MAGAZINE
刊物內容

回列表

軸向磁通無鐵芯發電機的負載特性分析

摘要"

永磁電機具有體積小、效率高、壽命長的優點,但頓轉轉矩影響了電機的運轉特性;消除或降低頓轉轉矩的方式有很多種,本研究採用無槽的定子結構,目標為設計單相220 V、1 kW的軸向磁通無鐵芯發電機,探討負載對發電機性能的影響,特別是聚焦於輸出功率、效率和電壓調節率。經純電阻和電感電阻串聯進行模擬分析,在純電阻負載時,發電機在輸出功率(1,241 W)和效率(91%)上有更好的性能;而在負載有阻抗的情況下,電壓調整率(5.86%)則表現更好,驗證了本研究之發電機在兩種負載下,均有良好的性能。

關鍵詞:軸向永磁發電機、無鐵芯、輸出功率、電壓調整率

緒論

軸向永磁發電機(Axial-flux permanent magnet generators, APMG)具有許多優點,包含較高的功率密度、扭矩密度以及空間使用率[1-3]。它的應用不只可以在發電領域,在電動汽車、工業設備[4]、飛機與小型引擎發動機和電池充電之中都可以使用此結構[5]。
軸向永磁發電機的定子包含有鐵芯與無鐵芯兩種結構,其中無鐵芯結構重量更低、較小的頓轉轉矩,製造容易,具有很高的效率[5-7],因此非常適用於風力發電機的應用中。參考文獻[6]分析了一個24極18槽雙面無鐵芯的軸向永磁發電機,通過改變定子的厚度和直徑可以獲得最佳的發電機性能。當定子厚度和直徑分別為8 mm和150 mm的時候,發電機會達到最高效率91.8%。
參考文獻[8]中所設計的三轉子和雙定子無鐵芯軸向永磁發電機,在每個轉子中配置12極,在每個定子中配置9組線圈,發電機可以在500 rpm的轉速下產生1.8 kW和120 V的電壓。使用三轉子代替四轉子,用以減少鐵損和發電機重量。參考文獻[9]中使用了類似的磁極配置,在每個轉子(雙轉子)有12個磁極,在定子(單定子)中有9組線圈。模擬結果在500 rpm時可以產生接近正弦的電壓和電流波形,電壓峰值與電流峰值分別為100 V和5A。參考文獻[10]則研究了具有雙轉子與單定子的三相無鐵芯軸向永磁發電機的設計,採用20極18槽的配置,在轉速提升至300 rpm的情況下產生200 V的端電壓、200 W的輸出功率和94.2%的效率。
本研究以設計220 V、1 kW、50 Hz、300 rpm的單相無鐵芯軸向永磁發電機,通過串聯電阻性負載和電阻電感性負載來進行分析和數值模擬,目的是研究不同類型的負載對發電機輸出功率、效率和電壓調節率的影響。除了負載特性,亦使用有限元素FEMM 4.2軟體模擬磁路特性。

材料和研究方法

設計特點

本研究之發電機型式、尺寸和主要參數分別如圖1和表1所示。轉子結構如圖1(a)所示,定子結構如圖1(b)所示,定子和轉子通過軸貫穿連接。雙轉子單定子無鐵芯的結構及其軸向尺寸分別如圖1(c)和圖1(d)所示,表1為結構之詳細尺寸。
磁場分布

雙轉子無鐵芯軸向永磁發電機的磁通路徑如圖2所示,磁通從磁鐵1的N極離開,穿過定子與氣隙到達磁鐵2的S極,之後分為兩條路徑,其中一條流向磁鐵3的S極,然後穿過定子與氣隙到達磁鐵4的S極,如箭頭所示。
在此,本研究使用剩磁1.03 T與矯頑力(Hc)796 kA/m的釹鐵硼磁鐵作為磁極。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

READ MORE BACK TO LIST