收稿日期:2009-07-28
基金项目：国家自然科学基金(50807007)；高等学校博士学科点新教师专项科研基金(200802861038)；中国电机工程学会电力青年科技 创新一等资助.
作者简介：花 为(1978-)，男，博士，副教授，主要从事新型永磁电机设计、分析与控制研究;E-m ai:l huaw ei 1978@seu .edu
第24卷第3期2009年9月
电力科学与技术学报
JOURNAL OF EI ECTR I C PO W ER SCI ENCE AND TECHNOLOGY
Vo.l 24N o .3Sep.2009
花 为，张 淦
(东南大学电气工程学院，江苏南京 210096)
摘 要：介绍一种新型绕组连接方式的永磁无刷电机，采用特殊的定子槽/转子极配合，功率密度高，定位力矩小, 适用于小型风力发电系统.以一台三相24/22极样机为例，分析其结构特点和运行原理，并基于有限元法，研究其设计过程.在此基础上，对样机的感应电动势、电磁转矩、输出功率、效率等进行实验验证.结果表明：该种电机在无需斜槽或斜极的条件下，采用集中绕组即可获得正弦电势，且保持较高的功率密度和效率，为小型风力发电机的选型提供一种新的方案. 关 键 词：风力发电；永磁电机；集中绕组；有限元；静态特性
中图分类号:TM 351 文献标识码:A 文章编号:1673
-9140(2009)03-0027-06D esign and analysis of a P M generator for w i nd po w er w ith
novel concentrated w i ndi ngs
HUA W e,i Z HANG Gan
(School of E lectri ca lEng i neeri ng ,Sou t h eastUn i versity ,Nan ji ng 210096,Ch i na)
Abstract :A per m anent m agnet brush less m ach i n e for w i n d pow er w ith novel concentrated w i n d i n gs is i n -troduced in this paper .The specia l co m binati o n o f stator slots /rotor po les is e m p l o yed i n the m achi n e ,re -su lting i n h i g h pow er density and lo w cogg ing torque .The d isti n ct topology and operation princ i p le are an -alyzed by usi n g a 3-phase 24/22-po le proto typed m achine as an exa mp le .B ased on fi n ite ele m entm ethod ,the design aspects of the pr o totyped generator are presented .Fina lly ,the experi m ental resu lts fr o m the pr o -to typed m ac h i n e ,i n cluding e lectr o -m agnetic -force (E MF),e lectr o m agnetic torque ,output po w er and eff-i ciency vali d ate the desi g n .It sho ws that the open -circu it E MF wavefor m s are i n herently si n uso i d al w ith
concentrated w i n d i n gs and w ithout ske w i n g of stator slots or rotor poles ,and hence it exhi b its si g nificantly h i g her torque density and efficiency .The results lay a ne w cho ice f o r s m allw i n d po w er generation syste m .K ey w ords :w ind po w er ;per m anent m agnet m ach i n e ;concentrated w ind i n gs ;fi n ite ele m ent analysis ;static characteristics
目前，风力发电发展极为迅速，除并网型大功率风力发电系统外，离网型小功率风力发电系统的需求也日益增长[1~7].其应用场合主要集中于长江及其他航运系统，无人值守的森林哨所、差转台和微波站，沿海孤立岛屿，围网养殖系统，农牧区和边远山区等.
因为小型风力发电系统的风轮直接耦合在发电机轴上，省去了增速结构，转速只有几百转/分，所以
小型风力发电机主要采用低速多极结构，转子结构以表面贴装式为主.
目前，国内外研究的小型三相永磁风力发电机绕组主要有2种类型:¹采用常规分布绕组(每极每相槽数q为1，图1所示为一台普通66槽/22极永磁同步电机，定子槽数N s，相数为m，转子极数为P r,q=N s/m/P r=1);º采用普通集中绕组(每极每相槽数q为1/2，图2所示为一台普通33槽/22极无刷直流电机,q=N s/m/P r=1/2).其中，分布绕组的线圈端部较长，电阻大，铜耗高，从而限制了电机的功率密度和效率.更严重的是该类型电机的定位力矩通常较大(由于定子槽数N s和转子极数P r 的最小公倍数相对较小)，因此用在风力发电领域，需要采用定子斜槽或者转子斜极等复杂生产工艺来降低定位力矩，提高起动风速.而普通集中绕组即每个线圈套在一个定子齿上，且属于不同相的线圈依次相邻排列.尽管这种结构的绕组连接方式可以保证每个线圈的端部较短、电阻小、铜耗低，可以提高电机的效率，但每个定子槽中实际分布的是属于不同相的双层绕组，必须采用相间绝缘，限制了槽满率，进而影响了电机的功率密度.此外，与第1种电机结构相似，该类型电机的定位力矩也较大，限制了在低风速场合的应用.
