永磁同步风力发电机设计模型优化

从6.2节关于永磁电机转子结构分类可知，按照不同的分类方法可以将永磁电机磁路结构进行分类。直驱式永磁同步风力发电机几乎都采用径向磁路结构，这也是本书讨论的重点内容。

1.磁路计算

图6-37　永磁同步发电机磁路示意图

由于永磁体在电机中除了起到磁源的作用外还是磁路的重要组成部分，由永磁体产生的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸以及电机运行状态而变化，因此永磁电机磁路计算比电励磁电机复杂。为了简化分析计算，目前工程上仍然采用“场化路”的磁路计算方法，将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化为等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路上磁通沿截面和长度均匀分布，进而将磁场的计算转化为磁路的计算。几种常规磁路的永磁电机已经存在非常成熟的磁路计算方法，并且计算的结构经过某些修正后能很好地满足工程计算的精度要求。下面釆用“场化路”的等效法进行磁路计算，永磁电机磁路计算的基础理论在参考文献［28］中有非常详细的阐述。

图6-37为一典型4极径向磁通交流永磁同步发电机半模型剖面图，其中φg、φσ分别为永磁体的主磁通和漏磁通，rr、rg和rs分别为电机转子内孔半径、定子内圆半径和定子外圆半径，hm和τm分别为永磁体的厚度和宽度，bt、hs分别为定子平均齿宽、槽高，hys和hyr分别为定子轭部和转子轭部高度，τp为极距。

永磁同步发电机磁路计算的主要目的是确定永磁体所产生的空载磁通的大小，并由此计算气隙磁密、定子齿部、轭部磁密和转子轭部磁密的大小，最后确定在定子绕组中感应的空载电动势。

直驱式永磁同步风力发电机的频率f、极对数p、转速n之间的关系f=pn/60，极距为τp=πDi1/2p。

则永磁体宽度τm为

式中　αp——永磁体的机械极弧系数；

Di1——定子铁芯气隙处直径。

永磁体产生的气隙磁密幅值为［29］

式中　Bg——永磁体气隙磁密幅值；

Br——永磁体剩磁；

μr——永磁体相对磁导率；

geff——永磁同步发电机的有效气隙长度。

其中，永磁同步发电机geff为

式中　kc——气隙系数；

g——永磁同步发电机机械气隙长度。

如果近似认为气隙磁密波形为矩形波，则基波幅值为

其中

式中　Kf——气隙磁密的波形系数。

气隙磁通为

式中　αi——计算极弧系数；

Lef——永磁同步发电机的有效铁芯长度。

气隙基波磁通为

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其中

式中　Kφ——气隙磁通波形系数。

电机的定子齿部磁密，定子、转子轭部磁密为

式中　Bt1——定子齿部磁密；

Bj1、Bj2——定、转子轭部磁密；

t1——定子齿距；

KFe——铁芯叠压系数；

L1和L2——定、转子铁芯长度。

相空载电动势有效值为

式中　f——发电机频率；

Kdp——定子绕组系数；

N——定子绕组每相串联匝数；

Kφ——气隙磁通波形系数。

式（6-23）～式（6-26）构成了直驱式永磁同步风力发电机的磁路计算模型。从磁路计算模型中可以看出，永磁体的尺寸，即永磁体的厚度hm和宽度τm以及气隙的长度g对磁路设计的影响最大。因此在进行磁路设计和调整时，应该合理选择永磁体的尺寸和气隙长度，然后再调整其他参数，如发电机槽型尺寸和绕组匝数等，使各部分磁密和磁通值达到设计要求。

2.直驱式永磁同步风力发电机的参数计算

直驱式永磁同步发电机的参数主要包括电抗参数和电阻参数，电抗由电枢反应电抗和漏电抗组成，其中电枢反应电抗为

式中　μ0——空气磁导率。

漏电抗Xl由槽漏电抗Xss、端部漏电抗Xse、谐波漏电抗Xsd以及斜槽漏电抗Xsk构成，表达式为

式中　∑λ——各种漏电抗的总比漏磁导。

永磁同步风力发电机的电抗参数为

永磁同步风力发电机相电阻R1为

式中　Lav——线圈半阻长度；

a——并联支路数；

ACu——所用导线的截面积；

ρCu——铜的电阻率。

式（6-27）～式（6-30）构成了直驱式永磁同步发电机参数计算模型。从模型中可以看出，电机绕组匝数对直驱式永磁同步发电机的参数影响最大，设计时应注意合理选取。