外轉子多及永磁同步發電機之特性分析與設計

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中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日外轉子永磁風力發電機設計之研究 Suy of he Exerior-Roor Permnen Mgne Win Turbine Deign 連家祥陳品清葛世偉 Chi-Hing Lien Pin-Ching Chen Shih-Wei Ku 高雄應用科技大學電機工程系富田電機股份有限公司台灣高雄市台灣台中縣

com.w 摘要本文以有限元素分析法進行外轉子風力發電機的設計, 分別就影響發電機特性的因素 : 反電動勢輸出電壓輸出電流頓轉轉矩氣隙磁通密度及磁力線分佈等加以討論, 並藉由 MgneForce Generor AC 軟體模擬以驗證設計之磁路分佈, 比對校內風力發電機之特性並比較相異極數的外轉子發電機特性與磁路, 達到實際製作與設計一致關鍵字 : 有限元素分析法外轉子風力發電機

1 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日外轉子永磁風力發電機設計之研究 Suy of he Exerior-Roor Permnen Mgne Win Turbine Deign 連家祥陳品清葛世偉 Chi-Hing Lien Pin-Ching Chen Shih-Wei Ku 高雄應用科技大學電機工程系富田電機股份有限公司台灣高雄市台灣台中縣 Deprmen of Elecricl Engineering Deprmen of Reerch & Developmen Nionl Kohiung Univeriy of Applie Science FUKUTA Elec. & Mch. CO., LTD Kohiung, TAIWAN Tichung, TAIWAN 摘要本文以有限元素分析法進行外轉子風力發電機的設計, 分別就影響發電機特性的因素 : 反電動勢輸出電壓輸出電流頓轉轉矩氣隙磁通密度及磁力線分佈等加以討論, 並藉由 MgneForce Generor AC 軟體模擬以驗證設計之磁路分佈, 比對校內風力發電機之特性並比較相異極數的外轉子發電機特性與磁路, 達到實際製作與設計一致關鍵字 : 有限元素分析法外轉子風力發電機外轉子發電機 Abrc Thi uy i lking b he eign of uing Finie Elemen nlyi o prouce Exerior- Roor Win Turbine. Fir, i icue he fcor which cn ffec generor chrceriic: Bck elecro moive force, Oupu volge, Oupu curren, Cogging orque, Air-gp flux eniy, n flux line iribuion. Seconly, i e he eign of mgneic circui iribuion hrough he imiion of MgneForce Generor AC, n compre wih he chrceriic of Win Turbine. Thirly, i compre he ifferen pole of Exerior- Roor Generor' Chrceriic n mgneic circui, n conien wih he eign o cul proucion. Keywor: Finie Elemen nlyi, Exerior-Roor Win Turbine, Exerior-Roor Generor I. 前言自 973 年世界石油危機以來, 在石化能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下, 風能作為新能源的議題才漸受重視, 風力來自大自然取之不盡用之不竭, 近幾年來歐美等國家積極投入風力發電機的研製, 使得風力發電機的性能與效益皆大幅提升, 由於風力發電機技術的成熟, 而風力發電建置成本與價格日趨下降, 因此風力發電將是一項低成本的再生能源, 而風力發電之效率取決於葉片發電機電力轉換等, 因此如何設計一個高效率的風力發電機實為重要的課題典型的風力發電機組可區分為感應式與永磁式兩類, 前者需要他激磁場方能啟動, 反觀後者則是使用永久磁鐵作為他激磁場, 免去了繞線式激磁場的銅損, 達到高效率以及小型化等優點, 因此在中小型風機多採用永磁式雙繞組發電機的模式本文使用有限元素分析軟體 MgneForce Generor AC 作為風力發電機設計之用, 同時分析模擬比較不同極數的外轉子發電機特性差異, 對外轉子發電機進行特性分析, 並就定子參數轉子參數極數磁鐵定子矽鋼片特性磁力線等因素進行分析, 期使設計一個高效率之外轉子風力發電機, 同時與實體發電機驗證比較, 如圖所示之外轉風力發電機實際特性比較外轉子永磁發電機圖外轉子風力發電機實際特性比較圖發電機負載為測試風力發電機輸出特性, 故發電機的輸出不接變壓器, 直接接上三相橋式整流充 / 放電控制電路儲能元件及電阻性負載等裝置 [], 如圖所示由於傳統橋式整流子其工作頻率均 50Hz-60Hz 間, 且使用電容來濾波, 因此在低風速轉動時, 三相整流其效率不佳, 且產生渦流諧波與噪音等, 為此常見之解決之道有二, 一是放棄擷取此段電壓, 另一則是升壓或雙繞組方式, 如以升壓變壓器的方法噪音乃存在, 故選用雙繞組方式 Ⅲ. 交流同步發電機由於永磁式同步電機結構簡單體積小重量輕損耗小效率高, 和直流電機相比, 它沒有直流電機的換向器 (commuor) 與碳刷 (bruh) 等缺點, 和交流非同步電機相比, 由於不需要勵磁電流, 因而效率高功率因數高轉矩慣量大, 但因永久磁鐵常用之材料為銣鐵硼受中國管制出口, 此即所謂稀土戰爭, 亦為 303

