2 MW双定子直驱永磁同步风力发电机的设计

刘 婷，黄守道，欧阳红林

(湖南大学，湖南长沙410082)

0 引 言

现在，世界风电行业不但已经成为世界能源市场的重要成员，并且在刺激经济增长和创造就业机会中正发挥着越来越重要的作用。风力发电对于解决能源危机、促进经济发展具有重要的意义［1］。目前，国际上风力发电主要陆地风力发电，比起陆地风能，海上风力资源丰富，产量大，具有明显经济优势，同时不占用土地资源，受环境影响小。各国对海上风电产业的发展日益重视。根据《全国海岸带和海涂资源综合调查报告》，我国大陆沿岸浅海0～20 m等深线的海域面积为15.7万平方千米。其总量10～20%的海面可以利用，风电机组的实际布置按照5 000 kW/km2计算，则近海风电装机容量约为1～2亿kW，可开发的潜力巨大。

风力发电机是风力发电系统中将风能转化为电能的一个重要环节。风力发电机会影响发电系统的效率、可靠性以及控制性能等方面的性能。因此对风力发电机设计的研究很有必要。

而现在的风力发电机，尤其是海上风力机正向着单机容量大型化的方向发展。随着单机容量增加，发电机体积也越来越大，兆瓦级及以上的风电机很大很重，对陆路运输和现场吊装提出极大挑战，3 MW以上容量的风电机吊装需特殊设备和技术，从而限制风电机单机容量。因此，在增大电机容量的同时减小体积是风力发电机的发展趋势之一［2－3］。

永磁同步发电机可提高电机效率，减小电机体积，应用于风力发电系统有很大的优势。而利用永磁发电机做成直驱结构，对系统性能多个方面有改善提高作用，是风力发电发展的趋势，具有广阔的发展和应用前景［4－5］。

应用于风电系统的直驱永磁发电机多种多样，如径向磁通发电机、轴向磁通发电机和横向磁通发电机。这三种永磁电机是根据电机的主磁通方向来划分的。本文研究的是径向磁场电机，径向磁场电机可以采用内转子结构，外转子结构，以及多转子或多定子复合结构。本文则采用双定子复合结构设计一个额定功率2 MW的风力发电机，并通过有限元仿真软件建立模型，进行磁场仿真，研究其空载负载性能，并与相同功率的单定子发电机对比。

1 电机的电磁设计

1.1 磁路结构设计

双定子永磁同步风力发电机与单定子电机的不同在于增加了一个内定子，转子置于内外定子之间。通常，双定子发电机的磁路有串联结构和并联结构两种。串联结构相当于把两台电机的永磁体磁路串联到一起共用一个永磁体，转子永磁体为径向充磁或平行充磁;而并联结构则相当于把两台电机的永磁体磁路并连到一起共用一个转子，转子永磁体为切向充磁，沿切向嵌入转子部件中［6］。

如果采用并联磁路结构，永磁体发出磁通的有效面积会受到限制，同时还会出现因转子铁心叠片轴向磁阻的存在使永磁体磁密沿轴向分布不均匀的问题［7］。因此，本文以串联磁路结构为研究对象，其结构如图1所示。

图1 双定子永磁同步发电机结构图

1.2 定子及绕组设计

由于分数槽可有效降低发电机起动阻力矩，另外采用分数槽绕组以及短距绕组可以有效地改善电机的感应电动势，减少波形中的谐波［8］。因此，本文设计的双定子永磁同步风力发电机采用分数槽短距绕组。

由于直驱永磁同步风力发电机的体积很大，内部有较大的利用空间，因此本文的双定子发电机内外定子功率比为1∶1，内外定子的槽数相等。绕组采用传统的双层叠绕组。

1.3 转子及永磁体设计

由于本文采用的是串联磁路的双定子永磁同步电机结构，转子只有一层径向充磁的永磁体，而磁通会四次经过气隙。因此电机的气隙长度约为单定子电机的两倍，因此永磁体的设计对电机的性能影响很大，本设计采用的永磁材料为钕铁硼(NdFeB)。其主要参数如表1所示。

表1 钕铁硼主要参数

由于磁化方向长度对电机气隙磁密以及抗去磁能力等有影响。为了获得足够的气隙磁密，与单定子永磁同步风力发电机相比，所设计的双定子发电机磁化方向长度比单定子永磁同步风力发电机大。

另外，双定子电机的永磁体固定在杯型转子上，转动旋转时永磁体将承受一定的离心力，所以在其内外侧加装护套。

2 电机模型的建立

为了研究双定子结构对直驱永磁同步风力发电机性能的影响，本文分别对两种结构的发电机进行了设计与仿真分析。如图2所示。

首先，利用等效磁路的方法对两种结构的永磁同步发电机进行设计，得到不同设计方案。为了能够得到更好的对比效果，两方案样机功率相等，长度相同，永磁体均采用如表1所示性能的钕铁硼永磁体材料。各方案主要参数如表2所示。

