低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：文章討論了低速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為了有效地減少阻力矩，采用分?jǐn)?shù)槽繞組，為減少漏磁通，采用瓦片型和放射狀的永磁體安裝結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)對結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行性能之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了參數(shù)分析，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在一定安裝尺寸的限制下，以電機(jī)效率作為優(yōu)化目標(biāo)，采用基于混沌理論的最優(yōu)化算法獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出效率。 　　0引言 　　風(fēng)力資源是一種清潔、安全和可再生的綠色能源。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)有許多突出的運(yùn)行性能。它們結(jié)構(gòu)簡單、體積小、損耗低、效率高，同時(shí)外形和尺寸是可變的等。低速永磁同步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力資源開發(fā)中的重大進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)整葉片的角度而得到控制。研究表明，永磁電機(jī)的電磁性能與每極每相槽數(shù)、磁極形狀、定子槽數(shù)和槽的開口等有直接關(guān)系。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以通過多種方法降低，如采用分?jǐn)?shù)槽繞組，本文中所采用的低速永磁同步發(fā)電機(jī)是分?jǐn)?shù)槽繞組的一個(gè)典型應(yīng)用。 　　本文先用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算了一個(gè)可行的電磁方案，同時(shí)得到了一些性能曲線，并對低速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了討論，通過參數(shù)分析得到了一些相應(yīng)變參數(shù)下電機(jī)的性能曲線。參數(shù)分析是為了推演結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，這是參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。用混沌優(yōu)化算法對電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 　　1永磁發(fā)電機(jī)的基本電磁設(shè)計(jì) 　　低速永磁發(fā)電機(jī)的基本電磁設(shè)計(jì)包括：定子鐵心設(shè)計(jì)、定子繞組設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子永磁體設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)等。為了有效地減少阻力矩，采用了分?jǐn)?shù)槽繞組。為了減少漏磁通，對由稀土永磁體組成的磁極采用了瓦片型和放射狀的安裝結(jié)構(gòu)。 　　低速永磁發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)的相似。根據(jù)電勵(lì)磁電機(jī)的理論，采用定子斜槽、轉(zhuǎn)子斜極和分?jǐn)?shù)槽降低由齒槽效應(yīng)引起的阻力矩。實(shí)踐證明，采用斜槽是減小阻力矩最有效的方法。每極每相槽數(shù)為： 　　其中，Zs為定子槽數(shù)；m為繞組相數(shù)；p為極對數(shù)；a為整數(shù)；c/d為不可約分?jǐn)?shù)。 　　低速永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，不能簡單地將電勵(lì)磁電機(jī)的繞組換成永磁體，還應(yīng)考慮磁路的合理配置。由稀土永磁體組成的10個(gè)瓦片狀的磁極在轉(zhuǎn)子表面構(gòu)成放射狀的結(jié)構(gòu)安排被證明是最佳的。 　　永磁體體積的確定對永磁電機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)具有重要意義。額定功率和永磁體體積之間的關(guān)系為： 　　其中，PN為發(fā)電機(jī)的額定功率；R為漏磁系數(shù)；Kad為d軸電樞磁勢折算系數(shù)；KFd為轉(zhuǎn)子磁位相對于d軸電樞磁勢的比值；f為頻率；KL為電壓系數(shù)；K<為波形系數(shù)；C為永磁體的利用率；(BH)max為最大磁能積。 　　用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)可行的電磁設(shè)計(jì)方案，給出低速永磁同步發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)。磁極數(shù)為10；轉(zhuǎn)子位置為內(nèi)轉(zhuǎn)子；同步轉(zhuǎn)速為100r/min；控制類型為AC；額定輸出功率為0．6kW；額定電壓為380V。基本電磁性能如圖1和圖2所示。 　　2低速永磁同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)分析 　　以發(fā)電效率作為電機(jī)設(shè)計(jì)性能考核的主要目標(biāo)之一。當(dāng)一些主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)線性變化時(shí)，電機(jī)的效率也相應(yīng)的變化，從而得到了參數(shù)分析的結(jié)果。 　　2．