2 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日永磁發電機受限制的地方本文以設計 44 槽與 44 槽外轉子永磁同步發電機, 將轉子之激磁部份採用永久磁鐵至於外殼, 定子部分為電樞繞組放於內軸, 內軸不動由外殼旋轉切割磁場, 將其使用於風機結構上, 可以使葉片直接連接發電機外殼直接帶動發電機旋轉, 則無需齒輪箱傳動結構, 方可減少損失與增加效率在早期磁鐵材料採用 AlNiCo( 鋁鎳鈷 ), 具有較高的剩磁感應強度溫度係數小溫度穩定度高, 但也因為磁場強度較弱易消磁及矯頑力 (Hc) 較低, 因而較少去使用, 所以現在均採用高剩磁密度 (Br) 高矯頑力 (Hc) 高磁能積 (Br Hc) 和線性的退磁曲線的稀土類磁鐵 : 釤鈷 (SmCo) 與銣鐵硼 (NFeB)[][3], 因稀土類磁鐵具有的高磁能積高矯頑力, 而高磁能積與高矯頑力是相輔相成的, 如選用之磁性材料具有高磁能積就必頇含有高矯頑力, 擁有這兩種性能之磁鐵的強度較強磁通密度較密, 導致輸出電流上升間接導致輸出電壓與功率皆上升, 所以一部高性能的發電機應具備這兩種性能, 但現今鈷的產量較少, 故本文選用銣鐵硼材料, 又由發電機的等效電路知悉設計時參數對磁極與電流之影響 3. 交流同步發電機之數學模式及其特性 [4] 圖 3 交流同步發電機等效電路如圖 3 所示, 根據克希荷夫定律, 可以得到三個定子繞組的電壓方程式 [5] e Ri L i v () eb Rib L ib vb ec Ric L ic vc v, v b, v c : 分別表示為三相電壓 i, i b, i c : 分別表示為三相電流 R, L : 分別表示為三相定子等效電阻與電抗 c V, R, R, L : 分別表示為直流電壓, 外部可 F F 變電阻, 線圈電阻, 線圈電感 e, e b, e c : 分別表示為三相感應電勢在設計發電機時, 電阻電抗是兩個重要的參數, 電阻與電抗大小不僅影響發電機的經濟性間接影響發電機的運行能力, 由下兩式來決定電阻值與電抗值 [6] R L lc N N A f lef N ( ) ( e h) p q () (3), l c : 分別表示為電阻率與繞組導體長度 N, N : 分別表示為每相匝數與導線根數, A : 分別表示為並聯路徑數與導線截面積 f, l ef : 分別表示為頻率與鐵心長度 p, N : 分別表示為極數與每相匝數 q: 分別表示為每極每相槽數,, : 分別表示為定子槽漏磁比, 繞組漏 e h 磁比, 諧波漏磁比由上 () () (3) 式得知, 要取得較高的電流, 需使用較少的用銅量, 繞組電抗大小對於發電機的運轉性能有很大的影響, 電抗太大會使發電機的電壓變化率增大, 電抗太小使得發電機短路電流過大 3. 永磁發電機設計計算例設計發電機應先訂定出發電機需要的輸出電壓與額定功率, 根據圖, 採用的負載為 0, 下面介紹永磁發電機的計算公式 [7] 發電機的頻率 (Hz) 為 n p f (4) 0 發電機輸出直流電壓 (V) 為 K V n p N 60 E (5) 因三用電表量測輸出直流電壓均為有效值, 故除以倍 p N n V (6) 60 輸出電流 (A) 為 V I (7) 負載額定功率 (W) 為 P V I (8) N : 表示為繞組導體總匝數 : 表示為總磁通 (Wb) n : 表示為額定轉速 (rpm) p : 表示為轉子極數 K : 表示為發電機電動勢常數 E 根據以上設計公式與磁性材料的性能, 將可以整理出發電機設計流程圖 304

