高速永磁同步風力發(fā)電機的設計研究

徐定旺，王秀和，董興華

(1.山東大學，濟南 250061；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司 秦皇島供電公司，秦皇島 066000)

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高速永磁同步風力發(fā)電機的設計研究

徐定旺1，王秀和1，董興華2

(1.山東大學，濟南 250061；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司 秦皇島供電公司，秦皇島 066000)

開發(fā)具有高功率密度的高速永磁同步發(fā)電機是風力發(fā)電機設計領域的一個重要方向。以一種用于儲能風力發(fā)電系統(tǒng)的360 kW、7 000 r/min永磁同步風力發(fā)電機為例，對高速永磁同步電機的設計進行了分析。在此基礎上對設計的電機進行了有限元仿真分析，仿真結(jié)果表明該電機電壓波形畸變率低，齒槽轉(zhuǎn)矩較小，能滿足設計要求。電機高速旋轉(zhuǎn)時，永磁體將受到巨大的離心力。為保護永磁體不受損害，采用了螺釘對永磁體固定并進行碳纖維套綁扎的新轉(zhuǎn)子保護措施。經(jīng)有限元分析，該措施能對永磁體形成有效保護。在上述研究的基礎上，進行了樣機的制造和試驗，試驗結(jié)果表明，電磁方案和轉(zhuǎn)子保護措施能夠滿足設計要求。

高速永磁同步風力發(fā)電機；電機設計；轉(zhuǎn)子強度；有限元仿真

0 引 言

風能作為一種清潔能源，已成為當今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗弧＝陙恚L力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，風機容量顯著增加[1-4]。隨著我國風電規(guī)模的擴大，在風電資源不太豐富的地區(qū)發(fā)展分散式風電項目，成為當前風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨向[5]。

在風力發(fā)電領域，永磁同步電機由于其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高等優(yōu)點得到了較為廣泛的應用。對于永磁同步風力發(fā)電機的設計，已有較多學者做過研究，所涉及的電機主要分為直驅(qū)式和帶增速齒輪箱兩類[6-9]，單機容量從幾十千瓦到幾兆瓦不等[10-12]。為適應分散式風電布局廣、數(shù)量多、風力資源有限的特點，開發(fā)高效、高功率密度、體積小的高速永磁同步發(fā)電機是風力發(fā)電機設計的新方向。

高速永磁同步風力發(fā)電機的設計可以借鑒現(xiàn)有永磁同步風力發(fā)電機的經(jīng)驗，但高速永磁電機的設計有其獨特的難點，即轉(zhuǎn)子強度問題[13-15]。永磁電機高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子永磁體會受到巨大的離心力，必須對永磁體加以保護。目前，對電機轉(zhuǎn)子的保護主要采用永磁體外側(cè)加裝非導磁合金套或碳纖維綁扎的措施。文獻[16-19]從理論分析和有限元仿真兩方面對采用不同轉(zhuǎn)子保護措施的高速永磁電機進行了轉(zhuǎn)子強度分析，并進行了相關保護套的設計。與本文設計的電機相比，文獻涉及的電機功率小、徑向尺寸小、轉(zhuǎn)速高，通過過盈配合能施加較大的靜態(tài)裝配壓力，抵消電機高速旋轉(zhuǎn)時離心力的影響。本文研究的電機功率大，徑向尺寸大，采用保護套方式難以對永磁體形成有效的保護。針對該情況，本文采用一種新的轉(zhuǎn)子保護措施，即先用螺釘固定永磁體，再用碳纖維進行綁扎。對采用新保護措施的電機轉(zhuǎn)子進行了有限元仿真，仿真結(jié)果顯示該措施能對永磁體形成有效保護，這對大功率高速永磁電機的設計有一定的借鑒意義。

本文設計的360 kW、7 000 r/min永磁同步風力發(fā)電機用于儲能風力發(fā)電系統(tǒng)，通過傳動裝置，風力發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速。本文根據(jù)設計要求，合理選擇電機結(jié)構(gòu)和參數(shù)，確定設計方案，并對所設計電機進行了有限元仿真分析，進行了樣機試制和試驗。目前，該電機已經(jīng)投入使用，效果良好。

1 電磁設計

表1為360 kW、7 000 r/min永磁同步風力發(fā)電機的具體設計要求。下面根據(jù)設計要求，進行電機的電磁設計。

表1 永磁同步風力發(fā)電機設計要求

1.1 極數(shù)的選擇

高速永磁電機極數(shù)一般采用2極或4極，為減小鐵耗，電機的極數(shù)不宜太多；另一方面，若選擇的極數(shù)太少，電機的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心軛部厚度較大，定子繞組端部較長。綜合考慮兩方面需要，該電機極數(shù)取為4。

