5 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計與計算

李春林

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

0 引 言

由于各國政府對能源危機(jī)問題的重視，近年來風(fēng)力發(fā)電得到了很大的發(fā)展.我國政府對“十二五”期間可再生能源發(fā)展規(guī)劃中，將繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展，促進(jìn)風(fēng)電裝備的壯大升級，建立完備的風(fēng)電裝備制造體系和不斷提高風(fēng)電的市場競爭力的目標(biāo).當(dāng)今風(fēng)電技術(shù)路線中，正朝單機(jī)容量越來越大的趨勢發(fā)展，一些風(fēng)機(jī)制造商已開發(fā)出5MW容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī).而由湘電集團(tuán)研制的5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)已在荷蘭和福建風(fēng)場投入商業(yè)運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行狀況良好，得到了風(fēng)場運(yùn)營商的稱贊.

本文根據(jù)永磁電機(jī)的設(shè)計與運(yùn)行原理對該電機(jī)的電磁設(shè)計流程和設(shè)計方法做了詳細(xì)闡述.由于磁路計算中采用了較多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和等效公式，為了驗(yàn)證電磁計算單的準(zhǔn)確性，本文還利用有限元法對設(shè)計的電機(jī)進(jìn)行了電磁場計算.通過電磁場計算，得到了電機(jī)的準(zhǔn)確電磁參數(shù)和運(yùn)行特性，同時也驗(yàn)證了電機(jī)電磁設(shè)計的合理性.

1 電機(jī)主要參數(shù)的確定

1.1 電機(jī)主要尺寸的確定

在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)確定后，需確定電機(jī)的定子內(nèi)徑和定子鐵芯長度，即電機(jī)的主要尺寸.由于計算極弧系數(shù)αp′、氣隙磁場波形系數(shù)KNm和繞組系數(shù)Kdp的變化范圍不大，可以用下式即電機(jī)主要尺寸計算公式初步確定電機(jī)的定子內(nèi)徑和鐵芯長度.

考慮到直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密和線負(fù)荷數(shù)值變化不大，在設(shè)計時可以先取2MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密Bδ和負(fù)荷A計算.

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率均較低，而功率較大，在設(shè)計時從提高材料利用率的觀點(diǎn)出發(fā)，需采用外徑大而軸向長度短的方式.而電機(jī)外徑的確定還需注意沖片加工和運(yùn)輸尺寸的要求.

1.2 極槽數(shù)的確定

在有限的定子鐵芯尺寸和滿足工藝要求的前提下，如何用較少的槽數(shù)獲得較多的極數(shù)是永磁電機(jī)設(shè)計時需要考慮的問題.由于永磁電機(jī)的齒槽效應(yīng)使得電機(jī)空載時存在齒槽轉(zhuǎn)矩，為此需采用分?jǐn)?shù)槽繞組.5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槽數(shù)為384，極數(shù)為80，每極每相槽數(shù)為1＋3／5，采用該極槽配合既可以減少齒槽轉(zhuǎn)矩，又能削弱感應(yīng)電勢諧波和電磁噪聲.這已在2MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上得到了較好的驗(yàn)證.

1.3 永磁體尺寸的確定

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗較大，溫升較高，因此應(yīng)選擇工作溫度高的永磁材料，確保不會發(fā)生不可逆去磁，同時考慮到電機(jī)制造的經(jīng)濟(jì)性，永磁材料價格要合適.綜合上述因素，5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇釹鐵硼永磁材料.

極弧系數(shù)的大小對電機(jī)的電壓波形、轉(zhuǎn)矩紋波和漏磁系數(shù)影響很大.永磁電機(jī)的極弧系數(shù)會比電勵磁電機(jī)稍高，本文確定5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極弧系數(shù)為0.78.選取該極弧系數(shù)是綜合了極間漏磁、感應(yīng)電勢波形畸變率和氣隙磁密分布的影響.在確定了極弧系數(shù)后，便可以確定永磁體的寬度.

永磁體的厚度即為磁化方向長度，該尺寸的大小直接影響氣隙磁密的大小和永磁體的抗去磁能力.永磁體的厚度的確定主要依據(jù)全電流定律，對一個磁極的磁路進(jìn)行積分，各部分磁壓降之和等于磁極的磁勢.利用確定的磁勢便可計算永磁體的厚度.本文確定5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁體厚度為38mm.該電機(jī)永磁體的安裝采用硅鋼疊片式磁鋼盒結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在永磁體安裝面的兩端開有空氣槽，既可以限制漏磁，又可以降低永磁體的渦流損耗和突然短路電流對永磁體的去磁影響.

