2 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

呂雨農(nóng),彭　曉,王步瑤,劉萬(wàn)太

( 1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101；2.湘潭電機(jī)股份有限公司,湘潭 411101； 3.湘潭機(jī)電技術(shù)學(xué)院,湘潭 411101)

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2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

呂雨農(nóng)1,彭曉1,王步瑤2,劉萬(wàn)太3

( 1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101；2.湘潭電機(jī)股份有限公司,湘潭 411101； 3.湘潭機(jī)電技術(shù)學(xué)院,湘潭 411101)

通過應(yīng)用傳統(tǒng)電機(jī)電磁計(jì)算方法確定了2MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的初始電磁方案，并確定了發(fā)電機(jī)的幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)AnsoftMaxwell軟件中的RMxprt電機(jī)設(shè)計(jì)模塊所建立的發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行仿真和分析，通過對(duì)此仿真分析結(jié)果和電磁計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，反饋到發(fā)電機(jī)初始電磁方案中，進(jìn)行相應(yīng)的修正和完善，得到了符合設(shè)計(jì)要求的發(fā)電機(jī)電磁方案和主要電磁參數(shù)仿真結(jié)果，驗(yàn)證了2MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的有效性.

永磁電機(jī);風(fēng)力發(fā)電機(jī);電磁設(shè)計(jì)

0　引　言

從《可再生能源法》頒布實(shí)施以來(lái)，我國(guó)的風(fēng)能發(fā)電行業(yè)得到了快速發(fā)展，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備制造能力，并且在我國(guó)電力組成結(jié)構(gòu)中已經(jīng)具有一定顯現(xiàn)度.隨著風(fēng)能發(fā)電行業(yè)快速地發(fā)展，風(fēng)電在我國(guó)增加能源供應(yīng)、減排溫室氣體、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和增加就業(yè)等方面正在發(fā)揮著原來(lái)越重要的作用.根據(jù)當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)路線和未來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)趨勢(shì)，永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)依靠其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配費(fèi)用低、運(yùn)行更為可靠、功率質(zhì)量比和效率更高的優(yōu)勢(shì)獲得了快速發(fā)展，并且成為了未來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)[1].

本文根據(jù)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行原理在對(duì)該電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方面著重介紹了2MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)以及對(duì)此電機(jī)的主要性能進(jìn)行了仿真分析.

1　電機(jī)主要額定參數(shù)

額定功率：2200kW；額定電壓(線電壓)：660V；額定電流：2081A；額定頻率：9.2Hz；額定功率因數(shù)：≥0.91；效率：≥94.5%；額定轉(zhuǎn)速：19r/min；額定轉(zhuǎn)矩：1134430N·m.

2　電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)的選取

2.1主要尺寸的選擇

在確定永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)后，需要對(duì)電機(jī)的電樞直徑D和定子的鐵芯有效長(zhǎng)度lef進(jìn)行選擇，即電機(jī)的主要尺寸的選擇.電機(jī)的主要尺寸與電機(jī)的容量、同步轉(zhuǎn)速、氣隙磁通密度等參數(shù)有關(guān)[2].一般大功率的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，在20r/min左右，這就直接導(dǎo)致了大功率的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要的更多的極數(shù)和更大的定子內(nèi)外徑.功率在2MW左右的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定制直徑一般可以達(dá)到2～2.5m，再者由于永磁同步電機(jī)的磁負(fù)荷一般很高，在一定的功率等級(jí)和電負(fù)荷的條件下，設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)要求體積要小，所以永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般會(huì)被設(shè)計(jì)成徑向尺寸大、軸向尺寸小的扁平狀結(jié)構(gòu).主要尺寸確定公式如下：

(1)

(2)

(3)

2.2極數(shù)和定子齒槽的選擇

由于電機(jī)徑向尺寸的偏大和軸向尺寸的偏小，在額定功率為2MW左右的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)會(huì)達(dá)到62之多，具體確定公式如下：

(4)

基于永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電負(fù)荷較高，導(dǎo)致其銅損耗較大.設(shè)計(jì)時(shí)，在保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度以及在磁通密度允許的情況下，我們應(yīng)盡量減小定子齒寬和軛厚，以擴(kuò)大槽面積，增大定子繞組導(dǎo)線面積，從而使得其銅損耗降低并且提高此發(fā)電機(jī)的效率.同時(shí)，我們采用5/24的極槽比，用以縮短繞組端部和降低銅損耗.故此本文定子齒槽采用開口槽設(shè)計(jì)并且槽數(shù)設(shè)計(jì)為298，定子齒槽圖形如圖1所示.

圖1　定子開口槽型示意圖

在圖1中，本文對(duì)該定子開口槽確定的尺寸數(shù)據(jù)為：Hs0=1.2；Hs1=4.3；Hs2=74.5；Bs2=18.1.

