2 MW雙定子直驅永磁同步風力發電機的設計

劉 婷，黃守道，歐陽紅林

(湖南大學，湖南長沙410082)

0 引 言

現在，世界風電行業不但已經成為世界能源市場的重要成員，并且在刺激經濟增長和創造就業機會中正發揮著越來越重要的作用。風力發電對于解決能源危機、促進經濟發展具有重要的意義［1］。目前，國際上風力發電主要陸地風力發電，比起陸地風能，海上風力資源豐富，產量大，具有明顯經濟優勢，同時不占用土地資源，受環境影響小。各國對海上風電產業的發展日益重視。根據《全國海岸帶和海涂資源綜合調查報告》，我國大陸沿岸淺海0～20 m等深線的海域面積為15.7萬平方千米。其總量10～20%的海面可以利用，風電機組的實際布置按照5 000 kW/km2計算，則近海風電裝機容量約為1～2億kW，可開發的潛力巨大。

風力發電機是風力發電系統中將風能轉化為電能的一個重要環節。風力發電機會影響發電系統的效率、可靠性以及控制性能等方面的性能。因此對風力發電機設計的研究很有必要。

而現在的風力發電機，尤其是海上風力機正向著單機容量大型化的方向發展。隨著單機容量增加，發電機體積也越來越大，兆瓦級及以上的風電機很大很重，對陸路運輸和現場吊裝提出極大挑戰，3 MW以上容量的風電機吊裝需特殊設備和技術，從而限制風電機單機容量。因此，在增大電機容量的同時減小體積是風力發電機的發展趨勢之一［2－3］。

永磁同步發電機可提高電機效率，減小電機體積，應用于風力發電系統有很大的優勢。而利用永磁發電機做成直驅結構，對系統性能多個方面有改善提高作用，是風力發電發展的趨勢，具有廣闊的發展和應用前景［4－5］。

應用于風電系統的直驅永磁發電機多種多樣，如徑向磁通發電機、軸向磁通發電機和橫向磁通發電機。這三種永磁電機是根據電機的主磁通方向來劃分的。本文研究的是徑向磁場電機，徑向磁場電機可以采用內轉子結構，外轉子結構，以及多轉子或多定子復合結構。本文則采用雙定子復合結構設計一個額定功率2 MW的風力發電機，并通過有限元仿真軟件建立模型，進行磁場仿真，研究其空載負載性能，并與相同功率的單定子發電機對比。

1 電機的電磁設計

1.1 磁路結構設計

雙定子永磁同步風力發電機與單定子電機的不同在于增加了一個內定子，轉子置于內外定子之間。通常，雙定子發電機的磁路有串聯結構和并聯結構兩種。串聯結構相當于把兩臺電機的永磁體磁路串聯到一起共用一個永磁體，轉子永磁體為徑向充磁或平行充磁;而并聯結構則相當于把兩臺電機的永磁體磁路并連到一起共用一個轉子，轉子永磁體為切向充磁，沿切向嵌入轉子部件中［6］。

如果采用并聯磁路結構，永磁體發出磁通的有效面積會受到限制，同時還會出現因轉子鐵心疊片軸向磁阻的存在使永磁體磁密沿軸向分布不均勻的問題［7］。因此，本文以串聯磁路結構為研究對象，其結構如圖1所示。

圖1 雙定子永磁同步發電機結構圖

1.2 定子及繞組設計

由于分數槽可有效降低發電機起動阻力矩，另外采用分數槽繞組以及短距繞組可以有效地改善電機的感應電動勢，減少波形中的諧波［8］。因此，本文設計的雙定子永磁同步風力發電機采用分數槽短距繞組。

由于直驅永磁同步風力發電機的體積很大，內部有較大的利用空間，因此本文的雙定子發電機內外定子功率比為1∶1，內外定子的槽數相等。繞組采用傳統的雙層疊繞組。

1.3 轉子及永磁體設計

由于本文采用的是串聯磁路的雙定子永磁同步電機結構，轉子只有一層徑向充磁的永磁體，而磁通會四次經過氣隙。因此電機的氣隙長度約為單定子電機的兩倍，因此永磁體的設計對電機的性能影響很大，本設計采用的永磁材料為釹鐵硼(NdFeB)。其主要參數如表1所示。

表1 釹鐵硼主要參數

由于磁化方向長度對電機氣隙磁密以及抗去磁能力等有影響。為了獲得足夠的氣隙磁密，與單定子永磁同步風力發電機相比，所設計的雙定子發電機磁化方向長度比單定子永磁同步風力發電機大。

另外，雙定子電機的永磁體固定在杯型轉子上，轉動旋轉時永磁體將承受一定的離心力，所以在其內外側加裝護套。

2 電機模型的建立

為了研究雙定子結構對直驅永磁同步風力發電機性能的影響，本文分別對兩種結構的發電機進行了設計與仿真分析。如圖2所示。

首先，利用等效磁路的方法對兩種結構的永磁同步發電機進行設計，得到不同設計方案。為了能夠得到更好的對比效果，兩方案樣機功率相等，長度相同，永磁體均采用如表1所示性能的釹鐵硼永磁體材料。各方案主要參數如表2所示。

