作者：周迎春 肖慧慧 胡 字数：2186
摘 要：有限元法适用于解决由多种材料组成、内部具有较多媒质分界面的电机设计问题，并能提高电机设计时的计算精度。本文用Maxwell对双定子直驱式风力发电机进行了有限元建模与仿真，验证了双定子直驱式风力发电机的相关性能。
关键词：双定子；发电机；有限元
资助：湖南理工职业技术学院院级重点研究项目（Lgy12z001）资助。
0 引言
风能是一种的再生自然能源，它不产生任何污染排放物，因此风力发电技术受到国内外广泛的关注，而推广应用风力发电的关键是研制适合于风能转换且运行可靠、效率高、供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术。目前，风力发电发展的一个趋势是用永磁发电机做成直驱式发电机，这样可以提高电机效率，增大电机容量，节省电机材料，并且在电机的可靠性等方面具有很大的优势。本文研究的双定子直驱式风力发电机是由内外两个同心的定子和一个杯型的转子构成，在转子的内外表面安装了永磁体。
为了提高电机设计计算时的精确度，需对双定子直驱式风力发电机进行电磁场有限元分析。Maxwell是Ansoft机电系统设计解决方案的重要组成部分，它功能强大、结果精确、易于使用，具有高性能矩阵求解器和多CPU处理能力，提供了最快的求解速度，并为用户提供了一套良好的可视化开发环境，包括控制面板、执行命令、主控界面、建模器及材料生成器等。本文介绍了在Maxwell 2D中建立双定子直驱式风力发电机模型的具体过程。
1 建立几何模型
图1 电机的几何模型
在Maxwell中，任何实体都是由以下基本元素构成：关键点、线、面、体。而这四个基本元素之间的关系又可描述如下：由关键点可以连成线，由线可围成面，由面经过旋转、拖拉等操作可生产体。几何模型的建立可以直接在Maxwell的Define Model下建立，也可以先在Autocad下画图，然后导入到Maxwell中来。为了保证电机电磁场分析的准确度，电机的几何模型是按与实际的设计尺寸1：1的比例建立的。本文所述的双定子直驱式风力发电机的结构是对称的，考虑到其结构尺寸比较大，在这里只建立二维模型进行分析，下图1是根据所选方案确定的电机基本参数建立的电机几何模型的一部分。
2 确定边界条件
应用有限元法求解电机电磁场时，应尽量缩小求解区域范围，一般可取电机外侧表面作为边界面，当然这是一个强加的边界面。由于铁磁物质的磁导率远远大于空气磁导率，这种近似在工程上是合理的。一般情况下认为磁力线沿电机外侧表面闭合，这条边界属于第一类齐次边界。很多情况下电机轴的外表面也被取为第一类齐次边界。
图2 电机的求解区域
本文所述双定子直驱式风力发电机的求解区域如图2所示，边界条件为
如果定子铁心十分饱和需要考虑外部漏磁，这条人工边界应适当向外扩张。外移扩充范围没有十分严格的界限，因为这部分磁场很弱，衰减也很快。
3 网格的剖分
图3 电机的网格剖分图
有限元法得以实现的一个重要步骤是网格剖分，它是电磁场问题实现数值求解的第一步。网格的数量、分布和质量直接决定了数值计算的计算精度、解题效率和计算的经济性。在网格的剖分过程中，必须对单元、节点进行编号，并在生成总体编码的基础上，按局部编码顺序形成各单元的节点编号，给出节点坐标，最后必须把这些信息全部存储起来，以备下面的计算调用。
Maxwell有强大的网格划分工具，能自动对模型进行网格划分，网格划分时采用自适应网格分析，系统进行迭代求解，对最大误差存在的区域进行网格细化，得到较高的网格密度，从而生成更加准确的解。在每次迭代，计算系统总能量。由于求解误差引起了能量百分比，因而检查能量百分比来确定求解是否已经结束，或误差百分比和最近两次误差百分比的变化是否达到指定值。在软件进行计算的过程中，软件会根据每一步的计算误差自动增加网格剖分的数量，直到下一步的计算结果达到设计的要求。图3为发电机模型的网格剖分图。
4 分析求解
本文对所设计的双定子电机进行了二维场有限元分析，得到其运行性能，下图为电机空载感应电压波形，和其他单定子电机相比较，该电机的空载电势波形更为平滑。
图4 空载电势波形
5 结论
有限元法相比其他方法来说具有以下优点：几何剖分灵活，适用于解决几何形状复杂、由多种材料组成、内部具有较多媒质分界面的电机；可节约计算机内存和CPU时间；方法的各个环节统一，程序易于实现标准化。本文用有限元法对双定子直驱式风力发电机进行了仿真分析，从分析结果可以看出该电机具有良好的运行性能，适用于风力发电系统。
参考文献
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[4] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
作者简介
周迎春（1972- ），女，湖南湘潭人，副教授，主要从事电机设计
研究。
肖慧慧（1982- ），女，硕士，讲师，主要从事电机设计研究。
胡志军（1965- ），男，副教授，主要从事电机设计研究。
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