1參數(shù)分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 　　通常，電機(jī)常數(shù)CA可表示為： 　　其中，D為電樞直徑；lef為電樞計(jì)算長度；Pc為計(jì)算功率；n為轉(zhuǎn)速；Apc為計(jì)算極弧系數(shù)；KNm為氣隙磁場波形系數(shù)；Kdp為電樞繞組系數(shù)；A為線負(fù)荷；BD為氣隙磁通密度。顯然電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)取決于A和BD。選定A和BD，則D2lef可由(3)式計(jì)算出。在選定了比率lef/D后，就可以計(jì)算出永磁體的長度和直徑，同時(shí)可以得到相應(yīng)的效率，所以選擇轉(zhuǎn)子的長度lef和轉(zhuǎn)子的直徑D作為主要的分析參數(shù)。 　　計(jì)算極弧系數(shù)Apc的定義式為bi/S，其中bi為極弧長度；S為極距。Apc影響電樞反應(yīng)的程度，所以Apc也可被選為一個(gè)主要的分析參數(shù)。 　　永磁體的厚度hM和寬度bM的計(jì)算式為： 　　氣隙磁通由(4)式和(5)式?jīng)Q定，所以hM和bM也可被選為主要的分析參數(shù)。 　　綜上，lef、D、Apc、hM、bM可被選為主要分析參數(shù)，其變化范圍和步長見表1所列。 　　2．2主要參數(shù)的單因子及多因子分析 　　主要參數(shù)小幅度變化時(shí)，輸出性能也隨著變化，輸出效率曲線如圖3所示。 　　有許多輸出性能隨著主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化的曲線，本文選用了4條曲線。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以得到隨著單變量的效率變化特性，這是參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。 　　電機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要處理各種矛盾，這主要是指在統(tǒng)一性能指標(biāo)中，各參數(shù)變化導(dǎo)致的性能變化趨勢不同，最終的選擇是一個(gè)折中的結(jié)果。多因子分析結(jié)果如圖4所示，主要是兩因子分析。從以上單因子分析和多因子分析結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)效率的影響是高度非線性的，從多參數(shù)、非線性的計(jì)算模型獲取理想的設(shè)計(jì)結(jié)果需要高效的智能優(yōu)化算法。 　　3基于混沌優(yōu)化算法的優(yōu)化設(shè)計(jì) 　　混沌優(yōu)化算法是一種新的隨機(jī)搜尋算法，用混沌優(yōu)化算法對電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基本電磁設(shè)計(jì)可由一個(gè)簡單的函數(shù)關(guān)系式表示，即 　　其中，y為輸出性能參數(shù)；xi為輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)。 　　為了對永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將永磁電機(jī)的輸出效率作為最優(yōu)化目標(biāo)，而主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)選為獨(dú)立的輸入變量，如轉(zhuǎn)子長度lef，轉(zhuǎn)子直徑D，氣隙長度D，計(jì)算極弧系數(shù)Apc，永磁體的厚度hM和永磁體的寬度bM。永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型可表示為： 　　搜尋空間的選擇基于基本電磁設(shè)計(jì)的結(jié)果。通過對參數(shù)空間的整體和局部搜尋，得到最優(yōu)化參數(shù)結(jié)果?；诨煦绲膬?yōu)化流程如圖5所示。 　　由混沌最優(yōu)搜尋算法得出的結(jié)果見表2所列。最終結(jié)果傾向于最佳優(yōu)化目標(biāo)，且考慮了實(shí)際的制造能力。表中，W為全局搜索；L為局部搜索；R為最后的圓整結(jié)果。 　　根據(jù)表2可以得出，最佳優(yōu)化結(jié)果是一致的，同時(shí)也證明了最佳優(yōu)化結(jié)果的有效性。 　　4結(jié)束語 　　本文對戶用型永磁同步低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、參數(shù)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并得出了最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)以下方面還需要做進(jìn)一步研究：¹影響電機(jī)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的指標(biāo)除了結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還有電機(jī)外加激勵(lì)及整個(gè)輔助控制系統(tǒng)，所以完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該是系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)，這有待于與控制技術(shù)一起進(jìn)行；º優(yōu)化的好壞取決于電磁計(jì)算的準(zhǔn)確程度，所以優(yōu)秀的計(jì)算模型是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。借助于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得準(zhǔn)確計(jì)算模型是優(yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值的前提，也是后續(xù)研究的方向之一。(何慶領(lǐng)，王群京合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)