2.935 MW永磁同步风力发电机电磁设计与仿真

温嘉斌　李金泽

摘要：分析了表面式与内置式永磁同步发电机转子结构上的差异，选定电机的转子结构型式，对永磁同步风力发电机的性能特点进行了分析和研究，计算了2，935 Mw高速永磁同步风力发电机的电磁方案，对上述确定的电磁计算方案，利用有限元软件进行仿真，分析了发电机的空载、负载、短路特性，研究了电压波形正弦性畸变率、齿槽转矩、功率因数、短路电流的计算，经验证，各项性能满足设计要求，

关键词：有限元方法；永磁电机；风力发电；电磁设计；性能分析

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.019

中图分类号：TM301.4

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）04-0101-05

0引言

近几年环境污染愈发严重，新能源的研究和利用越来越受到人们的重视，而风能由于其分布面积广、总量大等特点成为可再生能源中的研究热点，风力发电逐渐变成除火电、水电、核电之外的第四大发电方式，目前在国内半直驱永磁同步发电机的设计还处于探索阶段，设计方法还不成熟，因此研究Mw级半直驱风力发电机将会有利于提高我国风力发电设计的整体能力，推进风力发电行业的发展，加快我国风电机组的国产化步伐，缩小我国与发达国家风电技术上的差距，为我国的环保与能源事业尽一份力。

永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，效率高，同时可以提高电机的功率密度，虽然发电机成本增加，但对于降低机组的振动噪声和提高运行可靠性有着重要意义，文对永磁同步电机气隙磁密的影响因素进行了分析，文应用傅里叶分解得出了传统的多相异步电动机谐波电流与建立的谐波电势的关系，谐波次数较低，忽略了高次谐波，文对传统电励磁的同步发电机定子斜槽的空载电压波形进行了数值计算，同时对齿磁通进行了计算，文通过非均匀气隙法、多段磁钢法、调整磁极宽度、斜槽法等方法，优化气隙磁场来改善电机性能，本文利用有限元软件对电机进行空载、负载、短路性能分析，主要包括空载电压，齿槽转矩、负载电磁转矩、功率因数的分析。

1.永磁同步发电机的转子构造

永磁同步发电机在转子尺寸确定的情况下，选择不同的转子结构，永磁体体积不同，永磁体提供的磁通量也会不同，从而永磁同步发电机的性能参数也会不同，

图1为永磁同步发电机几种转子结构，现分析转子结构并选取转子模型，假设永磁同步发电机转子的长度为L，外径为R，内径为r，假设永磁体径向充磁方向长度为h，切向为2h，估算各种转子结构的永磁体提供磁通的最大截面积A。，

永磁体提供磁通的最大截面积，图1（a）为：

对于6极永磁同步电机，转子内外径的比值大约是0，4，现取0，4进行估算，得到不同结构的永磁体截面积值，如表1所示，

虽然在表l中所得的数据是估算的，但是可以从中得到磁通面积变化趋势，从表1中可以看出，内置式W型磁钢提供的磁通面积最大，其次是内置式u型磁钢，对于半直驱永磁同步发电机而言，应优先选取内置式V型，U型，W型磁钢本文电机选取U型磁钢，此种电机有以下一些特点：

1）此结构较表面式永磁发电机简单，省去了导磁性的不锈钢套环，

2）由于没有套环，所以其等效气隙小，与使用相同磁钢的表面式永磁同步发电机相比，此结构主磁路磁阻小，可获得更高的磁通密度，

3）由于磁钢端部产生漏磁通，所以通常在不影响机械强度的前提下，在磁钢端部用磁导率与空气材料相同的材料做延伸，降低磁钢端部漏磁，

4）由于磁钢内嵌入转子铁心，而转子铁心内空间较大，所以磁钢形状及排布可以有更大的自由选择空间，

5）内置式永磁同步发电机与表面式永磁同步发电机相比，其q轴的电感较大，导致q轴的电枢反应也比较大，容易受到磁饱和的影响，

2.永磁风力发电机运行性能分析

2.935 MW永磁同步风力发电机采用U型磁钢转子结构，定子槽数为72，极对数为3，三相双绕组结构，工作温度120°C，磁性槽楔的相对磁导率为4，永磁风力发电机的性能指标列于表2，

2.1空载特性

通过空载运行特性，可以校核电机的磁路设计是否合理，以此依据及时调整电机结构，得到输出电压的大小及其波形畸变程度，图5给出了有限元仿真空载电压波形，可以看空载相电势波形很接近于正弦波，图6为空载电压的谐波分量分布情况，经求得线电压波形正弦性畸变率为4，2%，小于GB755—2008《旋转电机定额和性能》中5%的规定，图7为发电机工作在额定转速下的空载磁密分布云图，从图中可以看出定子齿部、轭部、转子部分、磁钢部分磁密分布比较合理，空载齿槽转矩如图8所示，因为永磁同步风力发电机槽数为72，极数为6，所以最小公倍数为72，那么槽转矩基波个数为72。相邻齿距基波数个数为1，机械角为5，齿槽转矩的最大幅值为636 N·m，占发电机额定转矩的3，9%，满足设计要求。

2.2额定负载特性

本文采用图9所示场路耦合模型模拟发电机运行，经过仿真发电机额定负载端电压和端电流波形如图10所示，从图可以看出波形为比较平整的正弦波，经计算线电压有效值为690 V，达到了额定值，而从其二者的相位可得功率因数为1，与设计相符，

2.3短路特性

短路状况下，永磁发电机运行是极为恶劣的，设计不当会引起永磁体的退磁，对此需要对永磁发电机进行最恶劣短路时情况进行仿真计算，三相短路为最恶劣短路，通过搭建外电路对永磁发电机短路时进行分析，所施加的外电路如图11所示，提取A相短路电流最大时刻三相短路波形如图12所示，开始时刻为瞬态短路，当短路电流波形稳定时，为稳态短路，瞬态短路时电流最大值为14669.7A，为额定电流的5.97倍，电流稳定后的有效值为4314.6A，是额定电流的1.757倍，均满足设计要求。

3.结论

本文分析了内置式与表面式永磁同步电机的转子构造的特征，在比较了几种典型转子结构所能提供磁通的最大截面积的基础上，电机转子磁钢选择u型磁钢，给出了永磁同步发电机基本参数确定依据，确定了电机的设计方案，运用有限元软件建立了电机的物理模型，对空载、负载、短路特性进行了仿真，并对负载电压，电流曲线，功率因数的设计进行了验证，同时验证了本电机设计的合理性。