表2 设计方案主要参数

3 有限元电磁场分析

3.1 空载特性分析

双定子永磁电机有内外两个定子，两个定子磁场相互耦合，因此，电枢反应引起的磁场变化比普通电机更加复杂，需要进行磁场计算才能进行较为准确的分析。本文对所设计的双定子电机进行了二维场有限元分析，得到其运行性能，并与普通单定子永磁同步风力发电机的性能进行比较。两种结构电机的磁力线以及电机中的磁密分布如图3所示。

从图3可以看出，两种结构电机的磁力线均为规律对称分布。极间存在一定漏磁。相邻磁极的磁力线组成闭合路径。而两种结构电机磁路的具体路径有所不同。单定子电机主磁路只经过一个定子，而对于串联磁路双定子永磁同步电机，内外定子通过几乎相同的每极气隙磁通，两个定子共用一个主磁路，主磁通同时经过外内定子而闭合。双定子电机各部磁密比单定子结构低。

本文对双定子以及单定子两种不同结构的电机进行有限元空载仿真分析。得到的各电机空载感应电压波形如图4所示。单定子电机A相空载感应电压有效值为450.62 V，双定子电机内外定子A相空载感应电压有效值分别为446.53 V和443.24 V，大小与单定子电机基本相同。内外定子的感应电压存在一定相位差，这是由于内外定子相对偏移了一个齿距。从图4中可以看出，相较于单定子发电机，双定子发电机的电压波形更平滑。

图3 磁力线与磁通分布

图4 空载电势波形

3.2 负载特性分析

对设计的电机进行有限元负载仿真分析。图5为单定子和双定子发电机空载和负载情况下的气隙磁密波形，两种结构气隙磁密分布相似。单定子和双定子结构空载磁密最大处为0.94 T和0.87 T。气隙磁密波形顶部呈齿状。这是由于定子齿槽的影响使气隙磁阻不均匀，定子齿对着的气隙磁阻小，而定子槽对着的气隙磁阻大。大多磁力线沿着磁阻小的齿部进入，从槽部进入的磁力线少。从而使得对着齿的地方气隙磁密高，对着槽的地方气隙磁密低。负载气隙磁密均因电枢反应发生畸变。

图6为单定子与双定子结构时电机输出转矩对比图。单定子和双定子永磁同步风力发电机的转矩波动分别为26.17 kN·m和21.05 kN·m。

图5 气隙磁密分布

图6 负载转矩波形

图7为两种结构电机在独立负载情况下运行时的端电压波形以及绕组电流波形。从图中可以看出，单定子永磁同步风力发电机输出电压为663.32 V，电流为1 741.99 A。双定子永磁同步发电机外定子输出电压和绕组电流为664.13 V和892.21 A，内定子输出电压和绕组电流为662.25 V和889.33 A。可以看出，独立负载时在负载电压达到额定电压时，双定子永磁同步风力发电机能内外定子输出功率之和能够达到2 MW。

图7 独立负载情况下的负载电压与电流波形

3.3 材料及体积比较

由于双定子电机与单定子电机结构不同，因此材料用量与重量也有一些区别，表3给出了两种结构电机的材料以及空间利用的具体情况。

表3 两种结构电机的重量和体积

双定子永磁电机和单定子电机具有相同的输出功率，由于双定子是在单定子原来转子内部的空间增加了一个内定子，其体积比单定子电机小17.8%，可节约发电机所占空间并减轻电机重量。双定子的结构特点大大减小了转子的重量，其总重量是单定子永磁同步发电机的82.3%。

4 结 语

本文利用有限元的方法对单定子和双定子两种结构的电机进行有限元仿真以及对比，研究了双定子结构对电机性能的影响。从仿真仿真结果可以看出，输出功率相同时，双定子结构的永磁同步风力发电机的运行性能良好。与单定子发电机相比，双定子结构的发电机体积小、重量轻，有利于风力发电，尤其是适于海上风力发电增大电机容量的同时减小体积重量的发展趋势。

［1］ 刘朋光，崔健生.我国风力发电的现状与前景［J］.林业科技情报，2008，40(2):98－99.

［2］ 高坤，李春，高伟，等.新型海上风力发电及其关键技术研究［J］.能源研究与信息，2010，26(2):110－116.

［3］ 王旭东，曹燕燕.海上风力发电技术现状及发展趋势［J］.科技创新导报，2008(5):92.

［4］ 薛玉石，韩力，李辉.直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景［J］.电机与控制应用，2008，35(4):1－5.

［5］ 包耳，胡红英.风力发电的发展状况与展望［J］.大连民族学院学报，2011，13(1):24－27.

［6］ 程树康，蔡鹤皋.新型电驱动控制系统及其相关技术［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［7］ 王洪莹，严欣平，黄嵩，等.电动摩托车用双定子永磁电机设计及其转矩分析［J］.微电机，2011，44(1):7－10.

［8］ 唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.