永磁直驅同步風力發電機電磁設計及仿真分析

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

永磁直驅同步風力發電機是由風力直接驅動發電機進行發電，亦稱無齒輪風力發電機。這種發電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，免去齒輪箱這一傳統部件。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風力發電機中屬易過載和易過早損壞的部件，因此沒有齒輪箱的直驅式風力發電機，具備高效率、低噪聲、高壽命、體積小、維護成本低等諸多優點。 在設計MW級永磁直驅風力發電機時,無論是主要尺寸、極槽數配合、電樞繞組和定子沖片的設計，還是轉子結構形式、永磁材料的選擇都有其自身的技術難點。在選取主要參數時應進行準確的計算并進行仿真分析。本文僅從電磁方面著重介紹3MW永磁直驅同步風力發電機設計時需要注意的要點及對電機主要性能進行仿真分析[1]。

1 電磁設計主要參數的選取

1.1 主要尺寸的選擇

沒有增速器的永磁直驅同步風力發電機的轉速很低，大概是20r/min左右，這導致了發電機極數多，定子外徑偏大。功率在3MW左右的永磁直驅風力發電機，定子直徑一般可以達到4～5m。并且永磁電機的磁負荷要高，在一定功率等級和電負荷下，永磁直驅同步電機體積要小，所以永磁直驅同步風力發電機一般設計成外徑大、軸向長度小的扁平狀結構。

1.2 轉子結構及永磁材料的選擇

在永磁直驅同步發電機結構中，發電機的轉子常采用徑向表貼式轉子結構。其特點是漏磁系數較小、結構簡單、磁極放置空間大、運行可靠、轉子機械強度高等。隨著永磁材料的發展，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異,剩磁和矯頑力都非常高。在價格上也比較合理，比較適用的永磁體型號有N38SH、N40SH等。

永磁體的厚度對電機的性能影響主要有三個方面。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；其次會影響到電機抗去磁能力的強弱，磁鋼較薄所能提供的磁動勢就會小，當去磁磁勢較大時，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成本，永磁材料的制造工藝復雜，成本較高，過厚的永磁體會增加電機的制造成本。目前MW級永磁發電機上磁鋼的厚度一般為20～40mm。

1.3 極弧系數的選擇

極弧系數αp指一個極距下永磁磁極所占有的寬度。極弧系數的大小對電機的電壓波形、轉矩紋波和漏磁系數影響很大。對于表貼式的轉子磁極，極弧系數過大，會造成感應電勢三次諧波分量的增加，從而引起轉矩波動和損耗的增加，同時，極間漏磁也會上升。對于取什么樣的極弧系數才能提供好的電壓波形和降低轉矩紋波，這要看電機的其它參數來綜合考慮。總的來說，永磁同步電機的極弧系數要比電勵磁的凸極電機稍高，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的氣隙磁密要比普通同步電機的氣隙磁密大，通常達到0.8T以上，這也體現了永磁電機高功率密度的特點。

1.5 電磁負荷的選擇

發電機單機容量的增加是依靠材料進步和電磁負荷密度的提高來實現的，電磁負荷密度的提高導致單位體積發熱的增加。本設計的3MW永磁同步風力發電機的轉速較低，所以鐵心損耗不會因為各個部分的磁密增加而增加很多，所以可以選取較高的B值。 輸出功率隨風速增加而增大，發電機功率提高，發熱增加，但隨著風速增加，散熱條件也大為改善。因此，在設計中也可以選取較高的A值。為了更好配合風輪機工作, 需要發電機的特性曲線較軟, 為此選取了較大的電磁負荷比A/B。

1.6 每極每相槽數的選擇

永磁同步發電機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，齒槽轉矩大。實踐證明，采用分數槽繞組是降低齒槽轉矩極為有效的辦法。同時由于永磁風力發電系統中變頻器的要求，發電機的額定頻率不能太低，所以一般電機選擇較大的極數。每極每相槽數的選取對發電機的性能影響很大，如對電機的齒槽轉矩、發電諧波含量等[2]。

