永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及仿真分析

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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由風(fēng)力直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，亦稱無齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)中屬易過載和易過早損壞的部件，因此沒有齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具備高效率、低噪聲、高壽命、體積小、維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。 在設(shè)計(jì)MW級永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),無論是主要尺寸、極槽數(shù)配合、電樞繞組和定子沖片的設(shè)計(jì)，還是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、永磁材料的選擇都有其自身的技術(shù)難點(diǎn)。在選取主要參數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算并進(jìn)行仿真分析。本文僅從電磁方面著重介紹3MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的要點(diǎn)及對電機(jī)主要性能進(jìn)行仿真分析[1]。

1 電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)的選取

1.1 主要尺寸的選擇

沒有增速器的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，大概是20r/min左右，這導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)極數(shù)多，定子外徑偏大。功率在3MW左右的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，定子直徑一般可以達(dá)到4～5m。并且永磁電機(jī)的磁負(fù)荷要高，在一定功率等級和電負(fù)荷下，永磁直驅(qū)同步電機(jī)體積要小，所以永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般設(shè)計(jì)成外徑大、軸向長度小的扁平狀結(jié)構(gòu)。

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及永磁材料的選擇

在永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子常采用徑向表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是漏磁系數(shù)較小、結(jié)構(gòu)簡單、磁極放置空間大、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高等。隨著永磁材料的發(fā)展，目前廣泛使用的是釹鐵硼永磁體，這種永磁材料的磁性能優(yōu)異,剩磁和矯頑力都非常高。在價(jià)格上也比較合理，比較適用的永磁體型號有N38SH、N40SH等。

永磁體的厚度對電機(jī)的性能影響主要有三個(gè)方面。首先磁鋼厚度會影響氣隙磁密的大小，磁鋼較厚氣隙磁密就會加大，功率密度增大；其次會影響到電機(jī)抗去磁能力的強(qiáng)弱，磁鋼較薄所能提供的磁動勢就會小，當(dāng)去磁磁勢較大時(shí)，就有可能造成磁鋼的局部不可逆去磁；再次磁鋼厚度會影響到電機(jī)成本，永磁材料的制造工藝復(fù)雜，成本較高，過厚的永磁體會增加電機(jī)的制造成本。目前MW級永磁發(fā)電機(jī)上磁鋼的厚度一般為20～40mm。

1.3 極弧系數(shù)的選擇

極弧系數(shù)αp指一個(gè)極距下永磁磁極所占有的寬度。極弧系數(shù)的大小對電機(jī)的電壓波形、轉(zhuǎn)矩紋波和漏磁系數(shù)影響很大。對于表貼式的轉(zhuǎn)子磁極，極弧系數(shù)過大，會造成感應(yīng)電勢三次諧波分量的增加，從而引起轉(zhuǎn)矩波動和損耗的增加，同時(shí)，極間漏磁也會上升。對于取什么樣的極弧系數(shù)才能提供好的電壓波形和降低轉(zhuǎn)矩紋波，這要看電機(jī)的其它參數(shù)來綜合考慮。總的來說，永磁同步電機(jī)的極弧系數(shù)要比電勵(lì)磁的凸極電機(jī)稍高，一般在0.65～0.8 之間。

1.4 氣隙磁密的選擇

表貼式永磁同步電機(jī)的氣隙磁密要比普通同步電機(jī)的氣隙磁密大，通常達(dá)到0.8T以上，這也體現(xiàn)了永磁電機(jī)高功率密度的特點(diǎn)。

1.5 電磁負(fù)荷的選擇

發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加是依靠材料進(jìn)步和電磁負(fù)荷密度的提高來實(shí)現(xiàn)的，電磁負(fù)荷密度的提高導(dǎo)致單位體積發(fā)熱的增加。本設(shè)計(jì)的3MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，所以鐵心損耗不會因?yàn)楦鱾€(gè)部分的磁密增加而增加很多，所以可以選取較高的B值。 輸出功率隨風(fēng)速增加而增大，發(fā)電機(jī)功率提高，發(fā)熱增加，但隨著風(fēng)速增加，散熱條件也大為改善。因此，在設(shè)計(jì)中也可以選取較高的A值。為了更好配合風(fēng)輪機(jī)工作, 需要發(fā)電機(jī)的特性曲線較軟, 為此選取了較大的電磁負(fù)荷比A/B。

1.6 每極每相槽數(shù)的選擇

永磁同步發(fā)電機(jī)中通常采用開口槽和雙層疊繞組，但開口槽也容易造成氣隙磁密的諧波含量大，齒槽轉(zhuǎn)矩大。實(shí)踐證明，采用分?jǐn)?shù)槽繞組是降低齒槽轉(zhuǎn)矩極為有效的辦法。同時(shí)由于永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變頻器的要求，發(fā)電機(jī)的額定頻率不能太低，所以一般電機(jī)選擇較大的極數(shù)。每極每相槽數(shù)的選取對發(fā)電機(jī)的性能影響很大，如對電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、發(fā)電諧波含量等[2]。

本文僅以3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)極數(shù)為80極，槽數(shù)分別為384、360、480時(shí)進(jìn)行對比仿真分析(對應(yīng)的每極每相槽數(shù)為1.6、1.5、2)。仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 仿真對比結(jié)果

由圖1很容易看出在不同每極每相槽數(shù)下，發(fā)電機(jī)反電勢波形和齒槽轉(zhuǎn)矩大小有明顯的差別，特別是整數(shù)槽的波形畸變很嚴(yán)重。為了進(jìn)一步分析各種方案下反電勢的波形諧波含量，對相反電勢波形進(jìn)行諧波分析，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

