兆瓦级永磁直驱风力发电机瞬态场分析

许志伟， 彭 晓， 吕雨农

(湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)



兆瓦级永磁直驱风力发电机瞬态场分析

许志伟， 彭 晓， 吕雨农

(湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

永磁直驱风力发电机是风力发电的中核心装备，其设计分析具有重要意义.分析了永磁同步电动机转子磁极结构和永磁材料性能，利用Ansoft软件对兆瓦级永磁直驱风力发电机进行瞬态场电磁分析.得到了空载、负载运行时永磁直驱风力发电机磁场分布.为永磁直驱风力发电机的设计提供有效参考.

永磁直驱；风力发电机；电磁分析

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大；直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率[1-2]；同时，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性；而且，直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行.

1 永磁同步发电机转子结构和永磁材料

对于兆瓦级永磁同步风力发电机的容量非常大，为了减小永磁材料的耗材量，节省生产成本，采用高磁能积的永磁材料.目前风机制造企业主要采用稀土钴和钕铁硼.永磁转子结构有表面式、内置式、爪极式三种结构.表面式又可分为凸出式和插入式两种结构.

2 永磁同步发电机电枢绕组的设计

大功率风力发电机，因为额定电流大，相应的铜耗高.在设计电枢绕组时，需要选择一定的齿槽面积和绕组线径.同时齿部和轭部的磁通密度、机械强度满足要求.使得电机的铜耗减少和效率提升.

2.1 绕组型式和绕组节距的选择

双层叠绕组，该绕组型式具有端部排列方便、线圈尺寸相同等特点.在兆瓦级永磁同步风力发电机常见.

通常会确定绕组节距y=5/6τ，如此能够使得其基波绕组短距因数提高，同时还能够减小其五次和七次相带谐波磁动势.

2.2 绕组的并联支路数和每槽导体数

定子绕组并联支路数a，定子绕组电流I较大时，常把绕组接成a路并联，使每支路的电流减至Ia；也可采用数根导线并绕的方法使每根导线所通过的电流减小；双层叠绕组的并联支路数a最多为2p,还需要满足2pa为整数的条件.

有两种方法来估算定子绕组的每相导体数ZΦ.第一种是根据气隙磁通密度Bδ来估算，如公式(1)所示.

(1)

其中：UΦ为定子相电压；

Kdp1为定子基波绕组系数；

第二种是根据电负荷A的值来估算：

(2)

其中：Iw=PN×103mUΦ为定子绕组每相功电流.

定子绕组每槽导体数ZQ的计算公式为：

式中：Q为定子总槽数；

2.3 导线规格和槽满率的选择

根据定子绕组导线电流密度J，热负荷AJ可以得到导线截面积Ac的估算值，其确定公式如下所示：

或者

根据Ac的值可以确定导线并绕根数N和导线规格a×b.大型永磁同步电机采用扁导线成型绕组，导线截面积a×b一般应该小于3×8mm，且ba的值在1.5～4.0的范围之内.

永磁同步发电机的定子槽的截面积必须有足够大，使得每槽所有的导体能容易嵌线.用槽满率Ks来表示电机槽内导线的填充程度，公式如下所示：

(3)

其中：d为包含绝缘层的导线外径；Asef为槽面积减去槽绝缘、层间绝缘以及槽楔所占用的面积后得到的电机槽有效面积.

槽满率越高则槽的利用率越高，但槽满率受到加工工艺的限制不能过高.永磁同步发电机的槽满率通常会设计在70%～80%之间.

3 永磁同步发电机模型的空载、负载磁场分析

风力发电机功率2MW，60极数，定子外径为3850mm，定子内径为3600mm.转子外径为3535mm.建立的永磁同步风力发电机的模型如图1所示.在定义永磁材料的时，激磁方向是永磁磁极面域的坐标系的X轴的正方向.需要通过建立相对坐标系的方法来确定永磁磁极的激磁方向.通过在全局坐标系的基础上建立相对坐标系统的方法来实现，有多少磁极，就需要建立多少个相对坐标系统.