3 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日 Ⅳ. 結構設計 4. 永磁發電機設計流程依據式 () () (3) 知同步發電機影響其輸出因素有 : 角度繞組組抗電流磁通等, 其設計流程圖如圖 4 所示開始線徑 0.mm 繞線方式疊繞並聯路 96 繞組連接 Y 連接徑數決定額定轉速並求出輸出電壓與電流決定額定功率與頻率選擇外轉子型式選擇矽鋼片與磁鐵決定轉子極數與設計尺寸決定定子相數槽數與設計尺寸設計每相電阻與電抗值設計繞線方式與導體數目利用靜態電磁場得知無載磁力線氣隙磁通密度頓轉轉矩及反電動勢利用動態電磁場求得滿載磁力線輸出電壓與輸出電流結果與驗證圖 5 外轉子永磁發電機表 3 銣鐵硼磁性能與物理特性圖 4 發電機設計流程圖本文所規劃設計的發電機如表與表所示 [8][9], 並將表與表引入 MgneForce Generor AC 軟體得到圖 5, 為兩部外轉子結構, 轉子上的磁極使用銣鐵硼 (MAX-44H) 永久磁石, 其特性與 M-H 磁性曲線如表 3 與圖 6 所示, 固定在轉子外殼內部, 以平行方式充磁, 因為多極的磁路設計可以減少軛鐵厚度並且可以使體積與重量降低, 所以採用與互相比較定子鐵心使用的矽鋼片堆疊而成, 如表 4 與圖 7 所示鐵心厚度為 80mm, 共有 44 槽, 如圖 8 所示, 定子設計為 3 相, 採集中繞組, 每相佔 46 槽, 槽內由兩個電流方向相同的線圈繞製而成, 每相線圈繞製 3 匝, 並使用 0.mm 的銅線繞製而成表設計規格相數 3 相額定轉速 600(rpm) 輸出電壓 40V 額定功率 3kw 頻率 0Hz 極數 4 槽數 44 定子外徑 530(mm) 轉子外徑 850(mm) 氣隙長度 4(mm) 鐵心積厚 80mm 繞線匝數 3( 匝 ) 永久磁石 NEO 矽鋼片 MAX-44H 材料線徑 0.mm 繞線方式疊繞並聯路徑數 48 繞組連接 Y 連接表設計規格相數 3 相額定轉速 600(rpm) 輸出電壓 40V 額定功率 3kw 頻率 40Hz 極數 48 槽數 44 定子外徑 530(mm) 轉子外徑 850(mm) 氣隙長度 4(mm) 鐵心積厚 80mm 繞線匝數 3( 匝 ) 永久磁石 NEO 矽鋼片 MAX-44H 材料圖 6 銣鐵硼 MAX-44H 之 M-H 磁性曲線圖表 4 日本 JIS 的無方向性電磁鋼板規格 305

EMF(V) Tcog(N-m) Bg(Tel) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日.5.0 0.5 0.0-0.5 -.0 圖 7 50800 矽鋼片之 B-H 曲線圖 -.5 圖 0 氣隙磁通密度分佈 3.5.5.5 0.5-0.5 -.5 圖 8 定子繞線結構圖 Ⅴ.

靜態電磁場分析在無載情況下, 磁動勢由永久磁鐵所提供, 所有繞組的電流值均為零, 且使用不同磁極數, 可得圖 9 之不同無載磁力線分佈, 圖中磁力線為對稱的狀態, 較多磁極數的發電機磁力線分佈較密而在定子與轉子的磁通經由氣隙互相交鏈情況下, 可得到圖 0 為不同氣隙磁通密度分佈圖, 從 0 度到 70 度的氣隙磁通密度分佈, 最大氣隙磁通密度為. 08 Tel 與 0.

4 EMF(V) Tcog(N-m) Bg(Tel) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日圖矽鋼片之 B-H 曲線圖 -.5 圖 0 氣隙磁通密度分佈圖 8 定子繞線結構圖 Ⅴ. 模擬結果與比較本節以使用有限元素分析軟體 MgneForce Generor AC 分析靜態電磁場與動態電磁場 5. 靜態電磁場分析在無載情況下, 磁動勢由永久磁鐵所提供, 所有繞組的電流值均為零, 且使用不同磁極數, 可得圖 9 之不同無載磁力線分佈, 圖中磁力線為對稱的狀態, 較多磁極數的發電機磁力線分佈較密而在定子與轉子的磁通經由氣隙互相交鏈情況下, 可得到圖 0 為不同氣隙磁通密度分佈圖, 從 0 度到 70 度的氣隙磁通密度分佈, 最大氣隙磁通密度為. 08 Tel 與 Tel 經分析馬達的頓轉轉矩 [0], 最大值為 0. 8 N-m 與 3.3 N-m, 如圖所示在轉子順時針轉動進行無載電磁場分析之下, 可求得電氣度 0 度到 70 度每相繞組的磁通量與磁通變化量, 即可求出 600rpm 時之反電動勢, 如圖為每相之反電動勢, 峰值約為 V 與 7. 8V 圖頓轉轉矩分佈圖反電動勢分佈 5. 動態電磁場分析如圖 3 圖 4 圖 5 圖 6 則分別為轉子轉動 0 度 30 度 60 度 90 度的磁力線分佈圖, 由圖中可以得知在動態的情況下, 因電樞反應的影響磁力線呈非對稱狀態經由三相橋式整流充 / 放電控制電路, 由公式 (6) 得知輸出電壓約為 40 V, 公式 (7) 輸出電流約為 A, 如圖 7 與圖 8 所示圖 9 無載磁力線分佈 306

