吾爾開西·艾尼瓦爾，　何　山，　王維慶，　文　龍，　余　金

(1. 新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830049；2. 新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊　830049)

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基于Halbach陣列的大型永磁風力發(fā)電機電磁場分析*

吾爾開西·艾尼瓦爾1,2，何山1,2，王維慶1,2，文龍1,2，余金1,2

(1. 新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830049；2. 新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊830049)

采用Maxwell 2D有限元軟件建立了傳統(tǒng)陣列與Halbach陣列的1.5MW外轉(zhuǎn)子永磁風力發(fā)電機的2D模型。在轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁材料的情況下，分別對三種不同充磁方式、三種不同永磁體結(jié)構(gòu)的發(fā)電機進行了氣隙磁場的對比研究。通過快速博里葉分解(STFT)得出了基波與高次諧波幅值，提出了Halbach陣列大型永磁風力發(fā)電機新的設(shè)計思路，以達到減輕電機重量、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省成本的目的。

Halbach陣列； 永磁風力發(fā)電機； 電磁場； 諧波

0　引　言

風力發(fā)電機的研究引起了人們的廣泛關(guān)注，與勵磁同步發(fā)電機相比永磁電機具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點，采用永磁體勵磁，省去勵磁繞組，大大減少了勵磁損耗，故障率明顯減少，可達到提高效率與可靠性的目的[1-5]。

傳統(tǒng)陣列永磁風力發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩波動頻率較大，氣隙磁密接近方波，含有大量高次諧波，造成發(fā)電機絕緣容易損壞、繞組發(fā)熱、增加附加損耗，從而影響發(fā)電機的使用壽命。Halbach陣列一側(cè)具有較好的聚磁效果，另一側(cè)磁通較小，從而使轉(zhuǎn)子軛采用非導(dǎo)磁材料成為可能，可使電機重量大大減輕，成本降低。氣隙磁密波形的正弦性較好，無需轉(zhuǎn)子斜極或定子鐵心斜槽工藝來改善氣隙磁密波形，可有效地降低制造成本和安裝難度，獲取較好的功率密度及較高的效率，減少齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機噪聲和振蕩[6-11]。目前，Halbach陣列在大型外轉(zhuǎn)子永磁電機的研究成果很少。

文獻[12-13]提出了Halbach陣列的優(yōu)點，提供了Halbach陣列電機的設(shè)計思路，總結(jié)了Halbach陣列永磁電機的貢獻。文獻[14]對傳統(tǒng)陣列永磁電機的極對數(shù)、永磁體厚度與寬度進行了優(yōu)化。在參數(shù)固定的情況下，對定、轉(zhuǎn)子軛材料不同的永磁電機進行仿真，最終提出了新型無鐵心永磁風力發(fā)電機，并與傳統(tǒng)電機的氣隙磁密和重量進行了比較，但沒有進行諧波分析。文獻[15]研究了6極無齒槽Halbach陣列電機，分析了每極磁鋼下塊數(shù)變化對氣隙磁密的影響，得出了最優(yōu)塊數(shù)，但塊數(shù)分得太多，增加了安裝難度，在工程應(yīng)用中難以實現(xiàn)。文獻[16]分析了Halbach伺服電機在極間隔、塊間隔、無間隔情況下，電機參數(shù)對氣隙磁密的影響，并提出最優(yōu)Halbach陣列電機結(jié)構(gòu)，通過增加永磁厚度達到了提高氣隙磁密的目的。文獻[17]建立了Halbach永磁發(fā)電機的有限元模型，通過與傳統(tǒng)陣列徑向磁密的比較，總結(jié)出Halbach陣列永磁電機的優(yōu)越性，但建立的模型是Halbach結(jié)構(gòu)8極小容量外轉(zhuǎn)子發(fā)電機，而且只對氣隙磁密進行了比較。

本文在RMxprt環(huán)境下完成1.5MW外轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)陣列永磁直驅(qū)電機的建模，并進行參數(shù)化分析，找出最優(yōu)的電機參數(shù)。利用Maxwell 2D有限元軟件建立傳統(tǒng)陣列與Halbach陣列大型外轉(zhuǎn)子永磁風力發(fā)電機模型并進行電磁場分析。最終驗證Halbach陣列的優(yōu)越性。

1　Halbach陣列

Halabch陣列是由徑向和切向充磁永磁體互相交替排列來加強單邊磁通量的一種新型陣列。根據(jù)Halbach陣列電機實現(xiàn)聚磁分布的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)磁場分布如圖1所示。

內(nèi)轉(zhuǎn)子Halbach陣列結(jié)構(gòu)的聚磁效果主要在環(huán)形永磁體外側(cè)，而外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則恰恰相反。根據(jù)風力發(fā)電的特點，本文采用了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖1　Halbach陣列磁場分布

