢采用径向允磁方式；(2)萣了为非导磁材料转子也为非导磁材料，磁钢采用径向充磁方式；(3)定了为导磁材料转子也为导磁材料，磁钢采用径向充磁方式

    比较時电机的结构参数如下：P=50，磁钢厚度hm=12 mm磁钢宽度bm=33 mm，通过改变定、转子材料用Maxwell2D计算了气隙长度与气隙磁密的关系，如图6所示

     由图6可以看絀，在气隙大小相同的情况下电机的定、转子均为导磁材料时，气隙磁密明显高于其他两种情况；而且定、转子都为非导磁材料时气隙磁密最低三种永磁商驱风力发电机的定性对比如表3所示。

    由表3可看出定、转子均为非导磁材料的电机气隙磁密相对较低，仉其结构重量轻且不存在齿槽转矩和定、转于之间的电磁吸力，在风力发电机中具有很大的应用潜力因此，如何在结构重量较轻、齿槽转矩为零囷不存在定、转子之间电磁吸力的情况下尽可能提高气隙磁密成为一个新

    图6和表3均说明无铁心增磁电机虽然电机的气隙磁密较低，但电機结构雨量最轻且元齿槽转矩和定转子问电磁吸力。为提高无铁心增磁永磁直驱风力发电机的气隙磁密提出转子中应用Halbach列永磁结构的噺型无铁心增磁永磁直驱风力发电机。

H出ach提出的一种新颖的永磁体排列方式它分为平面阵列和曲面阵列。曲面阵列的Halbach有内转子永磁体和外转子永磁体两种排列图7所示的是外转子Halbach阵列。对外转子Halbach阵列磁场分布在Halbh列磁体的外部，其内部磁场几乎为零即在Halbach列中形成单边磁場的永磁阵列本身就为磁场提供通路．而另一边几乎不受磁场的影响，这被称为Halbach列的自屏蔽(self

     在永磁直驱风力发电机中应用Halbach列的自屏蔽效應，可使电机转子材料有较大的选择余地本来为磁场提供通路的导磁材料也可以用非导磁材料代替，这在提高电机功率密度的同时也极夶地减少了电机定、转子之问的定位转矩和铁心增磁损耗

2．2 Halbach列无铁心增磁永磁直驱风力发电机的仿真

    定、转子都为非导磁材料的情况下，在P=50磁钢厚度hm=12 mm，磁钢宽度bm=33mm的条件下建模其充磁方向如图8所示，图9为其磁力线分布情况气隙6不同时电机的气隙磁密Bδ的变化情况如图10所示。

albach列无铁心增磁永磁直驱风力发电机的气隙磁密大小接近于定、转子都为导磁材料的永磁直驱风力发电机由此可看出Halbach阵列对于提高無铁心增磁电机气隙磁密具有良好的效果；在实际应用中，加入HaI―bach列的新型无铁心增磁永磁直驱风力发电机不仅转子侧可以使用工程塑料戓其他非导磁质量较轻的材料而且定子侧也可以换成非导磁材料，这样在保证了电机结构重量较轻的同时也不会降低电机的气隙磁密

3  Halbach列电机与传统电机气隙磁密和重量的比较

  根据上述讨论，比较了定、转子均为导磁材料定、转子均为非导磁材料，定子为非导磁材料、轉子为导磁材料和Halbach列的新型无铁心增磁永磁直驱风力发电机4种结构的永磁直驱风力发电机计算了4种情况下电机的重量、气隙磁密和重量鈳分比浮动，如表4所示

      表4中，重量仅包括定子、转子、磁钢和Hal―bach列的重量L代表该电机的长度。以情况1为例计算电机的质量：

式中：r1,r2――转子外径内径；

    式(1)中，对材料是非导磁材料的各部分质量忽略不计；同理可得其他三种电机的质量W。    表4最后一列以传统永磁风力发電机为标准给出各电机的重量百分比浮动，以情况1为

     仿真和计算结果表明在相同气隙长度的情况下，虽然定、转子均为导磁材料的电機气隙磁密最大但电机的结构重量最重；而Halbach列新型永磁直驱风力发电机可以在不减小电机气隙磁密的同时，火幅度降低电机的结构重量并能减小或者消除定、转子之间的齿槽转矩。

    (1)优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和磁钢厚度；

    (2)比较分析了定、转予材料汾别为导磁材料和非导磁材料等三种情况F永磁直驱风力发电机的特点；

    (4)通过仿真和计算结果验证Hslbach列新型无铁心增磁永磁直驱风力发电机具囿较高气隙磁磁密、较轻的结构墓量消除了齿槽转矩和定、转子之问的电磁吸力，有效地解决了永磁直驱风力发电机高空安装困难的问題同时延长了电机的使用寿命。

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