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低速永磁风力发电机启动阻转矩计算


《 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            

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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 )
1 1 2 3

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 , 2003 年毕业于沈阳 工业大学电机与电器专 业 ,工 学 硕 士 学 位 , 助 教 。研究方向为永磁电 机设计及控制 。

  Abstract: Starting ResistantMoment ( SRM ) is an important index for designing
of the per anent magnet w ind power generator It effects the starting and low 2speed m . generator . perfor ances of the generator directly B ased on the theory of ferromagnetism , a for2 m . deduced in this paper It is shown that the error betw een the measured value and the . computed value is little. It is valuable to deduce the formula in designing this kind of

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

mula for cmputing the SRM of low 2speed permanent magnet w ind power generator was

  Key words: Low 2speed   Perm anent magnet  W ind power generator   Starting resistant mom ent ( SRM )

1  引言

Form ula for Starti g Resistan tM om en t n of L ow2speed Permanen tM agnet W i d Power Genera tor n
Zhou X ia oyan, Sh i Henan, W ang J in p in g, Tang Renyuan

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 。

2  起动阻力矩产生的原因及减小措
   风力发电机起动阻力矩产生的原因是因为电



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 。

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     低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算

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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 Φ = B m Am = σBδAδ Hm hm = kr H δ δ 式中  B m —— — 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)

σ—— — 漏磁系数
kr —— — 磁阻系数 , 一般为 1. 05 ~1. 45 Bδ —— — 气隙的磁通密度 H —— δ — 气隙的磁场强度 Aδ —— — 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 。

δ — 气隙的长度 —— 同时永磁体和气隙的体积可分别表示为
Vm = Am hm ( 3) ( 4) ( 5)

δ Vδ = Aδ    对于气隙磁场
Bδ = μ H 0 δ

μ — 真空磁导率 式中   0 —— 由式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 得 式
B m Hm Am hm = σkrBδH Aδ δ δ
( a) 径向式结构

考虑式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) , 并整理得 式 式 σkr 2 ( B m Hm ) Vm = B V μ δδ 0
2 即   Bδ = ( B m Hm )

Vm μ 0 Vδ krσ
[3 ]

( 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
2

BδH Bδ δ F = Aδ = Aδ

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

2

μ 2 0

( 7)

将式 ( 6 ) 代入式 ( 7 ) 中并整理得
F = ( B m Hm ) C0 ( B H ) m ax Vm

   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 。

1 = δ 2 krσ 1 δ 2 krσ
( 8)

Vm

式中  C0 —— — 磁能利用经验系数 , 一般取 0. 12 ~
0. 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 = bm l hm m ( 9) ( 10 )

α Ft = ksk kF F co s
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 m in - 1 . 极数 起动 计算值 /N. m 阻力 实测值 /N. m 偏差 / 矩
1# 3 750 8 5. 5 4. 8 14. 6 2# 3 200 12 7. 8 7. 2 8. 33 3# 5 150 16 9. 5 8. 8 7. 95 4# 7. 5 150 16 10. 4 9. 8 6. 12

17

ksk —— — 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 2 2 δ δ kF ≈ 2 = 2
l l m

5# 10 140 20 14. 5 13. 8 5. 07

α cos 可由余弦定理求得 α co s = 其中
L
2

L

2

+H - J 2LH

2

2

= (

D2

2

) +δ

2

+ (

D2

2

)

2

- 2(

D2

2

) +δ

D2

2

θ co s

H = J = D2

D2

2

θ tan
D2

   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 ,满足工程技术的设计要求 。

2

+δ -

θ 2co s

式中  D 2 —— — 永磁电机的转子外径 θ — 转子转动时的转动位移角 —— 通过理论分析可知 , 永磁电机转子所受的最大静 磁力矩产生在转动位移角为磁极所对中心角的一 [4 ] 半时 , 即 π π θ = 1 ?2 = ( 11 ) 2 2p 2p 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 = 2 pFt D2

5  结束语
起动阻力矩是永磁式风力发电机的一个重要 的技术指标 ,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 ( B H ) m ax ( 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

α 2 pKsk KF co s

1 2 Krσ

bm l hm D 2 m

δ

2

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 : 2004 2 2 02 09

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 ,转矩振动达到最小 ,而且避免能量损失 ,从而实现空前的高效率 ; 采用直接绕组法加工定子 绕组和可靠的连接方法 。结构合理 ,耗用原材料少 ,比传统制造节省了大量的原材料 ; 直接风扇无刷电机采用最佳电子 回路组成的电机驱动 2 制器 ,利用脉冲宽度 ,转速可调 (在 10 ~3000 r/m in 的范围 ) , 与集中优选法和振动分析的结果 , 控 设计而成的定子结构安装一起 ,使噪声级最低化 。


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