表1 反電勢諧波分析

Ku(%)表示電壓波形正弦性畸變率，畸變率小表示各次諧波含量少。從分析可以看出，整數(shù)槽時(shí)波形諧波含量大，齒槽轉(zhuǎn)矩更是大幾倍之多，所以設(shè)計(jì)時(shí)用分?jǐn)?shù)槽比較合適。但不同的分?jǐn)?shù)槽也有不同的影響，如q=1.6和q=1.5時(shí)在波形和齒槽轉(zhuǎn)矩上也有一定的差別，也需要進(jìn)行優(yōu)化選擇，使諧波含量、齒槽轉(zhuǎn)矩盡可能小。

2 主要技術(shù)參數(shù)

額定功率:3 000kW；額定定子電壓:690V；額定定子電流:2 674A；額定頻率:13.33Hz；額定功率因數(shù):0.98；效率:≥96%；極數(shù):80；額定轉(zhuǎn)速:20r/min；定子槽數(shù):384；永磁體:N40SH。

3 有限元分析

3.1 空載特性仿真分析

空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一，通過空載特性我們可以了解電機(jī)磁路的飽和趨勢齒槽轉(zhuǎn)矩大小，檢驗(yàn)電機(jī)磁路設(shè)計(jì)的是否合理；通過空載磁場分析，還可以計(jì)算出電機(jī)的空載反電勢及空載漏磁系數(shù)等，因此對發(fā)電機(jī)的空載特性進(jìn)行分析是十分有必要的[3]。

空載特性中一個(gè)最重要的指標(biāo)就是發(fā)電機(jī)的發(fā)電波形，即空載反電勢波形。圖2為3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載相反電勢波形，可以看出空載相反電勢波形良好，很接近于正弦波。

圖2 空載相反電勢波形

GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》中嚴(yán)格要求發(fā)電機(jī)的電壓正弦畸變率要小于5%，利用Maxwell 2D有限元分析軟件空載反電勢波形進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，見圖3。分解后經(jīng)過計(jì)算電壓波形正弦性畸變率為0.68%，小于GB 755中5%的規(guī)定。

圖3 空載相反電勢傅里葉級數(shù)分解

3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真計(jì)算

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的特有問題之一。齒槽轉(zhuǎn)矩會引起輸出轉(zhuǎn)矩的脈動和噪聲，齒槽轉(zhuǎn)矩過大，會引起電機(jī)的振動及起動困難。齒槽轉(zhuǎn)矩同樣影響電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位[4]。經(jīng)過分析計(jì)算，此次設(shè)計(jì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩最大幅值為182.86 N·m，如圖4所示。占發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.012%，比例非常小，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3.3 負(fù)載仿真分析

圖5 負(fù)載仿真外電路

圖6為發(fā)電機(jī)負(fù)載電壓波形，即并網(wǎng)時(shí)向電網(wǎng)所發(fā)送的波形，從圖中可以看出，電壓波形呈正弦波分布，并且比較光滑，說明諧波含量非常小。經(jīng)過計(jì)算，負(fù)載所發(fā)出電壓為694V，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 負(fù)載電壓波形

圖7為負(fù)載時(shí)電機(jī)磁密分布云圖，可以看出磁密分布合理，沒有過多飽和點(diǎn)出現(xiàn)。

圖7 負(fù)載磁密云圖

圖8為負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形成比較平滑的正弦波形，由于負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的作用，造成了氣隙磁密的前極靴增磁，后極靴去磁，略有畸變，但是從圖中可以看出氣隙磁密波形分布均勻、大小合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 負(fù)載氣隙磁密波形

3.4 短路仿真分析

永磁發(fā)電機(jī)對電機(jī)在短路時(shí)的短路電流要求是極其嚴(yán)格的，因?yàn)槎搪冯娏鬟^大，極有可能造成永磁體的永久性退磁，尤其是在電機(jī)三相短路時(shí)最為嚴(yán)重。通常三相穩(wěn)態(tài)短路電流小于電機(jī)額定電流的2.5倍，三相瞬態(tài)短路電流小于額定電流的6倍。此次設(shè)計(jì)，通過有限元分析軟件搭建外電路仿真永磁發(fā)電機(jī)突然短路，短路電流波形見圖9。通過分析計(jì)算可以得出，三相突然短路時(shí)，三相穩(wěn)態(tài)短路電流的最大值為5 997A，是額定電流的2.3倍；三相瞬態(tài)短路電流最大值為12 998A，是額定電流的4.8倍，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 短路電流波形

同時(shí)此次設(shè)計(jì)對三相瞬態(tài)短路時(shí)永磁體是否會發(fā)生退磁進(jìn)行了仿真分析，如圖10所示。從圖中可以看出短路時(shí)永磁體徑向的最小磁密為0.382T，大于本次設(shè)計(jì)所選用的永磁體退磁拐點(diǎn)0.25T，所以即使在發(fā)生三相短路時(shí)，永磁體也不會發(fā)生不可逆退磁。

圖10 退磁仿真分析

4 結(jié)語

目前，3MW及以上功率的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究設(shè)計(jì)在我國仍屬于初級階段，還有許多技術(shù)問題需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q。本文僅以3MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對其主要參數(shù)的選取做以介紹并對其主要性能做以仿真分析計(jì)算，希望本文能夠?qū)χ铝τ贛W級永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究人員起到一定借鑒作用。

[1] 謝若初.直接驅(qū)動式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.

[2] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 湯蘊(yùn)璆,史乃.電機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4] 張兆強(qiáng).MW級直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2007.

[5] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.