一種適用於風力發電機的新型徑向磁通內置永磁渦流耦合器

核心概念

本文提出了一種新型徑向磁通內置永磁渦流耦合器，與表面貼片式永磁體相比，該耦合器具有更高的抗退磁能力，使其非常適合海上風力發電等可達性有限的應用。

摘要

文獻綜述

• 渦流耦合器越來越受歡迎，應用於飛輪儲能、高速磁懸浮技術和精密機械臂等領域，滿足了非接觸式扭矩傳遞和最小化機械磨損的需求。
• 渦流耦合器在風力渦輪機中的應用，提供了固有的振動過濾和過載保護。
• 有限元方法 (FEM) 是一種強大的分析工具，但對於初始設計來說速度太慢。
• 使用磁通管和拉普拉斯方程和泊松方程的解開發的解析模型，對於設計優化來說速度快且準確。

本文的貢獻

• 提出了一種新型徑向磁通內置永磁 (IPM) 渦流耦合器，與表面貼片式永磁體 (SPM) 拓撲結構相比，該耦合器具有更高的抗退磁能力。
• 永磁體不會直接暴露於反應磁場和感應電流產生的熱量中，從而提高了設備的抗退磁能力。
• 這種固有的抗退磁能力和振動過濾特性，使得所提出的設計適用於風力發電應用。
• 使用 FEM 獲得磁場、渦流和扭矩，然後通過原型耦合器的實驗結果進行驗證。

內置永磁渦流耦合器的設計與分析

• 耦合器的一側連接到原動機，旋轉時會在導電片 (CS) 中感應出渦流，這是由於兩側之間的相對速度造成的。
• 然後，這些感應電流與總氣隙磁場相互作用產生扭矩，總氣隙磁場是永磁體產生的磁場和渦流產生的反應磁場的空間疊加。
• 與 SPM 耦合器不同，永磁體不會直接暴露於反應磁場和導電片中感應渦流產生的熱量中，這提高了設備的抗退磁能力。
• CS 延伸出一段懸垂部分，為感應電流提供返回路徑。
• 使用二維和三維 FEM 獲得磁場和渦流。
• IPM 拓撲結構中的每個磁通迴路都與一塊磁體相關聯。
• 還存在通過軸以及頂部和底部表面的漏磁通，這是 IPM 配置的固有缺點。
• 永磁體內的磁場強度遠低於永磁體的矯頑力 (~870 kA/m)，確保了較高的抗退磁能力。
• 為了獲得最小的尺寸，外軛的厚度設計應使其最大磁通密度（磁通迴路閉合路徑的點）接近疊片的飽和點。
• 電流和磁場的相互作用產生洛倫茲力。
• 由於反應磁場會增加一個磁極的磁通密度並降低另一個磁極的磁通密度，因此電流密度分佈是不對稱的，在一個磁極後面電流密度更高。
• 扭矩-速度特性表明 FEM 和實驗結果之間具有良好的相關性。
• 負載扭矩越大，兩側之間的相對速度就越高。
• 為了避免過熱，最大可傳輸扭矩應在平均電流密度達到約 40-50 A/mm² 的速度下，具體取決於設備的熱模型。

結論與未來方向

• 本文提出、設計並製作了一種新型 IPM 渦流耦合器。
• 使用 FEM 推導和分析了磁場和渦流。
• 實驗結果驗證了設計和仿真結果。
• 永磁體不會暴露於反應磁場和渦流產生的熱量中，並且永磁體內的磁場強度保持在安全範圍內，這確保了更高的抗退磁能力，從而延長了使用壽命，使其非常適合海上風力發電等可達性有限的應用。
• 渦流耦合器的一種應用是作為渦輪機和發電機之間的中間扭矩傳輸路徑，過濾掉渦輪機中的扭矩瞬變（如陣風和塔架阴影效應），這有助於穩定發電機。
• 這些耦合器還被用於滑差同步永磁風力發電機 (SS-PMG) 中，它結合了感應發電機和同步發電機的原理。
• 與使用繞組轉子的傳統配置相比，這消除了對齒輪箱和電力電子變流器的需求（降低了成本），提供了簡單的維護，並消除了扭矩紋波。
• IPM 拓撲結構的一個缺點是 IPM 結構未使用側的固有漏磁通較大。
• 為了克服這個問題，我們打算研究圖 6(b) 中提出的拓撲結構，它集成了耦合器和發電機的永磁體側，利用了 IPM 結構的內半徑和外半徑表面。

