基于Ansoft/ RMxprt的大功率永磁同步风力发电机优化设计

朱公栋，王益轩，高 丹,陈荣荣

(西安工程大学 机电工程学院，陕西西安 710048)

基于Ansoft/ RMxprt的大功率永磁同步风力发电机优化设计

朱公栋，王益轩，高 丹,陈荣荣

(西安工程大学 机电工程学院，陕西西安 710048)

介绍了为提高发电机的材料利用率以达到风力发电机组轻量化设计的目的，通过利用Ansoft/ RMxprtc参数化功能优化了发电机的定子外径、定子内径及转子外径尺寸后，再优化永磁体尺寸。再用Ansoft/ Maxwell 2D软件对参数优化后的电机进行电磁场有限元分析，得到电机的性能仿真曲线，无需经过样机制造及实机试验，缩短了周期且节省了费用，为永磁发电机性能的优化提供了可靠的依据。

永磁同步发电机； Ansoft/ RMxprt；参数优化； 有限元分析

0 引言

大型风力发电系统一般都采用增速机构将风力机的转速提高后再驱动发电机。然而，采用多级齿轮的机械传动，不仅增加了振动和噪声，而且由于润滑系统和机械磨损需要定期维护，增速机构成为风电机组故障率较多的薄弱环节。目前现代风力发电技术的发展趋势是无刷化和采用取消增速机构的风力机直驱低速发电机。其中最典型的是直驱式永磁同步风力发电机。然而，永磁材料造价昂贵，永磁发电机随着输出功率增大，使得发电机的尺寸和质量也在不断增加，给运输和安装造成很大的不便，使发电机可靠性降低，因此必须对其进行优化设计，达到轻量化的目的[1]。

近二十年来，随着电机优化方法的深入研究和优化理论的进一步发展，电机优化设计正朝着可靠、高效率和智能化的方向发展。因为永磁同步电机可选的优化变量多、变量之间的关系复杂、技术性能指标差异大、电机设计理论不成熟、电磁性能校核计算复杂、经验积累不足等，使得优化设计较为困难。在永磁电机的设计中,永磁材料的尺寸确定是非常重要的。永磁体的设计包括永磁材料的种类、形状、摆放位置和尺寸大小的确定。文献[2]用ANSYS 软件对一种隐极永磁电机的磁路进行有限元分析,计算出磁路的主要漏磁系数,再由磁路计算,得到永磁电机所需的永磁体大小。但该方法计算时间较长，不适合对不同功率和结构形式的电机进行优化。Ansoft/ RMxprt参数化计算支持多参数同时计算，以图形和表格形式输出结果，方便对数据进行处理得到优选方案[2]。

笔者利用Ansoft软件基于磁路法模块Rmxprt对2 MW凸极形式的永磁同步风力发电机的定转子和永磁体尺寸进行参数化的优选，设计出永磁电机合理的定转子尺寸、极弧系数Emb、铁心长度L和永磁体厚度hm。得到优选方案后，将该方案导入到电磁场计算模块Ansoft /Maxwell 2D中进行有限元分析，验证所选设计参数的合理性。

1 RMxprt定转子尺寸参数化分析

2 MW永磁同步风力发电机的结构型式可参考图5，借鉴相关文献[3]，通过经验公式预选一组发电机参数,其主要结构参数如表1所示。

为了得到性能优良的2 MW永磁同步风力发电机参数，需要对电机设计方案进行优化。在预选方案的基础上，运用Ansoft/RMxprt 软件的参数化分析,在设定的电机参数变化范围内得到电机性能的变化趋势。在参数化分析时，所选用的定子硅钢片材料为DW360-50,磁钢材料为NdFe35,其剩磁密度为1.23 T，矫顽力为960 kA/m,发电机机端电压恒定维特为690 V。

表1 发电机主要结构参数

1.1 定转子尺寸参数化分析

表2为定转子内外径的变化范围，以发电机效率、输出功率、发电机总重为输出变量。因将4个参数组合将使计算量增大很多，为节省计算时间，首先对其最大尺寸即定子外径进行优选，图1,图2为定子外径与效率和输出功率的曲线。

表2 转子定子内外径变化范围 mm

图1 定子外径与效率关系

图2 定子外径与输出功率

图1中效率最大值出现在3 970 mm处,但从3 900 mm开始效率随定子外径的增加,上升很慢,但发电机的质量会增加很多,因此选择定子的内径为3 900 mm。外径优选确定后，继续对定子内径与转子外径进行优选，因为二者直接影响着电机气隙的大小，因此对他们进行同时优化。表3为以效率降序排列的输出数据。

表3 转子外径、定子内径参数计算

(续表)

考虑到气隙过大会使电流过大，发电机容易过热，因此将气隙大于6 mm的尺寸组合去掉。通过综合比较各参数的效率、输出功率、发电机总重，选择了第7组参数作为最优方案。同样对转子内径进行参数化计算，最终选取定子外径为3 900 mm，转子外径为3 472 mm，转子内径3 480 mm，参照定子外径的优化方法，选择转子内径为3 000 mm。

