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永磁式風力發電機 結構設計之案例分析

摘要"

綠能是未來能源發展的主流之一,風力發電的發電容量因數高且發電成本逐年下降,因此目前風力發電的成本已經低於某些石化燃料發電的成本而成為發電的主流方式之一。在1990年以前的風力發電機大部分都是屬於定速型的風機,其裝置容量大部分小於百萬瓦等級,具有較為簡單的結構與較低的成本,但定速型風機無法隨著變動的風速來進行風力調節。所以近期大多數的風機製造商都從定速型轉為變速型風力發電機[1],且單機容量大幅提升至百萬瓦等級以上。為了降低齒輪箱故障所造成的冗長維修時間,近年的風機也發展出無齒輪箱的直驅式風機系統。目前市面上大多數直驅式風力機採用永磁式同步發電機,其可消除原本繞線式風機的轉子激磁損失,並可降低成本、縮減空間、減少功率損失、以及提高效率,因此本文將初探大型永磁式風力發電機結構設計與相關的模擬分析。

關鍵詞:永磁式、風力發電機、結構設計、有限元素分析、磁路分析

文獻回顧

隨著風力發電機技術的蓬勃發展,各型式的風機被逐一開發出來,例如早期的鼠籠式感應發電機(Squirrel-Cage Induction Generator, SCIG),以及近期的雙饋式感應發電機(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)以及直驅式永磁發電機(Direct-Drive Permanent Magnet Generator, DDPMG)。雙饋式感應發電機可以設計較小功率的電力轉換器而達到整體風機的功率控制,因此可降低建置成本。而直驅式永磁發電機由於沒有齒輪箱,且使用永久磁石,因此可以提高輸出功率與效率,並獲得更佳的控制性能,但很可能會增加風機製造的材料成本。先進的直驅式永磁風機根據拓樸結構分為徑向(Radial-Flux, RF)、軸向(Axial-Flux, AF)、以及橫向(Transverse-Flux ,TF)磁通式發電機[2-4]。
一般典型直驅式永磁發電機的設計流程[5-8],首先使用磁路分析法將磁通路徑進行簡化,並對轉子與定子之結構參數進行設計[5-7]。在風機設計時必須留意槽內的銅線佔積率與電流密度之範圍限制[9],並且減少矽鋼片與磁石的使用量來降低成本與重量、以及嘗試改變相關規格參數來提高風機效率[5、6、10]。此外,風機轉子的永久磁石與定子齒部矽鋼片之間會產生互相的吸引力,稱為頓轉轉矩。若頓轉轉矩愈大,風機產生的震動和噪音就愈大,因此如何降低頓轉轉矩亦是風機設計重要的議題之一。許多的研究文獻[11]已陸續探討如何降低風機的頓轉轉矩:包含選擇適當的槽極數組合、不平行的開槽方式、構建定子齒部的輔助槽以降低氣隙磁阻、減少槽開口的寬度、改變齒寬與槽寬的比例,以及選擇不同的矽鋼片與磁石來改變頓轉轉矩等。
永磁風力發電機具有高磁力密度與高效率的特性,但在分數節距下使用集中繞(Concentrated Winding)的方式會使得磁場具有更多的諧波成份,導致額外的渦流損。因此如何降低渦流損的課題在風力發電機設計上也相當重要,一般可藉由選擇磁石材料與磁石拓樸結構以降低渦流損[12]。改變槽開口的寬度也會大幅影響磁石內部與轉子背鐵(Back Iron)的渦流損數值[13]。文獻[14]針對永磁式風機的磁鐵厚度進行分析,得出渦流損與磁石厚度的平方呈現正比關係。文獻[15]皆指出可藉由不同的槽極數組合來達到降低渦流損的目的,其結果顯示較高的槽極數組合可降低渦流損。

表面型永磁式風力發電機的結構設計原理

風力發電機本身的組成結構最主要包含定子與轉子,其中定子的部分又包含了積厚(Lstk)、槽部、齒寬(ts)與定子軛鐵(Dsy),而轉子的部分則是包含磁石厚度(lm)、磁石展開角(BetaM),以及氣隙(g)等。轉子與定子的結構圖以及相關參數如圖1所示。
在設計之初,首先必須知悉風力發電機實際應用層面所需的額定數據,例如額定轉速與功率,並將其定為設計目標,進行發電機的設計。首先需要決定發電機的體積尺寸:包含積厚(Lstk)及轉子外半徑(Rro),接著決定轉子型式、相數、槽極數的組合以及所選用的磁鐵與矽鋼片種類,再根據所設計出的風力發電機轉子參數進行磁路分析,計算風力發電機的最大氣隙磁通密度,並且對定子齒部的結構參數進行計算。設計過程中可使用磁路分析法以及有限元素分析法配合軟體工具驗證所設計風機的效率、頓轉轉矩、磁通密度、以及其他重要結構參數。若所設計的風機效率過低、頓轉轉矩過高、或是齒部的磁通密度已達到飽和,則需要重新調整所設計的參數值。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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