V I(A) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日 3.0.5.0 圖 3 轉子轉動 0 度磁力線分佈.5 圖 4 轉子轉動 30 度磁力線分佈.0 圖 8 輸出電流 Ⅵ.

44 43 4 4 圖 5 轉子轉動 60 度磁力線分佈圖 6 轉子轉動 90 度磁力線分佈 [] 江炫樟, 電力電子學, 第三版, 全華科技圖書, 台北,008 年月 [] 魏靜微, 小功率永磁電機原理設計與應用, 初版, 機械工業出版社, 北京,009 年 3 月 [3] 田民波, 磁性材料, 初版, 清華大學出版社, 北京,005 年 8 月

Chpmn, Elecric Mchinery Funmenl Fourh Eiion, Mcgrw Hill,005, pp67-87 [5] 林賜敬, 分散式發電系統之穩定度研究, 國立成功大學電機工程學系碩士論文, 民 93 [6] 黃國治傅豐禮, 中小旋轉電機設計手冊, 初版, 中國電力出版社,007 年 3 月 [7] 邱國平邱明,

5 V I(A) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日圖 3 轉子轉動 0 度磁力線分佈.5 圖 4 轉子轉動 30 度磁力線分佈.0 圖 8 輸出電流 Ⅵ. 結論與未來展望從本文中所使用的是外轉子多極的發電機, 藉由增加磁極數改善外轉子同步發電機特性, 利用輸出電壓來設計發電機參數, 與圖外轉子風力發電機實際特性與所設計的結果一致, 但本文還有可以改善的方面, 在未來也會繼續鑽研這個領域, 提升永磁同步發電機之特性, 以因應現在綠色科技的不斷成長, 風力發電機的普及以及綠色能源技術蓬勃發展參考文獻圖 5 轉子轉動 60 度磁力線分佈圖 6 轉子轉動 90 度磁力線分佈 [] 江炫樟, 電力電子學, 第三版, 全華科技圖書, 台北,008 年月 [] 魏靜微, 小功率永磁電機原理設計與應用, 初版, 機械工業出版社, 北京,009 年 3 月 [3] 田民波, 磁性材料, 初版, 清華大學出版社, 北京,005 年 8 月 [4] Sephen J. Chpmn, Elecric Mchinery Funmenl Fourh Eiion, Mcgrw Hill,005, pp67-87 [5] 林賜敬, 分散式發電系統之穩定度研究, 國立成功大學電機工程學系碩士論文, 民 93 [6] 黃國治傅豐禮, 中小旋轉電機設計手冊, 初版, 中國電力出版社,007 年 3 月 [7] 邱國平邱明, 永磁直流電機實用設計及應用技術, 初版, 機械工業出版社, 北京,009 年 3 月 [8] 王政友, 電機設計, 初版, 五洲出版社, 台北, 民 65 [9] L.N.Jin,K.T.Chu,Dong Zhng,J.Z.Jing n Zheng Wng, A Mgneic-gere Ouer-roor Permnen-mgne Bruhle Mchine for Win Power Generion, IEEE Inury Applicion Conference,pp ,007 [0] Z.Q.Zhu,n Dvi Howe, Influence of Deign Prmeer on Cogging Torque in Permnen Mgne Mchine, IEEE Trncion on Energy Converion,Vol.5,No.4,Dec 圖 7 輸出電壓 307

High-Power-Factor Flyback Converter for Light Emitting Diode

High-Power-Factor Flyback Converter for Light Emitting Diode 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日外轉子輪軸馬達設計之研究 Study of the Exterior-otor Hub Motor Design 連家祥 2 黃茂川葛世偉 Chi-Hsing Lien Mu-Chun Hung Shih-Wei Ku 高雄應用科技大學電機工程系 2 富田電機股份有限公司台灣高雄市台灣台中縣 Deprtment of Electricl