表2 設計方案主要參數

3 有限元電磁場分析

3.1 空載特性分析

雙定子永磁電機有內外兩個定子，兩個定子磁場相互耦合，因此，電樞反應引起的磁場變化比普通電機更加復雜，需要進行磁場計算才能進行較為準確的分析。本文對所設計的雙定子電機進行了二維場有限元分析，得到其運行性能，并與普通單定子永磁同步風力發電機的性能進行比較。兩種結構電機的磁力線以及電機中的磁密分布如圖3所示。

從圖3可以看出，兩種結構電機的磁力線均為規律對稱分布。極間存在一定漏磁。相鄰磁極的磁力線組成閉合路徑。而兩種結構電機磁路的具體路徑有所不同。單定子電機主磁路只經過一個定子，而對于串聯磁路雙定子永磁同步電機，內外定子通過幾乎相同的每極氣隙磁通，兩個定子共用一個主磁路，主磁通同時經過外內定子而閉合。雙定子電機各部磁密比單定子結構低。

本文對雙定子以及單定子兩種不同結構的電機進行有限元空載仿真分析。得到的各電機空載感應電壓波形如圖4所示。單定子電機A相空載感應電壓有效值為450.62 V，雙定子電機內外定子A相空載感應電壓有效值分別為446.53 V和443.24 V，大小與單定子電機基本相同。內外定子的感應電壓存在一定相位差，這是由于內外定子相對偏移了一個齒距。從圖4中可以看出，相較于單定子發電機，雙定子發電機的電壓波形更平滑。

圖3 磁力線與磁通分布

圖4 空載電勢波形

3.2 負載特性分析

對設計的電機進行有限元負載仿真分析。圖5為單定子和雙定子發電機空載和負載情況下的氣隙磁密波形，兩種結構氣隙磁密分布相似。單定子和雙定子結構空載磁密最大處為0.94 T和0.87 T。氣隙磁密波形頂部呈齒狀。這是由于定子齒槽的影響使氣隙磁阻不均勻，定子齒對著的氣隙磁阻小，而定子槽對著的氣隙磁阻大。大多磁力線沿著磁阻小的齒部進入，從槽部進入的磁力線少。從而使得對著齒的地方氣隙磁密高，對著槽的地方氣隙磁密低。負載氣隙磁密均因電樞反應發生畸變。

圖6為單定子與雙定子結構時電機輸出轉矩對比圖。單定子和雙定子永磁同步風力發電機的轉矩波動分別為26.17 kN·m和21.05 kN·m。

圖5 氣隙磁密分布

圖6 負載轉矩波形

圖7為兩種結構電機在獨立負載情況下運行時的端電壓波形以及繞組電流波形。從圖中可以看出，單定子永磁同步風力發電機輸出電壓為663.32 V，電流為1 741.99 A。雙定子永磁同步發電機外定子輸出電壓和繞組電流為664.13 V和892.21 A，內定子輸出電壓和繞組電流為662.25 V和889.33 A。可以看出，獨立負載時在負載電壓達到額定電壓時，雙定子永磁同步風力發電機能內外定子輸出功率之和能夠達到2 MW。

圖7 獨立負載情況下的負載電壓與電流波形

3.3 材料及體積比較

由于雙定子電機與單定子電機結構不同，因此材料用量與重量也有一些區別，表3給出了兩種結構電機的材料以及空間利用的具體情況。

表3 兩種結構電機的重量和體積

雙定子永磁電機和單定子電機具有相同的輸出功率，由于雙定子是在單定子原來轉子內部的空間增加了一個內定子，其體積比單定子電機小17.8%，可節約發電機所占空間并減輕電機重量。雙定子的結構特點大大減小了轉子的重量，其總重量是單定子永磁同步發電機的82.3%。

4 結 語

本文利用有限元的方法對單定子和雙定子兩種結構的電機進行有限元仿真以及對比，研究了雙定子結構對電機性能的影響。從仿真仿真結果可以看出，輸出功率相同時，雙定子結構的永磁同步風力發電機的運行性能良好。與單定子發電機相比，雙定子結構的發電機體積小、重量輕，有利于風力發電，尤其是適于海上風力發電增大電機容量的同時減小體積重量的發展趨勢。

［1］ 劉朋光，崔健生.我國風力發電的現狀與前景［J］.林業科技情報，2008，40(2):98－99.

［2］ 高坤，李春，高偉，等.新型海上風力發電及其關鍵技術研究［J］.能源研究與信息，2010，26(2):110－116.

［3］ 王旭東，曹燕燕.海上風力發電技術現狀及發展趨勢［J］.科技創新導報，2008(5):92.

［4］ 薛玉石，韓力，李輝.直驅永磁同步風力發電機組研究現狀與發展前景［J］.電機與控制應用，2008，35(4):1－5.

［5］ 包耳，胡紅英.風力發電的發展狀況與展望［J］.大連民族學院學報，2011，13(1):24－27.

［6］ 程樹康，蔡鶴皋.新型電驅動控制系統及其相關技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［7］ 王洪瑩，嚴欣平，黃嵩，等.電動摩托車用雙定子永磁電機設計及其轉矩分析［J］.微電機，2011，44(1):7－10.

［8］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業出版社，1997.