本文僅以3MW風力發電機極數為80極，槽數分別為384、360、480時進行對比仿真分析(對應的每極每相槽數為1.6、1.5、2)。仿真結果如圖1所示。

圖1 仿真對比結果

由圖1很容易看出在不同每極每相槽數下，發電機反電勢波形和齒槽轉矩大小有明顯的差別，特別是整數槽的波形畸變很嚴重。為了進一步分析各種方案下反電勢的波形諧波含量，對相反電勢波形進行諧波分析，數據結果如表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，整數槽時波形諧波含量大，齒槽轉矩更是大幾倍之多，所以設計時用分數槽比較合適。但不同的分數槽也有不同的影響，如q=1.6和q=1.5時在波形和齒槽轉矩上也有一定的差別，也需要進行優化選擇，使諧波含量、齒槽轉矩盡可能小。

2 主要技術參數

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:0.98；效率:≥96%；極數:80；額定轉速:20r/min；定子槽數:384；永磁體:N40SH。

3 有限元分析

3.1 空載特性仿真分析

空載特性是發電機的基本特性之一，通過空載特性我們可以了解電機磁路的飽和趨勢齒槽轉矩大小，檢驗電機磁路設計的是否合理；通過空載磁場分析，還可以計算出電機的空載反電勢及空載漏磁系數等，因此對發電機的空載特性進行分析是十分有必要的[3]。

空載特性中一個最重要的指標就是發電機的發電波形，即空載反電勢波形。圖2為3MW風力發電機空載相反電勢波形，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《旋轉電機 定額和性能》中嚴格要求發電機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行傅里葉級數分解，見圖3。分解后經過計算電壓波形正弦性畸變率為0.68%，小于GB 755中5%的規定。

圖3 空載相反電勢傅里葉級數分解

3.2 齒槽轉矩仿真計算

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

圖4 齒槽轉矩波形

3.3 負載仿真分析

圖5 負載仿真外電路

圖6為發電機負載電壓波形，即并網時向電網所發送的波形，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。經過計算，負載所發出電壓為694V，符合設計要求。

圖6 負載電壓波形

圖7為負載時電機磁密分布云圖，可以看出磁密分布合理，沒有過多飽和點出現。

圖7 負載磁密云圖

圖8為負載時氣隙磁密波形成比較平滑的正弦波形，由于負載時電樞反應的作用，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，滿足設計要求。

圖8 負載氣隙磁密波形

3.4 短路仿真分析

永磁發電機對電機在短路時的短路電流要求是極其嚴格的，因為短路電流過大，極有可能造成永磁體的永久性退磁，尤其是在電機三相短路時最為嚴重。通常三相穩態短路電流小于電機額定電流的2.5倍，三相瞬態短路電流小于額定電流的6倍。此次設計，通過有限元分析軟件搭建外電路仿真永磁發電機突然短路，短路電流波形見圖9。通過分析計算可以得出，三相突然短路時，三相穩態短路電流的最大值為5 997A，是額定電流的2.3倍；三相瞬態短路電流最大值為12 998A，是額定電流的4.8倍，均滿足設計要求。

圖9 短路電流波形

同時此次設計對三相瞬態短路時永磁體是否會發生退磁進行了仿真分析，如圖10所示。從圖中可以看出短路時永磁體徑向的最小磁密為0.382T，大于本次設計所選用的永磁體退磁拐點0.25T，所以即使在發生三相短路時，永磁體也不會發生不可逆退磁。

圖10 退磁仿真分析

4 結語

目前，3MW及以上功率的永磁直驅同步風力發電機的研究設計在我國仍屬于初級階段，還有許多技術問題需要我們去研究解決。本文僅以3MW永磁直驅同步風力發電機為例，對其主要參數的選取做以介紹并對其主要性能做以仿真分析計算，希望本文能夠對致力于MW級永磁同步風力發電機研究人員起到一定借鑒作用。

[1] 謝若初.直接驅動式永磁風力發電機設計研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2005.

[2] 唐任遠.現代永磁電機設計及理論[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3] 湯蘊璆,史乃.電機學.北京：機械工業出版社，2007.

[4] 張兆強.MW級直驅永磁同步風力發電機設計[D].上海交通大學，2007.

[5] 陳世坤.電機設計.北京：機械工業出版社，1990.