磁齿轮传动永磁同步风力发电机分析仿真研究

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1、磁齿轮传动永磁同步风力发电机分析仿真研究摘要：为克服传统永磁同步风力发电机中齿轮增速装置存在机械磨损和噪音等问题，分析研究了一种磁齿轮传动永磁同步风力发电机。利用Ansoft软件建立了电机的二维有限元结构模型，计算其磁场分布，分析了电机的气隙磁密、感应电动势和电磁转矩等电磁特性。结果表明，磁齿轮传动永磁同步发电机具有较好的转矩传输比，可靠性较高，适合在风力发电系统中应用。关键词：磁齿轮传动永磁电机风力发电Ansoft0引言风能是一种安全、清洁并储量巨大的可再生能源。目前，风力发电已成为风能利用的主要形式，受到川:界各国的

2、高度重视，发展速度迅速。目前，风力发电机组中齿轮箱造价高，且由于机械齿轮存在一定的机械磨损、噪音、需定期维护的问题。因此，为了克服齿轮增速装置的机械摩擦损耗、振动和噪声等缺点，国内外开展了磁齿轮的相关研究［

3、］。磁齿轮工作时两个齿轮空间上分离，依靠磁场耦合作用传递动力。相比传统机械齿轮有很多优点［241:齿轮间无接触、无摩檫损耗，其传动效率高；无需润滑，减少维护；当负载过载时，其自身还具有保护能力［5*61。磁场调制式磁齿轮是一种高性能的磁齿轮161，其主要依靠调磁环对磁场的调制作用，内、外转子为同心式结构，在转矩传递过

4、程中所有的永磁体都参与转矩传递，因此转矩密度、传动比和永磁体的利用率较传统磁齿轮都得到了很大的提高12,3］,调制式磁齿轮具有更加广泛的应用前景。为了克服风力发电系统屮机械齿轮的振动、噪声等问题，本文设计分析了一种磁齿轮传动永磁冏步风力发电机，将调制式磁齿轮和外转子永磁电机耦合在一起，充分利用磁说轮的优点，提高电机效率和运行可靠性。木文在原理分析的基础上，建立磁Mi•轮传动永磁同步发电机二维有限元结构模型，计算和分析了电机空载时的磁场分布、电磁特性，所得结果为研制磁齿轮传动永磁风力发电机提供了必要的理论依据。1电机设计1

5、.1电机结构图1为磁齿轮传动永磁同步风力发电机的结构图，电机屮转轴、定子铁芯、定子绕组、永磁体、高速内转子、调磁极块和低速外转子组成。图2给出了采用磁齿轮作为传动的永磁同步风力发电系统组成图。磁齿轮的外转子与风力机M轴安装，永磁同步发电机的外转子和磁齿轮的内转子耦合在一起，经过磁齿轮凋磁极块的磁场凋制作用，使发电机外转子和磁齿轮内转子实现步高速旋转，发电机定子填充了磁齿轮内转子屮剩下的空间，构成了磁齿轮传动永磁同步风力发电机，因此它同时眞有永磁同步发电机和磁齿轮的特性。低速外转永磁定子发电机外转子调磁极块髙速内转子发电机

6、内定子Ib调磁极块磁齿轮内转子磁齿轮外转子图1电机结构图图2磁齿轮传动风力发电系统组成图1.2磁齿轮图3所示为磁场调制式磁齿轮结构示意图。它主要由4部分构成：①具有ph对磁极的高速闪转子；②具有^对磁极的低速外转子；③由Ns片高导磁材料调磁极块和非导磁材料交错组成的调磁环(Ns=p,1+Pl)；④气隙(调磁环与内、外转子间的间隙，包括内气隙及外气隙)。根据文献[3][5]可知，调制式磁齿轮是利用其调磁环对高速内转子及低速外转子上的永磁体所产生的磁场调制作用，使所调制的磁场空间谐波数目相互匹配，致使内、外永磁转子按—定的传

7、输比相互作用。具有p对磁极的转子以速度t旋转吋，永磁体所产生的磁场经过静止的调磁环调制后，在气隙屮形成一个空间分布磁场。该气隙磁场所包含的谐波数H可表示为P>n,k=mp+kNs(1)式中，p为转子的极对数；Ns为调磁铁心的块数；m二1，3,5,…，co;々=0,±1，±2,…，土°°o磁通密度空间谐波的旋转速度为⑺mp+kNsmp+kNs式中，Q为其中任一个转子的旋转速度；为调磁环的旋转速度。从(1)(2)两式可以分析磁通密度的空间谐波分布和旋转速度，进而得出磁齿轮传动装置的传输比。由式(2)可以肴出，由丁调磁极块

8、的引入，即k矣0,经过调磁环调制的气隙磁通密度空间谐波的旋转速度，是不M于永磁体所在的转子的转动速度的。W此，耍在不同的转速下传递转矩，另一个永磁体转子的极对数就必须等于k#0时的一个空间谐波的极对数。因为⑺二丨上二―！时，可以产生除基波之外的幅值最大的空间谐波，那么另一个转子的极对数就必须等于Ns_p。此时调磁环静止不动时(即Qs=0),可以得出磁齿轮的传输比为N=h(3)P本文设定磁齿轮高速内磁极对数为4,低速外转子永磁体对数为23,调磁极块数为27,传输比为5.75。永磁体高速内转子低速外转子_调磁极块图3磁齿轮结

9、构图4永磁同步发电机定、转子结构图根据风力发电场合用电机的运行特点，外转子结构的永磁电机相对T内转子结构永磁电机而言具有更好的通风冷却条件。在相同电机外形尺寸的情况下，采用外转子结构可使发电机具有更大的气隙直径，因而发电机的转矩密度更高，电磁材料用量少。同时，为了尽量增大气隙直径，外转子永磁风力发电机通常采用表而式磁