2 電磁計算結(jié)果

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要尺寸、極槽數(shù)和永磁體尺寸確定后，電機(jī)沖片的大體尺寸便已確定.可根據(jù)已開發(fā)的2MW永磁電機(jī)的電磁參數(shù)，選取某些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正和更改后進(jìn)行電磁計算.

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要性能指標(biāo)為額定輸出功率、電壓波形畸變率和效率.在每組設(shè)計參數(shù)完成計算后，需校驗(yàn)上述性能參數(shù)和其他影響電機(jī)磁路合理性的電磁參數(shù).為此，永磁電機(jī)的電磁設(shè)計需進(jìn)行多次優(yōu)化計算，以得到一個電磁性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都兼顧的最終方案.本文最終確定的5MW電磁方案的主要參數(shù)計算結(jié)果如表1所示.

表1 5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)

3 有限元計算與驗(yàn)證

由于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁路計算從等效磁路的觀點(diǎn)出發(fā)，在計算過程中采用了一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和等效公式，一些計算結(jié)果存在計算不準(zhǔn)確的問題.為此，需要采用有限元方法進(jìn)行電磁場計算以得到更為準(zhǔn)確的電磁參數(shù)和對電磁計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.本文采用電磁場有限元計算軟件ANSOFT進(jìn)行計算.

3.1 空載計算

永磁同步發(fā)電機(jī)空載時，氣隙中只有一個以同步速旋轉(zhuǎn)的永磁磁場，它在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生三相對稱感應(yīng)電動勢.空載感應(yīng)電勢的大小直接反應(yīng)了永磁體的磁性能和氣隙磁場特性.由于發(fā)電機(jī)空載時電樞繞組開路，在進(jìn)行空載計算時，可在電樞繞組上施加零電流源.

空載感應(yīng)電勢計算波形如圖1所示.線電壓有效值為2908.5V，電壓波形畸變率為2.3%.從空載磁力線分布圖2可以看出，永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過氣隙、定子齒部和定子軛部后從相鄰極對應(yīng)的軛部、齒部和氣隙形成閉合的有效磁路.由于永磁體兩端存在限制漏磁用的空氣槽，使得漏磁較少，磁路分布合理.

3.2 直接并網(wǎng)計算

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率并入電網(wǎng)，為了驗(yàn)證所設(shè)計電機(jī)并網(wǎng)時的運(yùn)行特性，需對發(fā)電機(jī)進(jìn)行直接并網(wǎng)工況時的電磁場計算.根據(jù)同步電機(jī)并網(wǎng)原理，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時電機(jī)的頻率、電壓幅值、相位和相序需與電網(wǎng)一致，為了模擬直接并網(wǎng)工況，可將電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型用一組三相對稱電壓源表示，而此電壓源作為永磁發(fā)電機(jī)的激勵.

上式中uN為額定電壓，f為額定頻率，θ為端電壓滯后空載感應(yīng)電勢角度，即功率角.為了求得發(fā)電機(jī)輸出額定功率時的電磁場分布情況，可將功率角θ設(shè)為參數(shù)化變量，計算不同功率角時的電磁場，得到額定功角.通過此方法計算出當(dāng)功率角為46°時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為2887.1kN·m，輸出功率為5276kW，此為額定運(yùn)行點(diǎn).發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形見圖3所示.并網(wǎng)額定運(yùn)行時的磁場分布如圖4所示，由于并網(wǎng)時電樞反應(yīng)對氣隙磁密的影響和交直軸磁阻不同，磁力線與空載時相比，發(fā)生了較大變形，而且漏磁也增大.

4 結(jié) 論

本文在論述了5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁主要設(shè)計參數(shù)的計算方法的基礎(chǔ)上，確定了電機(jī)主要尺寸、極槽數(shù)和永磁體尺寸.對這些尺寸和參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計后，得到了電機(jī)的電磁方案，同時給出了主要電磁參數(shù)的磁路法計算數(shù)值.為了驗(yàn)證電磁方案的合理性，本文采用有限元法進(jìn)行了永磁電機(jī)的電磁場計算，計算結(jié)果與磁路法計算結(jié)果較吻合，證實(shí)了電磁方案的準(zhǔn)確性.

［1］ 張 岳，王鳳翔.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13（1）：78－82.

［2］ 何 山，王維慶，張新燕，趙 祥.基于有限元方法的大型永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場計算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（3）：157－161.

［3］ 夏長亮.同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障數(shù)值分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26（5）：124－129.

［4］ 唐任遠(yuǎn)，等.現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997（6）：13－18，721－724.

［5］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

［6］ 李發(fā)海，朱東起.電機(jī)學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［7］ 孫宇光，王祥珩，桂 林，等.場路耦合法計算同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的暫態(tài)過程［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（1）：136－141.