永磁直驱风力发电机空载磁阻力矩曲线、空载三相绕组磁链曲线和空载三相绕组反电势曲线特性如图2、图3所示[3-5].

图1 永磁同步风力发电机有限元模型

图2 空载力矩曲线图

图3 空载三相绕组反电势曲线图

图2所示的空载运行齿槽转矩脉动的最大值可以达到5.45 kN·m，平均脉动幅值大于2 kN·m.

图3中，三相永磁直驱风力发电机的三相绕组磁链较好的呈现为正弦比例关系，有效值、最大值分别为5.5 Wb、7.0 Wb.

同时，图3中，三相绕组反电势波形为标准的正弦波，表明发电机空载发电质量及输出电压设计达到预期目标.

负载运行的结果如图4～图6所示.

分析可知，负载运行时，由于同步电机电枢反应，气隙磁场发生畸变，三相绕组的磁链、反电动势均发生了变化.与电机实际运行情况相符.

图4 负载运行发电机力矩曲线

图5 负载运行磁链曲线

图6 负载运行反电势曲线

对永磁直驱风力发电机进行瞬态分析，在t=0.21 s时刻，空载和负载运行结果如图7、图8所示.

图7、图8中分别同时给出了空载、负载时磁力线分布Flux lines和磁通密度矢量Mag_B的分布图.通过矢量所示的磁通密度的方向、大小的变化，可以看出永磁风力发电机在实际运行时磁场的变化和旋转磁场的分布情况，对电机深层次的分析具有重要意义.

图7 空载磁通密度分布

图8 负载磁通密度分布

4 结语

通过对2 MW永磁直驱风力发电机进行电磁分析，利用空载特性，负载特性，磁场强度分布特性能在电机生产加工之前把握电机的性能，验证设计方案，对电机的制造具有重要的理论指导意义.

[1] 王雅玲，徐衍亮，刘西全．双定子永磁同步发电机 (II)—有限元分析及样机试验[J]．电工技术学报，2012，27(3)：68-72.

[2] 刘 婷，黄守道，欧阳红林．2 MW 双定子直驱永磁同步风力发电机的设计[J]．微特电机，2012，40(9)：16-19．

[3] 吕雨农，彭 晓，王步瑶，等．2 MW直驱永磁同步风力发电机的电磁设计[J]．湖南工程学院学报，2016，26(1)：15-18.

[4] 戴志立，彭 晓, 直驱永磁风力发电机高温短路去磁分析[J].湖南工程学院学报, 2014, 24(4): 8-10．

[5] 吕雨农．基兆瓦级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计和研究[D]．湖南工程学院硕士学位论文，2015：45-52

Transient Field Analysis of MW Level Permanent Magnet Direct Drive Wind Generator

XU Zhi-wei,PENG Xiao,LU Yu-nong

(Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The permanent magnet direct drive wind power generator is the core equipment of wind power generation, and its design analysis is of great significance. The performance of permanent magnet synchronous motor rotor magnetic pole structure is described, and the transient field electromagnetic analysis of MW level permanent magnet direct drive wind power generator is analyzed by using Ansoft software. The magnetic field distribution of permanent magnet direct drive wind generator is obtained, which provides effective reference for the design of permanent magnet direct drive wind power generator.

permanent magnet direct drive; wind power generator; electromagnetic analysis

2016-12-07

湖南省教育厅创新平台项目(15K031);湖南省科技厅重点研发计划项目(2016GK2018);湖南工程学院博士科研启动基金(15046)；湖南工程学院教改项目(13017).

许志伟 (1978-)，男，博士，副教授，研究方向:新型风力发电机、特种变压器等.

TM301.2；TM921.2

A

1671-119X(2017)02-0009-04