图166槽/22极分布绕组永磁无刷电机
Figure166-slot/22-po l e P M brush l ess machine
w ith distri buted w i nd i ng s
图233槽/22极常规集中绕组永磁无刷电机
F i gu re233-sl o t/22-po le PM brus h less m ach i ne
w ith nor m a l concentrated w i ndi ngs
针对上述2种典型电机结构的缺点，近年来国际上提出了一种新型集中式绕组结构的永磁电机，即所谓的模块化永磁电机(m odu lar P M m a-ch i n e)[8~10]，其具体结构将在后文详细介绍.目前的研究成果表明，该电机在性能上具有一些明显超出常规永磁电机的优点.因此，本文不同于其在电动领域的应用，而是首次将该类型电机引入到小型风力发电系统中，以期获得低风速起动、宽风速领域发电、高效率和高功率密度等性能优势，为我国在小型风力发电系统中的电机选型提供一种新的方案.
1电机结构
为验证新型结构电机的优点，保持转子极数P r与前2种传统电机一样，即P r=22.图3所示为一台三相24槽/22极永磁无刷电机结构.比较其定子结构发现，定子一共有24槽，即N s=24，平分给三相，每相绕组分有8个槽，由于是采用双层绕组，即每个槽中有2个圈边，因此一共有8个集中式线圈，如图3(b)
图324槽/22极模块化集中绕组永磁无刷电机
F i gu re324-sl o t/22-po le PM brus h less m ach i ne
w it h modu lar concentra ted w i ndings
28电力科学与技术学报2009年9月
中属于同一种颜深度的8个线圈组成一相.但是与普通绕法(图2)不同，属于同一相的4个线圈依次相邻套在定子齿上，而与之径向相对的另外4个线圈属于同相.显然，与图2(b)中绕组结构相比，唯一的区别在于三相24个集中式线圈在空间分布不同.图3(b)中仅有6个槽中放置的是属于不同相的圈边，其余18个槽中都是同相圈边.考虑到对称性，一半线圈(12个)的连接顺序可表述为A p A AA p -B p BBB p -C p CCA p (注:/p 0表示圈边中的感应电势为反向).正是这种独特的绕组连接方式，使得该电机在制造时提供了一种/模块化0的生产工艺，即将该定子部分分成6块，每块可以单独嵌线，然后进行拼装即可成为一个整体，这也是该类型电机称为/m odular 0的原因.这对于大容量的MW 级大型风力发电机，有一定的意义.
需要指出的是该新型结构的电机定子槽数和转子极数有一定的约束,N s =P r ?2(N s =P r ?1的结构由于各种原因，应用较少，具体可参阅文献[8~10]
).
满足这一规律的电机具有如下的特点
[8~10]
:
¹相与相绕组之间不需要重叠，这不仅给嵌线带了方便，而且会提高槽满率，且不易发生相间短路;
º在转子永磁极数一定的情况下，采用该种绕组连接方式可以减小定子开槽数;
»提高了基波的绕组因数，同时减小了5次和7次谐波的绕组因数，提高了绕组的利用率(表1
[9]
);
¼由于定子槽数N s 和转子极数P r 只相差2,
因此两者的最小公倍数必然很大(本例为264)，并且每极槽数为分数，如式(1)、(2)，从而导致定位力矩很小(具体见算例)，而不必采用定子斜槽、转子斜极等复杂工艺来减小定位力矩.
每极每相槽数:
q =
N s mp r =243@22=4
11
.(1)
每极槽数:
玻璃精雕机Q =
N s p r =2422=1+1
11
.(2)
古代建筑模型表1 3种绕组方式的基波绕组因数比较T ab le 1 Co m parison of f unda m en tal w ind i ng factors
o f three w i ndi ng con figurations
绕组类型基波绕组因数K w 1
分布式0.866集中式0.866模块化式
0.933
2 样机设计实例
以一台额定功率为1500W 、额定转速为500r/m i n 的小型永磁风力发电机为例，详细介绍采用m odu lar 绕组结构的电机设计和性能计算过程.
由于该电机所配套的风轮机及整个系统尺寸所限，要求电机总体结构呈扁平形，即长径比较小.表2列出了厂方对电机的尺寸和性能设计要求.
