半直驱永磁风力发电机多相绕组结构设计及性能分析

张 岳，王凤翔

(1.辽宁科技学院，本溪117004;2.沈阳工业大学，沈阳110870)

0 引 言

超大功率直驱永磁风力发电机的体积过大，运输困难，且永磁体材料用量大，增加了系统的成本。增加一级增速机构可以提高电机转速，降低永磁发电机的体积，既便于运输，又降低永磁体材料的用量，降低系统成本，而且电机的极槽匹配也更加灵活［1］。

绕组多相结构可以提高系统性能的可靠性，在损失一相(或几相)的情况下，虽然系统输出功率有所降低，但仍能保持系统运行［2］。

本文详细阐述了功率为2 MW、20 极144 槽半直驱六相永磁风力发电机绕组结构设计，基于场路耦合法，分析了半直驱六相永磁风力发电机运行性能以及在缺相时的运行特点。

1 风力发电机的多相绕组结构

1.1 多相电机相数定义［2］

多相电机相数定义如下:电机定子有2q 个绕组，以β 电角度空间对称分布，当q 为整数时，若有2q 个出线端，则称为2q 相电机。

1.2 多相绕组结构

本文以20 极144 槽半直驱六相永磁风力发电机为例，研究多相电机绕组排列规则。一般多相电机按星型连接成的相带由下式(1)计算所得，即:

式中:m 为电机相数。

此时电机内部定子槽沿内圆每对极距内等分的槽距角由式(2)计算所得，即:

式中:Q 为电机槽数;p 为极对数。

图1 和图2 分别给出20 极、144 槽六相半直驱永磁风力发电机的槽电动势矢量图及它的相应绕组连接图。

图1 六相永磁发电机槽电动势矢量图

图2 六相电机绕组连接图

2 多相半直驱永磁风力发电机研究

2.1 电磁特性设计

本文首先对20 极144 槽、功率2 MW 的六相半直驱永磁风力发电机进行电磁设计，电机尺寸［3－4］:定子外径2 200 mm，定子内径1 800 mm，转子外径1 752 mm，铁心长度445 mm，永磁体材料为NdFeB，永磁体厚度25 mm，气隙长度4 mm。基于有限元法得到的有限元模型如图3 所示。

图3 六相半直驱永磁发电机有限元模型

2.2 六相半直驱永磁风力发电机的性能

尽管电机绕组是按照额定电压来设计的，但仍然可以计算在空载情况下的电动势。图4 为基于场路耦合法对20 极144 槽、功率2 MW 的六相半直驱永磁风力发电机计算得到的转速255 r/min 的空载相电压波形，其空载相电压幅值为1 000 V。图5 为空载时转速为255 r/min 的20 极144 槽、功率2 MW的六相半直驱永磁风力发电机磁力线分布图。从图5 中可以看出，磁力线合理分布在定子齿部和转子轭部内，永磁体间漏磁较小，定子齿部密度较大。

图4 六相半直驱永磁发电机空载相电压曲线

为了验证上述多相电机的绕组设计方法是可行的，基于场路耦合法，分析六相半直驱永磁风力发电机在转速为255 r/min 时、负载为“Y”连接的电阻性负载相电流以及输出功率运行情况［5－6］，图6 表示六相半直驱永磁风力发电机的负载相电流及输出功率曲线。从图中可以看到，输出功率达到2 MW，基本达到设计要求。图7 表示转速255 r/min 时的磁场分布情况。

图6 六相半直驱永磁发电机性能曲线

图7 磁力线分布图

2.3 相数对半直驱永磁风力发电机性能的影响

基于场路耦合法，在满载情况下、转速同为255 r/min 时的三相半直驱永磁风力发电机与六相半直驱永磁风力发电机的输出功率对比图如图8 所示。从图中可知，定子绕组采用六相所输出的功率比定子采用三相绕组输出的功率提高了约5%。这是因为定子槽和绕组的利用率提高，铜耗相对减少。

图8 三相和六相半直驱永磁发电机输出功率

2.4 缺相运行对半直驱永磁风力发电机性能的影响

若由空间相差30°电角度，采用并联连接两套三相绕组所构成的六相绕组出现故障时，可以切除出现故障的那一套三相绕组，由另外一套三相绕组继续工作，以保持电机能维持运行。图9 表示在某套三相绕组出现故障时，由另外一套三相绕组输出功率与正常运行时六相绕组输出功率的对比图。从图中可知，在缺相运行情况下，永磁风力发电机仍然能维持运行，只是输出功率降低了。

图9 六相半直驱永磁风力发电机缺相运行时的输出功率对比图

2.5 直驱与半直驱永磁风力发电机的性能对比

直驱与半直驱永磁风力发电机的性能对比如表1 所示。从表中可知，直驱永磁风力发电机没有采用增速结构，提高了运行可靠性，但电机转速低，体积较大;半直驱永磁风力发电机采用一级增速结构，运行可靠性与直驱相比降低，电机转速升高，体积减少。

表1 直驱与半直驱永磁风力发电机性能对比

在运行条件相同、输出功率相同的情况下，半直驱的效率比直驱的效率高，这意味着风能的利用率高;半直驱所使用的永磁体材料比直驱所使用的永磁体材料少，这不仅减轻永磁风力发电机的重量，而且可节省永磁体材料的使用，降低永磁风力风发电机成本。由于半直驱的槽数比直驱的少，在槽满率相同情况下，半直驱的定子槽绕组用铜量以及所产生的铜损耗比直驱少。

3 结 语

本文阐述了电机的多相绕组设计方法，基于场路耦合法，分析了2 MW、六相半直驱永磁风力发电机运行特性，在缺相时，仍能维持运行，提高了系统运行可靠性。仿真表明:采用本文所提出的多相绕组设计方法，可以有效提高半直驱永磁风力发电机的运行可靠性。

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［2］ 侯立军，苏彦民，陈林.六想异步电机的绕组结构极其仿真研究［J］.中小型电机，2004，31(2):5－9.

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