1.2 永磁体尺寸参数化分析

为了优化永磁体的用量，即在保证发电机性能的前提下，减少永磁体的用量，所以选择铁心长度、磁钢厚度和磁钢极弧系数与永磁体总质量密切相关的3个参数为优化对象，他们的变化范围如下表4。

表4 参数的变化范围

图3为参数化分析时效率随不同参数变化的曲线图。从图中可以看出，参数从初始值向最终值变化时效率的变化趋势。图中(a)图为极弧系数取0.75、永磁体厚度取20 mm时效率随铁心长度变化的曲线图，(b)图为极弧系数取0.8、铁心长度取1 000 mm时效率随永磁体厚度变化的曲线图，(c)图为铁心长取1 000 mm、永磁体厚度取20 mm时效率随极弧系数变化的曲线图。

图3 效率随不同参数变化的曲线图

经过优化计算后的参数如下表5。对比表1和表5，优选方案发电机的总质量大幅降低，且永磁体用量减少，节省了发电机的制造成本。根据表5的优选参数，用RMxprt计算后得到的性能曲线如图4。

表5 优化后电机设计方案的参数

图4 发电机的性能曲线

2 发电机的二维有限元分析

将RMxprt磁路法分析所确定的电机设计方案导入到Maxwell 2D中，分析电机在空载下的静态磁场及空载和不同负载时的瞬态磁场。根据磁场分析结果分析永磁同步发电机的发电性能。图5左边为Maxwell所产生的永磁同步发电机的有限元模型，对其进行网格细化，由于整个电机的模型比较大，为了减少计算量采用如右图的1/12模型。

2.1 空载稳态磁场分析

通过后处理，可得到永磁同步发电机的磁力线、磁密分布等场图。如图6，其中图(a)和图(b)为永磁发电机磁力线和磁通密度云图。图(c)为一个单元下径向气隙磁密的分布图。对径向磁密进行傅里叶分析如图(d) ,可看出其基波幅值为1.120 T。

图5 磁同步发电机的有限元模型

图6 稳态磁场分析结果

2.2 空载特性分析

空载特性是发电机的基本特性之一，通过空载特性可以了解到电机的磁路设计的是否合理。从空载特性可以看出电机磁路的饱和趋势及电机输出电压的大小，得到如图7所示,(a)空载感应电动势，(b)气隙磁密波形。在后处理中，通过对气隙磁密波形进行傅立叶分析，可以得到(c)气隙磁密FFT频谱。

2.3 负载磁场分析

发电机在负载运行时，定子电枢绕组电流不再为零，电枢绕组电流产生的电枢磁动势既影响气隙磁场的分布和大小，又影响永磁体的工作状态。下面对永磁风力同步发电机在额定负载下的磁场进行分析。通过分析，得到了额定负载运行时的一些特性曲线，如图8所示, (a)电枢绕组电流波形、将图(a)经过傅里叶变换后得到如图(b)FFT绕组电流、(c)气隙磁密波形和(d)气隙磁密FFT频谱。

对比空载和额定负载时的特性曲线图，可以看出负载时，气隙磁场、反电动势及电枢电流等波形较空载时发生了变化。这是因为负载时电枢绕组中的电流产生了电枢反应，使得气隙磁场发生了畸变。从曲线图上还可以看出，所设计的永磁同步风力发电机满足设计要求，能够输出额定要求的电压及功率值。

图7 空载运行时的一些特性曲线

图8 额定负载运行时的一些特性曲线

3 结语

大功率永磁同步风力发电机尺寸优化方法是在保证永磁电机性能的情况下,利用Ansoft/RMprt参数化计算功能优化设计确定了电机的定、转子尺寸和永磁体尺寸。用Ansoft/Maxwell 2D对参数优化后的电机进行电磁有限元分析,得到了电机的电磁性能仿真曲线。不再需要花费大量的人力物力做样机和实验测试,从而极大地缩短了研发周期和制造成本,做到材料利用率最高,避免了浪费。轻量化的设计不仅降低了成本，还极大的方便了电机的运输和安装。笔者的方法为2 MW以上的永磁同步风力发电机的设计提供重要的参考。

[1] 谢若初．直接驱动式永磁风力发电机设计研究[D].沈阳：沈阳工业大学:2005：1～6.

[2] 赵强,赵争鸣,高徐娇. 永磁电机中永磁体尺寸优化设计[J]. 电机电器技术.2001(3): 2～5.

[3] 张兆强.MW级直驱永磁同步风力发电机设计[D].上海：上海交通大学,2007:19～33.

[4] 赵博,张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

朱公栋，男，1990年生，西安工程大学硕士研究生，研究方向：机电产品数字化设计与虚拟样机技术。