表2 样机尺寸和性能要求
T ab le 2 Specificati ons o f proto typed genera t o r
安瓿印字机相数m 额定转速n N /
(r /m i n)额定功率P N /W 每相空载额定电压峰值E 0/V
定子外径D s o /mm 有效轴长L s /mm 转子铁心厚度R yoke /mm
智能电表芯片效率G 起动风速/(m /s )输出电压波形转动惯量3
500
1500
240
<180
30
<7
>85%
2
正弦波
小
目前市场上的小型永磁风力发电机的电负荷较高，铜损大，也成为限制发电机效率的主要因素.因此，在设计时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率.
考虑到以上原则，结合表2和前述的模块化绕组，设计了一台定子24槽/转子22极的三相新型绕
组结构的永磁风力发电机，如图4所示.
图4 24槽/22极样机三维结构Figure 4 3-D topo logy of t he 24-slot/22-pole
pro totyped generator
29第24卷第3期花 为，等：新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析
由于电机的有效轴长L s已经确定，并且规定了电机外径的最大尺寸D so m ax.此外，对发电机的转动惯量有严格的要求，因此在设计时首先保证不超过尺寸范围的条件下，尽可能保证转子导磁圆环的厚度不超过7mm.考虑到采用的钕铁硼磁铁易碎，且磁钢径向内外表面都要求制成光滑弧面，因此从加工角度考虑，将磁铁的磁化方向厚度设为5mm.在设计过程中，采用了有限元法进行仿真计算，并就定子外径、定子齿形、永磁体极弧、转子轭厚等尺寸参数进行了优化计算.最终得到完整的设计方案，如图5所示，表3列出了主要尺寸参数.
图6给出了该永磁风力发电机的空载磁场分布图.图6(a)为局部的定转子铁心和一块永磁体网格剖分图，图6(b)为局部的空载磁场磁力线分布图.图7为采用有限元法仿真计算得到的每相空载永磁磁链、电动势及定位力矩波形.显然，在采用集中绕组且定子和转子都没有采取斜槽或者斜极的情况下，空载永磁磁链和电势的正弦度都非常高.图7 (c)所示为分别采用虚功法、麦克斯韦张量法和磁共能法所计算
得到的3条定位力矩波形，吻合度很高，并且峰值只有0.1N#m，仅占额定电磁转矩的0.35%，这有力地验证了采用modular绕组结构的永磁电机定位力矩小的特点，非常有利于该电机在低风速下起动发电.此外，由图可见，在1个电周期(360)内，定位力矩波形有24个周期，即周期为15电角度，这与理论计算结构也是吻合的.
图524槽/22极样机设计图
F igure5D esign p i cture of t he24-slot/22-pole pro totyped g enerator
表3样机主要尺寸参数
T ab le3K ey di m ensions and para m eters o f t he pro t o typed g enerator
相数m 定子外径
D s o/mm
定子内径
D s i/mm
交互式拼接屏
有效轴长
L s/mm
气隙
g/mm
永磁体极
弧系数
永磁体磁化方向
厚度h
pm
/mm
转子铁心厚度
R y oke/mm
线圈绕组匝数
N co il
导线线径
拉配
D C/mm
每相电阻
R ph/8
3177.69130.70300.70.755 6.25801.500.64 30电力科学与技术学报2009年9
月
图6 24槽/22极电机空载磁场分布F i gure 6 O pen -circu it magneti c d i str i butions
of 24-slot/22-po l e genera t o r
图7 24槽/22极电机电磁性能仿真波形F i gure 7 P red icted e lectrom agnetic perfo r mance
of 24-slot/22-po l e genera t o r
图8所示的为根据设计图纸所制作的一台24槽/22极模块化绕组的永磁风力发电机.图9所示为实验测量的三相空载波形以及对A 相波形所做的谐波分析.显然，与理论和仿真结果相似，在采用集中绕组且定子和转子都没有采取斜槽或者斜极的情况下，三相空载电势的正弦度非常高,THD =1.56%，且三相波形对称.由表4所示的不同转速下空载电势的数据可见，在额定转速时的空载电压为234.8V，与设计要求240V 非常接近.表5列举了样机在不同转速下带负载运行时的电磁转矩、输入机械功率、输出电功率及相应的效率值.可见，在额定转速500r/m i n ，输出电功率1400W 时，效率为88%.上述数据都满足了设计要求.
图8 24槽/22极样机
Figu re 8 P ro totyped 24-sl o t/22-po le generator
图9 实测空载电势波形及谐波分析Figu re 9 M easured E M F w avefor m and har m on ics
ana l ys i s at no -load
31第24卷第3期花 为，等：新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析