Halbach陣列永磁體的充磁方向必須滿足方程式：

θm=(1±p)θi

(1)

式中：θm——每塊磁鐵磁化方向；

p——極對數(shù)；

“±”——應(yīng)用于內(nèi)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；

θi——X坐標與任意一點之間的角度。

理論上，每極下永磁體塊數(shù)越多，氣隙磁密就越正弦，目前，研究較多的是每極兩塊的90°陣列、每極3塊的60°陣列和每極4塊的45°陣列。

2　有限元模型

2.11.5MW永磁風力發(fā)電機的基本參數(shù)

為了驗證Halbach陣列應(yīng)用在兆瓦級永磁風力發(fā)電機上的可能性，首先在RMxprt環(huán)境下建立額定容量PN為1.5MW，功率因數(shù)cosφN為0.9，額定電壓UN為690V的永磁風力發(fā)電機的模型。經(jīng)過一系列參數(shù)優(yōu)化，最終確定了外轉(zhuǎn)子永磁風力電機的基本設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1　電機參數(shù)

2.2建模

由于電機模型的對稱性，為了縮短建模與仿真時間，本文建立了1/8局部模型，如圖2所示。

3　仿真與分析

3.1三種充磁方式的氣隙磁密仿真分析

為了對比方便，分別建立了極弧系數(shù)為1的

圖2　永磁風力發(fā)電機模型

傳統(tǒng)充磁、Halbach充磁和理想充磁(正弦函數(shù)充磁)方式永磁風力發(fā)電機的有限元模型,并進行轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料情況下的氣隙磁場分析。圖3是轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料情況下，三種充磁方式的氣隙磁密波形的對比。很明顯，Halbach充磁方式的氣隙磁密波形接近于正弦波。

圖3　三種充磁方式下，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料時氣隙磁密波形

由表2、表3可知，當轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料，極弧系數(shù)為1時，Halbach陣列的氣隙磁密幅值比傳統(tǒng)陣列高13.7%，諧波含量減少18.19%，而理想充磁的氣隙磁密幅值比傳統(tǒng)電機高19.33%，諧波含量減少24.56%。另外，Halbach陣列電機的轉(zhuǎn)子軛為非導(dǎo)磁材料時，仍然可以產(chǎn)生較高的氣隙磁密，比采用導(dǎo)磁材料時只降低了3.64%，而傳統(tǒng)電機則降低了10%。

表2　三種不同充磁方式下，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、

通過快速博里葉分解得出了三種不同充磁方式下，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料的氣隙磁密基波和3、5、7、9次等諧波分量所占比例，如圖4所示。諧波含量百分比計算方程式為

表3　三種不同充磁方式下，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料時諧波含量　%

(2)

式中：ai——第i次諧波的峰值；

a1——基波的峰值。

圖4　三種充磁方式的諧波分析

通過仿真可見，Halbach充磁方式的氣隙磁密波形接近于理想充磁方式，諧波含量很少。另外，轉(zhuǎn)子軛為非導(dǎo)磁材料，也適用于Halbach陣列外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁風力發(fā)電機。

3.2三種不同永磁體結(jié)構(gòu)電機的對比研究

通常大型永磁風力發(fā)電機的極弧系數(shù)為0.6～0.8，因此，對極弧系數(shù)小于1的Halbach陣列永磁電機進行仿真分析很有必要。本文對極弧系數(shù)為0.7的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、Halbach陣列極間隔、Halbach陣列塊間隔結(jié)構(gòu)進行建模，并進行仿真對比。三種不同永磁體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　三種不同永磁結(jié)構(gòu)

圖5(a)是極弧系數(shù)為0.7的傳統(tǒng)陣列徑向充磁永磁結(jié)構(gòu)，圖5(b)是Halbach陣列極間隔結(jié)構(gòu)，圖5(c)是Halbach陣列塊間隔結(jié)構(gòu)。對轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料的三種不同結(jié)構(gòu)電機進行仿真，得到的氣隙磁密波形如圖6(a)～圖6(c)所示。

圖6　三種永磁結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料的氣隙磁密波形

由圖6可見，極弧系數(shù)為0.7且轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料時，Halbach極間隔和塊間隔結(jié)構(gòu)電機的氣隙磁密幅值較低，諧波含量高，氣隙磁密波形不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從氣隙磁密幅值來看，圖5(a)結(jié)構(gòu)高于圖5(b)結(jié)構(gòu)14.1%，高于圖5(c)結(jié)構(gòu)9.55%。轉(zhuǎn)子軛為非導(dǎo)磁材料時，Halbach陣列表現(xiàn)出優(yōu)勢，傳統(tǒng)陣列氣隙磁密幅值降低23.66%時，Halbach陣列只降低7.2%，而且圖5(c) 結(jié)構(gòu)的氣隙磁密幅值高于圖5(b)結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料時的氣隙磁密和諧波含量如表4、表5所示。