1.2 電樞設計

該電機鐵心內(nèi)磁場交變頻率高，達到233 Hz，為減小鐵耗，定子鐵心采用0.35 mm厚硅鋼片。根據(jù)安裝要求，定子鐵心外徑選為445 mm。電機槽數(shù)選為60槽，電樞繞組采用雙層短距繞組以削弱感應電動勢中的諧波含量，改善波形畸變，線圈跨距取為13槽。

由于發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子永磁體會受到的離心力大，需要加保護套進行保護，同時考慮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時可能發(fā)生較大形變，氣隙長度選為2 mm。

1.3 轉(zhuǎn)子設計

1.3.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)子永磁體采用表面插入式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。考慮到每極永磁體尺寸較大，采用拼塊結(jié)構(gòu)，每極永磁體由三塊永磁體組成。為保護永磁體，在永磁體外側(cè)加裝保護套，保護套與永磁體之間采用過盈配合，保護套與轉(zhuǎn)子之間填充非導磁材料以使保護套受力均勻。

圖1 永磁同步風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 轉(zhuǎn)子永磁體的選擇

釹鐵硼是目前磁性能最強的永磁材料，且價格較稀土永磁材料低，考慮到該電機工作環(huán)境不是很惡劣，正常工作時溫度低于釹鐵硼永磁材料的最高工作溫度(150 ℃)[20-21]，故本設計選用燒結(jié)釹鐵硼永磁體，牌號為N35UH。

1.3.3 轉(zhuǎn)子永磁體尺寸設計

永磁體寬度的設計必須考慮對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，可以通過選擇合適的極弧系數(shù)來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩[21-22]。根據(jù)文獻[21]，在任意相對位置α，齒槽轉(zhuǎn)矩表達式：

(2)

式中：z為定子槽數(shù)；R1為轉(zhuǎn)子外半徑；R2為定子內(nèi)半徑；La為電樞鐵心長度；n為使nz/(2p)為整數(shù)的最小整數(shù)；Br(nz/2p)為永磁體剩磁沿氣隙圓周分布的nz/2p次分量；Br為永磁體剩磁密度；αp為極弧系數(shù)。

由齒槽轉(zhuǎn)矩表達式可以看出，永磁體剩磁的nz/2p次分量對齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，而Br(nz/2p)與極弧系數(shù)相關，故可通過選擇合適的極弧系數(shù)來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。對本電機，極弧系數(shù)選為11/15。基于選擇的極弧系數(shù)，每極下永磁體寬度為66°，永磁體分塊，每塊寬度為21.72°，兩塊永磁體之間的寬度為0.42°。

通過上述設計過程，該永磁同步風力發(fā)電機的主要參數(shù)如表2所示。

表2 7 000 r/min永磁同步風力發(fā)電機的主要參數(shù)

2 電磁方案的有限元分析

為檢驗設計方案是否合理，對上述設計的永磁同步風力發(fā)電機進行了有限元仿真。圖2為電機空載反電動勢波形，圖3為額定負載時線電壓波形，圖4為額定負載時各相電流波形。

圖2 空載運行反電動勢波形

圖3 額定負載線電壓波形

圖4 額定負載三相繞組電流波形

發(fā)電機電壓波形的好壞直接關系到發(fā)電機的發(fā)電質(zhì)量，通常用波形畸變率來表征電壓波形的畸變程度，電壓波形畸變率可由式(3)計算[14]：

(3)

式中：Un為線電壓第n次諧波有效值，U1為線電壓基波的有效值。

對圖3、圖4所示的電壓波形進行傅里葉分解，分析其諧波含量，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)計算，空載電壓和額定電壓的波形畸變率分別為2.67%和1.39%，均小于5%，滿足設計要求。

圖5 電壓電流諧波含量

圖6所示為電機齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果，可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值23 N·m，僅為額定轉(zhuǎn)矩的4.68%。

圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩

綜上所述，有限元仿真結(jié)果表明該電磁設計方案能夠滿足設計要求。

3 轉(zhuǎn)子保護措施的分析研究

本文設計的永磁同步風力發(fā)電機采用燒結(jié)釹鐵硼永磁體N35UH，該永磁體能承受很大的壓應力，但無法承受較大的拉應力[19]。電機高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子永磁體可能會因承受巨大的離心力而受到損害，故必須對永磁體采取保護措施。

目前，表貼式永磁電機轉(zhuǎn)子保護措施主要有兩種：一種是在永磁體外側(cè)加裝高強度非導磁合金保護套，另一種是采用高強度的復合材料如碳纖維對永磁體進行綁扎[18]。在該電機的設計過程中發(fā)現(xiàn)，由于該電機額定功率大，轉(zhuǎn)子徑向尺寸大，氣隙較小，保護套厚度較薄，導致裝配困難并難以施加較大的過盈量，電機未達到額定轉(zhuǎn)速時，永磁體即產(chǎn)生較大的徑向位移，保護套變形嚴重，甚至出現(xiàn)保護套與定子摩擦的現(xiàn)象。

