低速永磁风力发电机的参数分析及优化设计

摘要：文章讨论了低速永磁同步风力发电机的设计特点，为了有效地减少阻力矩，采用分数槽绕组，为减少漏磁通，采用瓦片型和放射状的永磁体安装结构，并重点对结构参数与运行性能之间的内在关系进行了参数分析，为风力发电机本体的优化设计打下基础。在一定安装尺寸的限制下，以电机效率作为优化目标，采用基于混沌理论的最优化算法获取风力发电机的最大输出效率。 　　0引言 　　风力资源是一种清洁、安全和可再生的绿色能源。与传统的同步发电机相比，永磁同步发电机有许多突出的运行性能。它们结构简单、体积小、损耗低、效率高，同时外形和尺寸是可变的等。低速永磁同步发电机是风力资源开发中的重大进步。风力发电机的转速可以通过调整叶片的角度而得到控制。研究表明，永磁电机的电磁性能与每极每相槽数、磁极形状、定子槽数和槽的开口等有直接关系。转矩脉动可以通过多种方法降低，如采用分数槽绕组，本文中所采用的低速永磁同步发电机是分数槽绕组的一个典型应用。 　　本文先用传统的设计方法计算了一个可行的电磁方案，同时得到了一些性能曲线，并对低速永磁同步发电机的设计参数进行了讨论，通过参数分析得到了一些相应变参数下电机的性能曲线。参数分析是为了推演结构参数和运行性能之间的内在联系，这是参数优化的基础。用混沌优化算法对电机的结构参数进行了优化设计。 　　1永磁发电机的基本电磁设计 　　低速永磁发电机的基本电磁设计包括：定子铁心设计、定子绕组设计及转子永磁体设计、转子设计等。为了有效地减少阻力矩，采用了分数槽绕组。为了减少漏磁通，对由稀土永磁体组成的磁极采用了瓦片型和放射状的安装结构。 　　低速永磁发电机的定子结构和传统电励磁电机的相似。根据电励磁电机的理论，采用定子斜槽、转子斜极和分数槽降低由齿槽效应引起的阻力矩。实践证明，采用斜槽是减小阻力矩最有效的方法。每极每相槽数为： 　　其中，Zs为定子槽数；m为绕组相数；p为极对数；a为整数；c/d为不可约分数。 　　低速永磁发电机的转子结构不同于传统的电励磁同步发电机，不能简单地将电励磁电机的绕组换成永磁体，还应考虑磁路的合理配置。由稀土永磁体组成的10个瓦片状的磁极在转子表面构成放射状的结构安排被证明是最佳的。 　　永磁体体积的确定对永磁电机的经济技术指标具有重要意义。额定功率和永磁体体积之间的关系为： 　　其中，PN为发电机的额定功率；R为漏磁系数；Kad为d轴电枢磁势折算系数；KFd为转子磁位相对于d轴电枢磁势的比值；f为频率；KL为电压系数；K<为波形系数；C为永磁体的利用率；(BH)max为最大磁能积。 　　用传统的方法设计可行的电磁设计方案，给出低速永磁同步发电机的主要参数。磁极数为10；转子位置为内转子；同步转速为100r/min；控制类型为AC；额定输出功率为0．6kW；额定电压为380V。基本电磁性能如图1和图2所示。 　　2低速永磁同步发电机的参数分析 　　以发电效率作为电机设计性能考核的主要目标之一。当一些主要的结构参数线性变化时，电机的效率也相应的变化，从而得到了参数分析的结果。 　　2．1参数分析主要结构参数的选择 　　通常，电机常数CA可表示为： 　　其中，D为电枢直径；lef为电枢计算长度；Pc为计算功率；n为转速；Apc为计算极弧系数；KNm为气隙磁场波形系数；Kdp为电枢绕组系数；A为线负荷；BD为气隙磁通密度。显然电机的主要结构参数取决于A和BD。选定A和BD，则D2lef可由(3)式计算出。在选定了比率lef/D后，就可以计算出永磁体的长度和直径，同时可以得到相应的效率，所以选择转子的长度lef和转子的直径D作为主要的分析参数。 　　计算极弧系数Apc的定义式为bi/S，其中bi为极弧长度；S为极距。Apc影响电枢反应的程度，所以Apc也可被选为一个主要的分析参数。 　　永磁体的厚度hM和宽度bM的计算式为： 　　气隙磁通由(4)式和(5)式决定，所以hM和bM也可被选为主要的分析参数。 　　综上，lef、D、Apc、hM、bM可被选为主要分析参数，其变化范围和步长见表1所列。 　　2．2主要参数的单因子及多因子分析 　　主要参数小幅度变化时，输出性能也随着变化，输出效率曲线如图3所示。 　　有许多输出性能随着主要结构参数变化而变化的曲线，本文选用了4条曲线。根据这些数据可以得到随着单变量的效率变化特性，这是参数优化的基础。 　　电机设计中经常需要处理各种矛盾，这主要是指在统一性能指标中，各参数变化导致的性能变化趋势不同，最终的选择是一个折中的结果。多因子分析结果如图4所示，主要是两因子分析。从以上单因子分析和多因子分析结果可以看出，结构参数对电机效率的影响是高度非线性的，从多参数、非线性的计算模型获取理想的设计结果需要高效的智能优化算法。 　　3基于混沌优化算法的优化设计 　　混沌优化算法是一种新的随机搜寻算法，用混沌优化算法对电机的结构参数进行优化设计。基本电磁设计可由一个简单的函数关系式表示，即 　　其中，y为输出性能参数；xi为输入结构参数。 　　为了对永磁发电机进行优化设计，将永磁电机的输出效率作为最优化目标，而主要的结构参数选为独立的输入变量，如转子长度lef，转子直径D，气隙长度D，计算极弧系数Apc，永磁体的厚度hM和永磁体的宽度bM。永磁发电机的优化设计模型可表示为： 　　搜寻空间的选择基于基本电磁设计的结果。通过对参数空间的整体和局部搜寻，得到最优化参数结果。基于混沌的优化流程如图5所示。 　　由混沌最优搜寻算法得出的结果见表2所列。最终结果倾向于最佳优化目标，且考虑了实际的制造能力。表中，W为全局搜索；L为局部搜索；R为最后的圆整结果。 　　根据表2可以得出，最佳优化结果是一致的，同时也证明了最佳优化结果的有效性。 　　4结束语 　　本文对户用型永磁同步低速风力发电机的主要结构参数选择、参数分析及优化设计进行了阐述，并得出了最优化的设计结果，同时以下方面还需要做进一步研究：¹影响电机经济技术的指标除了结构参数外，还有电机外加激励及整个辅助控制系统，所以完整的优化设计应该是系统的优化技术，这有待于与控制技术一起进行；º优化的好坏取决于电磁计算的准确程度，所以优秀的计算模型是电机优化设计的基础。借助于大量实验数据，获得准确计算模型是优化设计具有实用价值的前提，也是后续研究的方向之一。(何庆领，王群京合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)