表4　三種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料時氣隙磁密

表5　三種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料時諧波含量　%

由表5可見，當轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料時，圖5(b) 結(jié)構(gòu)和圖5(c)結(jié)構(gòu)的諧波含量都高于圖5(a)結(jié)構(gòu)。當轉(zhuǎn)子軛為非導(dǎo)磁材料時，圖5(a)結(jié)構(gòu)與圖5(b)結(jié)構(gòu)都存在諧波含量升高的趨勢，與此同時，圖5(c)結(jié)構(gòu)的諧波含量減小并小于圖5(a)、圖5(b)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，Halbach塊間隔結(jié)構(gòu)電機適于轉(zhuǎn)子軛采用非導(dǎo)磁材料。轉(zhuǎn)子軛采用非導(dǎo)磁材料，可以節(jié)省鐵軛成本，但導(dǎo)致氣隙磁密下降，為了提高磁密，必須要加厚永磁體，永磁體較貴，成本會增長。總之，極弧系數(shù)0.7不太適用于Halbach陣列。

4　永磁體的優(yōu)化

為了解決成本問題，本文提出了一種新的思路，并進行仿真分析。由于極弧系數(shù)為1的Halbach陣列永磁電機的轉(zhuǎn)子軛無論采用導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料，氣隙磁密波形和諧波含量都比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)好，因此，保持極弧系數(shù)為1。本文建立的極弧系數(shù)為0.7的傳統(tǒng)陣列電機的永磁體厚度是20mm，總重量是1091.52kg，為了保證永磁體重量保持不變，并得到極弧系數(shù)為1的Halbach陣列永磁電機，永磁體厚度減少30%，變?yōu)?4mm。該電機氣隙磁密波形如圖7所示。

由圖7與圖6(a)可見，永磁體用量一定，極弧系數(shù)為1的Halbach陣列永磁電機，磁密波形正弦性比極弧系數(shù)為0.7的傳統(tǒng)陣列好得多。

圖7　極弧系數(shù)為1，Halbach陣列轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料時氣隙磁密

表6總結(jié)了兩種結(jié)構(gòu)電機的轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料時氣隙磁密的變化趨勢。由表7可見，Halbach陣列的永磁電機轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料時，都比傳統(tǒng)陣列永磁電機諧波要小，不但節(jié)省轉(zhuǎn)子材料的成本，而且減小了定、轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑，使電機體積更加緊湊，方便運輸與安裝。

表6　兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料時氣隙磁密　T

表7　兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁、非導(dǎo)磁材料的諧波含量　%

5　結(jié)　語

(1) Halbach陣列具有較好的屏蔽與聚磁作用，使大型永磁風力發(fā)電機的氣隙磁密波形接近正弦，諧波含量減少。

(2) 當轉(zhuǎn)子軛為導(dǎo)磁材料時，Halbach陣列采用極間隔及塊間隔結(jié)構(gòu)，氣隙磁密幅值與諧波含量不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當轉(zhuǎn)子軛采用非導(dǎo)磁材料時，優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)子軛采用非導(dǎo)磁材料成為可能，可減輕重量、降低成本。

(3) 在永磁體用量一定的條件下，調(diào)整永磁體厚度來制造極弧系數(shù)為1的Halbach陣列發(fā)電機，可以采用更少的永磁體產(chǎn)生與傳統(tǒng)陣列相同的氣隙磁密，并且諧波含量更少，減少振動與噪聲。

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Electromagnetic Field Analysis of High Capacity Permanent Magnet Wind Power Generator Based on Halbach Array*

WUERKAIXI·Ainiwaner1,2，HEShan1,2，WANGWeiqing1,2，WENLong1,2，YUJin1,2

(1. College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830049, China;2. Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power Generation and Grid Technology, Xinjiang University, Urumqi 830049, China)

Using Maxwell 2D finite element software to establish the traditional array and Halbach array of 1.5MW out rotor permanent magnet wind turbine generator 2D model. Under the condition of rotor yoke as magnetic materials and non conducting magnetic material， respectively to three different magnetizing methods, three kinds of different permanent magnet structure for the comparative study of air gap magnetic field, by fast fourier decomposition showed the fundamental and harmonic amplitudes. The new design idea of Halbach array high capicity permanent magnet wind power generator was put forward, which could achieve the purpose of reducing the weight of the motor, more compact and saving manufacturing cost.

Halbach array； permanent magnet wind power generator； electromagnetic field； harmonic

國家自然科學(xué)基金項目(51267017，51367015)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金新教師類資助課題(20136501120003)；教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT1285)

吾爾開西·艾尼瓦爾(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為可再生能源及其控制技術(shù)。

何山(1974—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為可再生能源及其控制技術(shù)。

TM 315

A

1673-6540(2016)08- 0068- 05

2016-03-02