為保護電機安全運行，本文采用一種新的轉(zhuǎn)子保護措施，即先用螺釘固定永磁體，后用碳纖維保護套綁扎。采用螺釘固定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。在滿足工程要求的前提下，螺釘?shù)闹睆綉M可能小，以減少其對電磁性能的影響，同時，螺釘?shù)倪x取要同保護套施加的過盈量配合。采用螺釘固定時，永磁體和護套的受力和變形解析計算較為復雜，本文采用有限元仿真分析。

圖7 采用螺釘固定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

取一個極下一塊永磁體建立仿真模型，轉(zhuǎn)子材料屬性如表3所示。

表3 永磁體及碳纖維材料屬性

注：碳纖維為正交各向異性材料，表中35,140分別對應徑向、切向彈性模量。

本文中永磁體采用內(nèi)六角螺釘進行固定，規(guī)格為M2×16，3.6級，預緊力為255 N，保護套與永磁體采用過盈配合，過盈量設置為0.01 mm。經(jīng)仿真分析，電機以1.2倍額定轉(zhuǎn)速運行時永磁體徑向應力及變形結(jié)果如圖8所示。

(a)永磁體徑向位移云圖(b)永磁體徑向應力云圖

圖8 1.2倍額定轉(zhuǎn)速運行時永磁體應力及變形結(jié)果

由圖8可知，采用螺釘固定永磁體后，當轉(zhuǎn)速為8 400 r/min時，永磁體的徑向位移不超過0.1 mm，可以認為永磁體不會松脫。永磁所受最大徑向應力為正，但該應力遠小于材料允許的應力極限，大部分永磁體仍受到壓應力，保護效果較好。有限元結(jié)果表明該措施能滿足工程應用要求。

4 樣機試驗

為測試本文設計電機的電磁性能和判斷轉(zhuǎn)子保護措施是否可行，對本文設計的永磁同步風力發(fā)電機制造了樣機如圖9所示。

對制造的永磁同步風力發(fā)電機進行了樣機試驗，部分樣機試驗結(jié)果如下所示。圖10為電機空載電壓曲線，圖11為冷態(tài)和熱態(tài)發(fā)電機外特性曲線。由實驗數(shù)據(jù)計算得電機的冷態(tài)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為4.06%，熱態(tài)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為3.04%。

圖10 電機空載電壓曲線圖11 發(fā)電機外特性曲線

測定了電機在不同轉(zhuǎn)速下的振動及噪聲，并測定了電機長時間工作的溫升情況，結(jié)果分別如圖12、圖13所示。

圖12 電機振動及噪聲曲線圖13 電機長時間運行溫升情況

采用直接法測試電機的效率，表4為效率測定的結(jié)果數(shù)據(jù)，由實驗結(jié)果計算可知，該永磁同步發(fā)電機的效率為96.57%，滿足設計要求。

表4 效率測定結(jié)果

5 結(jié) 語

1) 以一種用于儲能風力發(fā)電系統(tǒng)的360 kW、7 000 r/min永磁同步風力發(fā)電機的設計為例，對高速永磁同步電機電磁參數(shù)的選擇進行了分析，并根據(jù)設計要求，確定了該電機的電磁設計方案并進行了有限元仿真和樣機試驗。

2)為保證轉(zhuǎn)子的機械可靠性，本文采用先用螺釘固定永磁體，后用碳纖維綁扎固化的新轉(zhuǎn)子保護措施。有限元仿真結(jié)果表明采用該措施永磁體徑向位移和應力較小，能對永磁體形成有效保護。

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Design and Analysis of the High Speed Permanent Magnet Wind Generator

XUDing-wang1,WANGXiu-he1,DONGXing-hua2

(1.Shandong University,Jinan 250061,China；2.State Grid Jibei Electric Power Co.Ltd.,Qinhuangdao Power Supply Company,Qinhuangdao 066000,China)

Exploiting the high speed permanent magnet wind generator (PMWG) is one of the important aspects in the field of the PMWG design. In this paper, the detail design of a 360 kW, 7 000 r/min PMWG used in a wind energy storage system were introduced and the selection principle of the electromagnetic parameters was discussed. Based on the design scheme, the simulation was conducted. The simulation results show that theTHDof the voltage waveform and the cogging torque are small. The rotor structure of the designed PMWG is surface-mounted, thus the permanent magnet (PM) has to be protected from the huge centrifugal force. In order to protect the PM, a novel method that the PM was firstly fixed to the rotor core by screws, and then banded with carbon fiber were applied and verified to be effective through the finite element method (FEM).The simulation results indicate that the radial deformation and stress are small, which means that the PM would be protected effectively. Based on the above study, the prototype is manufactured and tested and the experiment results show that the design meets the requirements.

high speed PMWG; generator design; rotor strength; FEM

2015-12-27

國家自然科學基金項目(51577107)

TM315

A

1004-7018(2016)08-0015-04

徐定旺(1992-)，男，碩士研究生，主要從事永磁電機方面的研究。