2 MW直驱永磁同步风力发电机的电磁设计

吕雨农,彭　晓,王步瑶,刘万太

( 1.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411101；2.湘潭电机股份有限公司,湘潭 411101； 3.湘潭机电技术学院,湘潭 411101)



2MW直驱永磁同步风力发电机的电磁设计

吕雨农1,彭晓1,王步瑶2,刘万太3

( 1.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411101；2.湘潭电机股份有限公司,湘潭 411101； 3.湘潭机电技术学院,湘潭 411101)

通过应用传统电机电磁计算方法确定了2MW永磁同步风力发电机的初始电磁方案，并确定了发电机的几个主要的设计参数，对AnsoftMaxwell软件中的RMxprt电机设计模块所建立的发电机模型进行仿真和分析，通过对此仿真分析结果和电磁计算结果进行对比，反馈到发电机初始电磁方案中，进行相应的修正和完善，得到了符合设计要求的发电机电磁方案和主要电磁参数仿真结果，验证了2MW永磁同步风力发电机设计的有效性.

永磁电机;风力发电机;电磁设计

0　引　言

从《可再生能源法》颁布实施以来，我国的风能发电行业得到了快速发展，形成了具有自主知识产权的风电设备制造能力，并且在我国电力组成结构中已经具有一定显现度.随着风能发电行业快速地发展，风电在我国增加能源供应、减排温室气体、带动经济增长和增加就业等方面正在发挥着原来越重要的作用.根据当前风力发电技术路线和未来风力发电技术趋势，永磁直驱同步风力发电机依靠其结构简单、装配费用低、运行更为可靠、功率质量比和效率更高的优势获得了快速发展，并且成为了未来风力发电技术的主流发展趋势[1].

本文根据永磁同步电机的设计与运行原理在对该电机的电磁设计方面着重介绍了2MW永磁直驱同步风力发电机的设计重点以及对此电机的主要性能进行了仿真分析.

1　电机主要额定参数

额定功率：2200kW；额定电压(线电压)：660V；额定电流：2081A；额定频率：9.2Hz；额定功率因数：≥0.91；效率：≥94.5%；额定转速：19r/min；额定转矩：1134430N·m.

2　电磁设计主要参数的选取

2.1主要尺寸的选择

在确定永磁直驱同步风力发电机的额定参数后，需要对电机的电枢直径D和定子的铁芯有效长度lef进行选择，即电机的主要尺寸的选择.电机的主要尺寸与电机的容量、同步转速、气隙磁通密度等参数有关[2].一般大功率的永磁直驱同步风力发电机的转速很低，在20r/min左右，这就直接导致了大功率的永磁直驱同步风力发电机需要的更多的极数和更大的定子内外径.功率在2MW左右的永磁直驱同步风力发电机的定制直径一般可以达到2～2.5m，再者由于永磁同步电机的磁负荷一般很高，在一定的功率等级和电负荷的条件下，设计永磁直驱同步风力发电机时要求体积要小，所以永磁直驱同步风力发电机一般会被设计成径向尺寸大、轴向尺寸小的扁平状结构.主要尺寸确定公式如下：

(1)

(2)

(3)

2.2极数和定子齿槽的选择

由于电机径向尺寸的偏大和轴向尺寸的偏小，在额定功率为2MW左右的直驱永磁同步风力发电机的极数会达到62之多，具体确定公式如下：

(4)

基于永磁直驱同步风力发电机的电负荷较高，导致其铜损耗较大.设计时，在保证足够的机械强度以及在磁通密度允许的情况下，我们应尽量减小定子齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，从而使得其铜损耗降低并且提高此发电机的效率.同时，我们采用5/24的极槽比，用以缩短绕组端部和降低铜损耗.故此本文定子齿槽采用开口槽设计并且槽数设计为298，定子齿槽图形如图1所示.

图1　定子开口槽型示意图

在图1中，本文对该定子开口槽确定的尺寸数据为：Hs0=1.2；Hs1=4.3；Hs2=74.5；Bs2=18.1.

2.3转子磁极结构和永磁材料的选择

在当前工程实际的运用中，永磁直驱同步风力发电机的转子磁极结构一般会采用径向表贴式的转子磁极结构.在这种转子磁极结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁因数比切向式转子磁极结构要小.另外，径向表贴式转子磁极结构还具有结构简单、磁极放置空间大、运行可靠等特点[3].随着永磁材料的研究和发展，目前运用最广泛的是钕铁硼永磁材料，这种永磁材料在室温下剩余磁感应强度可达1.49T，磁感应强度矫顽力可达1035kA/m，最大磁能积高达422kJ/m3，是目前应用的永磁材料中磁性能最高的，而其价格相对来说也较合适.

2.4永磁体尺寸的选择

在确定永磁体的尺寸之前，需要先确定好极弧系数的大小.极弧系数的大小会对永磁同步电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数造成很大的影响，本文确定2MW永磁直驱同步风力发电机的极弧系数为0.78，其依据是综合了极间漏磁、感应电势波形畸变率和气隙磁密分布的影响.

在永磁电机中，永磁体尺寸主要包括永磁体的轴向长度LM、宽度bM和磁化方向长度hM.永磁体的轴向长度LM一般取与发电机铁芯轴向长度相等或者稍小于铁芯轴向长度，所以在实际中，往往只需要设计好宽度bM和磁化方向长度hM这两个尺寸就可以了.