統計資料

永磁體內的磁場強度遠低於永磁體的矯頑力 (~870 kA/m)。
為了避免過熱，最大可傳輸扭矩應在平均電流密度達到約 40-50 A/mm² 的速度下。

引述

與 SPM 耦合器不同，永磁體不會直接暴露於反應磁場和導電片中感應渦流產生的熱量中，這提高了設備的抗退磁能力。

從以下內容提煉的關鍵洞見

A Novel Radial-Flux IPM Eddy-Current Coupler for Wind Generator Applications

by Sajjad Moham... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23943.pdf

深入探究

除了海上風力發電，這種新型渦流耦合器還有哪些其他潛在的應用？

除了海上風力發電，這種新型徑向磁通內置永磁渦流耦合器還具有廣泛的應用前景，特別是在需要非接觸式扭矩傳遞和高可靠性的場合，例如：

**電動汽車和混合動力汽車：**渦流耦合器可以取代傳統的機械變速箱，實現無級變速和更平穩的駕駛體驗。由於其非接觸特性，渦流耦合器可以減少摩擦損耗，提高傳動效率，並延長使用壽命。
**飛輪儲能系統：**渦流耦合器可以作為飛輪和發電機之間的連接部件，實現高效的能量存儲和釋放。其過載保護功能可以保護飛輪系統免受損壞。
**高速磁懸浮技術：**渦流耦合器可以應用於磁懸浮列車和磁懸浮軸承，實現非接觸式驅動和支撐，減少摩擦損耗，提高運行速度和效率。
**精密機器人手臂：**渦流耦合器可以為機器人手臂提供精確的扭矩控制和過載保護，使其能夠執行精密的操作任務。
**其他可再生能源領域：**除了風力發電，渦流耦合器還可以應用於波浪能發電和潮汐能發電等領域，實現高效的能量轉換。
總之，這種新型渦流耦合器具有廣泛的應用前景，其優異的性能和可靠性使其成為許多領域的理想選擇。

與傳統的齒輪箱和電力電子變流器相比，這種新型渦流耦合器在成本和效率方面有何優勢？

與傳統的齒輪箱和電力電子變流器相比，這種新型渦流耦合器在成本和效率方面具有以下優勢：
成本方面：

**簡化系統結構：**渦流耦合器可以取代傳統的齒輪箱和電力電子變流器，簡化了系統結構，降低了製造成本。
**減少維護成本：**由於其非接觸特性，渦流耦合器不需要潤滑和更換齒輪等維護工作，可以大大降低維護成本。
效率方面：

**減少摩擦損耗：**渦流耦合器通過電磁感應傳遞扭矩，避免了機械接觸，可以大大減少摩擦損耗，提高傳動效率。
**降低噪音和振動：**渦流耦合器的非接觸特性使其運行平穩，噪音和振動較低，可以提高系統的可靠性和使用壽命。
總之，與傳統的齒輪箱和電力電子變流器相比，這種新型渦流耦合器具有成本低、效率高、可靠性高等優勢，在風力發電等領域具有廣闊的應用前景。

如何進一步提高這種新型渦流耦合器的性能和可靠性，例如通過使用新型材料或優化設計？

為了進一步提高這種新型徑向磁通內置永磁渦流耦合器的性能和可靠性，可以考慮以下幾個方面：
材料方面：

**採用高性能永磁材料：**使用剩磁更高、矯頑力更强的永磁材料，例如稀土永磁材料，可以提高耦合器的扭矩密度和效率。
**使用高導電率材料：**導電片可以使用銅或鋁等高導電率材料，以減少渦流損耗，提高傳遞效率。
**應用新型軟磁材料：**鐵芯可以使用磁導率更高、鐵損更低的軟磁材料，例如非晶合金或納米晶合金，以減少鐵耗，提高效率。
設計方面：

**優化磁路設計：**通過有限元分析等方法，優化永磁體的形狀、尺寸和排列方式，以及鐵芯的結構，可以減少磁路中的漏磁，提高磁通利用率，進而提高耦合器的扭矩密度和效率。
**優化導電片結構：**可以通過改變導電片的厚度、形狀和開槽方式等，優化渦流分佈，提高扭矩傳遞效率，並降低渦流損耗。
**改進散熱設計：**渦流損耗會產生熱量，影響耦合器的性能和壽命。可以通過增加散熱面積、使用導熱材料等方式，提高散熱效率，降低工作溫度，提高可靠性。
**探索新型結構：**例如文中提到的將耦合器和發電機的永磁體部分整合，可以減少漏磁，提高磁路利用率，進一步提高耦合器的性能。
其他方面：

**開發更精確的控制策略：**通過建立更精確的數學模型，並結合先進的控制算法，可以實現對耦合器輸出扭矩的精確控制，提高其在各種工況下的性能。
**進行長期可靠性測試：**在各種工況下進行長期可靠性測試，可以驗證耦合器的設計和材料選擇，並為進一步改進提供依據。
通過以上措施，可以有效提高這種新型渦流耦合器的性能和可靠性，使其在風力發電等領域發揮更大的作用。