低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算

1、中小型电机2005,32(2)低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算15低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算周晓燕,史贺男,王金平,唐任远(1.青岛建筑工程学院,山东青岛266520;2.青岛和力达电气有限公司;3.沈阳工业大学,辽宁沈阳110023)23摘要起动阻力矩是永磁风力发电机设计时的一个重要指标,它直接影响着发电机的起动和低速性能。本文从起动阻力矩产生的原因出发,运用铁磁学的基本原理,推导出低速永磁风力发电机起动阻力矩的具体计算公式。通过和发电机的实测结果比较,其偏差较小,在进行该类发电机的设计时,具有很好的参考价值。关键词低速永磁风力发电机起动阻力矩周晓燕1978年2月生,200

2、3年毕业于沈阳工业大学电机与电器专业,工学硕士学位,助。研究方向为永磁电。FormulaforStentofLtMagnetPowerGeneratorZhouXiaoyan,ShiHenan,WangJinping,TangRenyuanAbstract:StartingResistantMoment(SRM)isanimportantindexfordesigningofthepermanentmagnetwindpowergenerator.Iteffectsthestartingandlow2speedperformancesofthegeneratordirectly.Basedon

3、thetheoryofferromagnetism,afor2mulaforcmputingtheSRMoflow2speedpermanentmagnetwindpowergeneratorwasdeducedinthispaper.Itisshownthattheerrorbetweenthemeasuredvalueandthecomputedvalueislittle.Itisvaluabletodeducetheformulaindesigningthiskindofgenerator.Keywords:Low2speedPermanentmagnetWindpowergenerat

4、orStartingresistantmoment(SRM)上尽可能减小发电机的起动阻力矩。为此,本文对永磁式风力发电机的起动阻力矩进行总结推导,以供设计者们参考之用。1引言随着永磁电机的发展,在中小型风力发电机组中,永磁式风力发电机所占的比重越来越大。起动阻力矩是永磁风力发电机的一个重要指标,它直接影响发电机的起动和低速运行性能。起动阻力矩小,发电机在低速风时便能起动发电,提高风能利用程度;反之,便降低风能利用程度。永磁式风力发电机起动阻力矩的计算,目前尚没有一种非常准确的计算方法,在设计时大多数是凭借经验估计或定性地采取一些措施从理论2起动阻力矩产生的原因及减小措施风力发电机起动阻力矩产生

5、的原因是因为电机中定子和转子磁场相互耦合,气隙中磁贮能的突然改变而产生的定位转矩。考虑到低速永磁式同步发电机的特点,其对外表现为永磁发电机的1静态磁阻力矩。16低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算中小型电机2005,32(2)从理论上讲,减小永磁风力发电机起动阻力矩的措施主要有:定子斜槽、转子斜极以及采用定子分数槽绕组。从实际应用情况来看,采用定子斜槽,工艺上比较容易实现,但效果不明显,而且如果斜槽距离太大,发电机的电气性能会受影响;采用转子斜极,将转子永磁体、磁极扭转一个合理尺寸,工艺上难度较大,而效果也不明显;实践证明,采用分数槽绕组是降低阻转矩最有效的办2法。静态磁路的两个基本方程=B

6、mAm=BAHmhm=krH式中Bm永磁体的磁通密度Hm永磁体的磁场强度Am永磁体截面积hm永磁体磁化方向的长度(1)(2)漏磁系数kr磁阻系数,一般为1.051.45B气隙的磁通密度H气隙的磁场强度A气隙的面积3起动阻力矩计算公式的推导下面从风力发电机的基本结构出发,对起动阻力矩的具体计算公式进行推导。永磁式风力发电机常用的两种结构(切向式和径向式)如图1所示。气隙的长度Vmm(3)(4)(5)=AB=0H式中真空磁导率0由式(1)、式(2)得BmHmAmhm=krBHA(a)径向式结构考虑式(3)、式(4)、式(5),并整理得kr2(BmHm)Vm=BV0即B=(BmHm)Vm0Vkr3(

7、6)由铁磁学基本原理得知作用力F为(b)切向式结构,永磁体对周围磁铁的BHBF=A=A图1永磁风力发电机常用结构1.永磁体2.硅钢片3.轴4.隔磁套5.紧固套20(7)将式(6)代入式(7)中并整理得F=(BmHm)C0(BH)maxVmVm从等效磁路上讲,这两种结构可用图2所示的一种模型来表示。2kr2kr=(8)式中C0磁能利用经验系数,一般取0.120.15针对实际的永磁电机中,结合图2所示的模型,有以下关系Vm=bmlmhm(9)(10)Ft=kskkFFcos图2永磁发电机等效模型图1.定子2.气隙3.转子极4.轴式中bm永磁体的宽度l永磁体的轴向长度,通常等于永磁m因为起动阻力矩发

8、生在转与不转的瞬间,由电机的转子铁心长度l中小型电机2005,32(2)低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算表1计算值与实测值比较样机额定容量/kVA额定转速/r.min-1极数起动计算值/N.m阻力实测值/N.m偏差/1#375085.54.814.62#3200127.87.28.333#5150169.58.87.954#7.51501610.49.86.1217ksk斜槽因数kF转子转动时力F的修正系数,可由库仑力定律近似确定22kF2=2llm5#101402014.513.85.07可由余弦定理求得cos=cos其中L222LH22=D22)+2+D22)2-2D22)+D22c

9、osH=J=D2D22tanD2从上表中可以看见,在永磁风力发电机的极数较多、转速较低时,计算值和实测值之间较为接近,其偏差均在10以内;而在极数少、转速较高时偏差较大。因为采用风轮直接驱动的永磁风力发电机的转速较低,设计时需要尽可能地增加极数以满足其性性能指标,因此,该计算式对于低速永磁风力发电机而言,。2+-2cos式中D2永磁电机的转子外径转子转动时的转动位移角通过理论分析可知,4半时,即=(11)22p2p式中P电机的极对数至此,我们可以得出永磁风力发电机起动阻力矩的计算公式T=2pFtD25,本文从铁磁学原理出发,推导出其具体的计算公式。试验结果告诉我们,该公式对风轮直接驱动的低速永

10、磁风力发电机来说,具有很好的参考价值。当然,该公式在计算精度和适应范围等方面,还有等于我们作进一步的探讨。参考文献1郁薇英等.小型永磁式风力发电机设计之研究.电机2=C0(BH)max(12)技术,1990(2).2唐任远等.现代永磁电机理论与设计.机械工业出版2pKskKFcos2KrblhD2社,1997.3钟文定.铁磁学(中).科学出版社,1992.4周朝纪.圆筒形磁力联轴器最大静磁力矩计算.水泵4计算值与实测值比较利用现有的几台永磁发电机,对上述推导出的计算公式进行验证,其计算值与实测值如表1所示。技术,1997(4).收稿日期:2004202209小天鹅联手富士通打造节能微特电机基地富士通是日本著名的企业集团,在通信、电子等领域拥有世界领先技术;小天鹅集团是中国著名的白色家电企业,从事白色家电及零部件生产、销售,洗衣机销量居世界第三位。两集团在空调、微电脑控制器产品上有着良好合作关系。此次双方合作创建的江苏富天江电子电器有限公司,主要从事电机制造,标志着双方合作进入一个崭新阶段。富天江生产的直接风扇无刷电机转子采用工程塑料为框架,用磁粉注射成型的永磁铁,使磁通量密度最优化的转子;理想化的定子铁心形状,转矩振