大量的试验和计算结果表明，永磁体的尺寸越大，空载漏磁因数σ0就会越小.经过一系列的推导，可得到内置切向式转子磁路结构的永磁体尺寸的预估公式为：

(5)

式中：Ks为发电机的饱和系数，其取值范围为1.05～1.3；Ka为与转子磁路结构有关的系数，其取值范围为0.7～1.2.

通过对式(2)-(5)经过相关计算后，本文所设计的兆瓦级永磁同步风力发电机的永磁体的尺寸暂定为：bM=131mm，hM=26mm.

3　电磁仿真和验证

3.1应用ansoftmaxwell建模和仿真

Ansoftmaxwell基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解.本文就是利用ansoftMaxwell软件中的ansoftRMxprt模块建立2MW直驱永磁同步风力发电机的模型并进行仿真和分析，图2即为此电机的1/12模型.

图2　电机1/12仿真模型图

3.2气隙磁通密度仿真分析

电机气隙是电机进行机电能量转换的区域，电机的各种性能和参数都是以气隙磁场为计算基础的，气隙磁通密度波形图能够直观地反映出气隙磁通密度的分布变化情况[4].图3即为电机的气隙磁通密度波形，其波形的过渡非常的平滑.由于电机的电枢反应的作用，造成了气隙磁密的前极靴增磁，后极靴去磁，略有畸变，但是我们可以从图中看出此电机的气隙磁通密度波形整体平滑、分布均匀、大小合理，能够满足设计要求.

图3　气隙磁通密度波形图

3.3齿槽转矩仿真分析

齿槽转矩是永磁电机的特有问题之一，它是由于永磁体产生的磁场同电枢铁芯的齿槽作用，在圆周方向产生的转矩.永磁电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动，当其值过大时，会引起电机的振动和和噪声，不利于电机的稳定运行，影响电机的使用寿命.图4即为电机的齿槽转矩波形，从图4中可以看出，本文设计的电机齿槽转矩的最大幅值为300N·m，占发电机额定转矩的0.026%，比列非常小，能够满足设计要求[5].

图4　齿槽转矩波形图

3.4额定运行状态仿真分析

电机的额定运行状态为电机在额定转速在19r/min下的运行状态，通过电机的额定运行状态仿真，我们可以分析出此电机是否能达到基本的设计要求.图5所示即为额定转速下绕组电压波形，从图中可以看到此电压波形图中的线电压波形良好，呈正弦波分布.

图5　额定转速时的绕组电压波形图

3.5负载仿真分析

通过ansoftMaxwell有限元软件可以对永磁直驱同步风力发电机进行负载仿真分析，图6即分别为负载时的绕组电压波形，即为并网时向电网送出的波形.从图中可以看出，其波形良好，呈正弦波分布，并且非常光滑，说明谐波含量非常小.经过分析计算，负载所发出的电压为664V，能够满足设计要求.

图6　负载时的绕组电压波形图

4　结　语

本文仅以2MW永磁直驱同步风力发电机为例，对电机主要尺寸、极槽数、永磁体尺寸等主要参数的选取做以介绍，应用ansoftmaxwell软件对这些主要参数进行多次优化设计后得到了电机的电磁方案，同时给出了主要电磁参数的磁路法的仿真分析和计算.希望本文能够对从事于MW级永磁直驱同步风力发电机的相关研究和设计人员起到一定的借鉴作用.

[1]刘万琨. 风能与风力发电技术[M].化学工业出版社,2007.

[2]陈世坤.电机设计[M].机械工业出版社,2000.

[3]唐任远.现代永磁电机设计及理论[M].北京:机械工业出版社,1997.

[4]汤蕴璆,史乃.电机学[M].机械工业出版社,2007.

[5]张兆强.MW级直驱永磁同步风力发电机设计[D].上海交通大学硕士学位论文,2007

ElectromagneticDesignof2MWDirectDrivePermanentMagnetSynchronousWindGenerator

LVYu-nong1,PENGXiao1,WANGBu-yao2,LIUWan-tai3

(1.collegeofElectrandInformationEng.,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China；2.XiangtanElectricManufactringCo.,Ltd,Xiangtan411101,China;3.XiangtanVocational&TechnicalCollege,Xiangtan411101,China)

Byusingthetraditionalmotorelectromagneticcalculationmethod,theinitialElectromagneticSchemeof2MWpermanentmagnetsynchronousgeneratorisdetermined,andsomemaindesignparametersaredetermined.SimulationandanalysisofthegeneratormodelofRMxprtmotordesignmoduleinMaxwellAnsoftsoftwarearecarriedout.Throughthecomparisonoftheresultsofthesimulationanalysisandtheresultsoftheelectromagneticcalculation,thefeedbackisgiventotheinitialElectromagneticSchemeofgeneratorsothatthecorrespondingcorrectionandimprovementismade.Thesimulationresultsoftheelectromagneticschemeandthemainelectromagneticparametersareobtained.Thevalidityofthe2MWpermanentmagnetsynchronouswindgeneratordesignisverified..

permanentmagnetmotor;windpowergenerator;electromagneticdesign

2015-11-04

湖南省科技计划资助项目(2013GK3033)；湘潭市科技计划重点资助项目(ZD20141002)；湖南省科技计划重点资助项目(2013XK4013).

吕雨农(1988-)，男，硕士研究生，研究方向：风电机组电气设计与制造.

TM315

A

1671-119X(2016)01-0015-04