短路故障后整数槽表面安装式永磁风力发电机去磁转矩波动的研究

《IEEE Transactions on Energy Conversion》：Investigation of Post-Demagnetization Torque Ripple in Integer-Slot Surface-Mounted PM Wind Power Generators After Short-Circuit Faults

本文研究三相短路后整数槽表面永磁风力发电机去磁化转矩脉动，分析发现最严重去磁化线随旋转方向移动，径向和周向逐渐减弱。实验表明低永磁体温度下转矩脉动随恶化减轻，高温时先减后增，总脉动趋势与 cogging torque 一致，且高温易超原值。最后通过实验验证理论模型。

　　

摘要：

本文研究了整数槽表面安装式永磁（SPM）风力发电机在发生三相短路（3PSC）故障后的退磁转矩波动情况。首先，通过解析建模3PSC电流产生的退磁磁动势（MMF），分析了退磁分布模式。研究发现存在一条最严重的退磁线，该退磁线会沿着旋转方向偏离永磁体极轴。退磁程度在径向远离气隙的方向逐渐减小，并且在周向两侧也逐渐减小。随后，本文分别通过分析齿槽转矩和反电动势谐波来研究退磁后的转矩波动。结果表明，在永磁体温度较低时，随着退磁程度的加剧，齿槽转矩会减小；而在永磁体温度较高时，齿槽转矩先减小后增大。此外，随着退磁程度的加重，反电动势谐波和由此产生的转矩波动都会减小。尽管谐波转矩波动和齿槽转矩的幅度相位相反，但前者的幅度较小。因此，总转矩波动随退磁程度的变化而变化。最重要的是，当永磁体温度升高时，转矩波动更有可能超过退磁前的值。此外，本文还研究了3PSC启动转子位置对转矩波动的影响。研究发现，当3PSC在7π/6+kπ/3（k = 1, 2, 3…）位置启动时，退磁程度最轻，但此时转矩波动最大。最后，通过实验验证了理论分析的结果。

引言

永磁（PM）风力发电机在可再生能源领域取得了重大进展，能够以更高的效率和功率密度利用风能。表面安装式永磁（SPM）风力发电机因其设计简单且可控性良好而广受欢迎[1]。尽管具有这些优点，转矩波动仍然是SPM风力发电机的一个重要问题。与分数槽绕组配置相比，分数槽绕组配置能够更好地利用齿槽转矩和反电动势谐波的相互抵消效应，而整数槽绕组配置则更容易受到转矩波动的影响[2],[3]。转矩波动可能导致振动和噪音等不良后果[4]。振动可能导致SPM风力发电机的结构变形，而噪音会对生态环境产生负面影响。然而，考虑到整数槽绕组配置的优点，如可以实现绕组系数为1以及较小的转子涡流损耗[5]，这种绕组方式仍然被广泛应用于风力发电领域。因此，准确评估整数槽SPM风力发电机的转矩波动并将其控制在可接受范围内非常重要。