2.3轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)和永磁材料的選擇

在當(dāng)前工程實(shí)際的運(yùn)用中，永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)一般會(huì)采用徑向表貼式的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu).在這種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)中，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁因數(shù)比切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)要小.另外，徑向表貼式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磁極放置空間大、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)[3].隨著永磁材料的研究和發(fā)展，目前運(yùn)用最廣泛的是釹鐵硼永磁材料，這種永磁材料在室溫下剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.49T，磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力可達(dá)1035kA/m，最大磁能積高達(dá)422kJ/m3，是目前應(yīng)用的永磁材料中磁性能最高的，而其價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)也較合適.

2.4永磁體尺寸的選擇

在確定永磁體的尺寸之前，需要先確定好極弧系數(shù)的大小.極弧系數(shù)的大小會(huì)對(duì)永磁同步電機(jī)的電壓波形、轉(zhuǎn)矩紋波和漏磁系數(shù)造成很大的影響，本文確定2MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極弧系數(shù)為0.78，其依據(jù)是綜合了極間漏磁、感應(yīng)電勢(shì)波形畸變率和氣隙磁密分布的影響.

在永磁電機(jī)中，永磁體尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度LM、寬度bM和磁化方向長(zhǎng)度hM.永磁體的軸向長(zhǎng)度LM一般取與發(fā)電機(jī)鐵芯軸向長(zhǎng)度相等或者稍小于鐵芯軸向長(zhǎng)度，所以在實(shí)際中，往往只需要設(shè)計(jì)好寬度bM和磁化方向長(zhǎng)度hM這兩個(gè)尺寸就可以了.

大量的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，永磁體的尺寸越大，空載漏磁因數(shù)σ0就會(huì)越小.經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，可得到內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁體尺寸的預(yù)估公式為：

(5)

式中：Ks為發(fā)電機(jī)的飽和系數(shù)，其取值范圍為1.05～1.3；Ka為與轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，其取值范圍為0.7～1.2.

通過對(duì)式(2)-(5)經(jīng)過相關(guān)計(jì)算后，本文所設(shè)計(jì)的兆瓦級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁體的尺寸暫定為：bM=131mm，hM=26mm.

3　電磁仿真和驗(yàn)證

3.1應(yīng)用ansoftmaxwell建模和仿真

Ansoftmaxwell基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?本文就是利用ansoftMaxwell軟件中的ansoftRMxprt模塊建立2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型并進(jìn)行仿真和分析，圖2即為此電機(jī)的1/12模型.

圖2　電機(jī)1/12仿真模型圖

3.2氣隙磁通密度仿真分析

電機(jī)氣隙是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的區(qū)域，電機(jī)的各種性能和參數(shù)都是以氣隙磁場(chǎng)為計(jì)算基礎(chǔ)的，氣隙磁通密度波形圖能夠直觀地反映出氣隙磁通密度的分布變化情況[4].圖3即為電機(jī)的氣隙磁通密度波形，其波形的過渡非常的平滑.由于電機(jī)的電樞反應(yīng)的作用，造成了氣隙磁密的前極靴增磁，后極靴去磁，略有畸變，但是我們可以從圖中看出此電機(jī)的氣隙磁通密度波形整體平滑、分布均勻、大小合理，能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

圖3　氣隙磁通密度波形圖

3.3齒槽轉(zhuǎn)矩仿真分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的特有問題之一，它是由于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)同電樞鐵芯的齒槽作用，在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩.永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，當(dāng)其值過大時(shí)，會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和和噪聲，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，影響電機(jī)的使用壽命.圖4即為電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，從圖4中可以看出，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的最大幅值為300N·m，占發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.026%，比列非常小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求[5].

圖4　齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

3.4額定運(yùn)行狀態(tài)仿真分析

電機(jī)的額定運(yùn)行狀態(tài)為電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速在19r/min下的運(yùn)行狀態(tài)，通過電機(jī)的額定運(yùn)行狀態(tài)仿真，我們可以分析出此電機(jī)是否能達(dá)到基本的設(shè)計(jì)要求.圖5所示即為額定轉(zhuǎn)速下繞組電壓波形，從圖中可以看到此電壓波形圖中的線電壓波形良好，呈正弦波分布.

圖5　額定轉(zhuǎn)速時(shí)的繞組電壓波形圖

3.5負(fù)載仿真分析

通過ansoftMaxwell有限元軟件可以對(duì)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行負(fù)載仿真分析，圖6即分別為負(fù)載時(shí)的繞組電壓波形，即為并網(wǎng)時(shí)向電網(wǎng)送出的波形.從圖中可以看出，其波形良好，呈正弦波分布，并且非常光滑，說(shuō)明諧波含量非常小.經(jīng)過分析計(jì)算，負(fù)載所發(fā)出的電壓為664V，能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

圖6　負(fù)載時(shí)的繞組電壓波形圖

4　結(jié)　語(yǔ)

本文僅以2MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)電機(jī)主要尺寸、極槽數(shù)、永磁體尺寸等主要參數(shù)的選取做以介紹，應(yīng)用ansoftmaxwell軟件對(duì)這些主要參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到了電機(jī)的電磁方案，同時(shí)給出了主要電磁參數(shù)的磁路法的仿真分析和計(jì)算.希望本文能夠?qū)氖掠贛W級(jí)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)人員起到一定的借鑒作用.

[1]劉萬(wàn)琨. 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

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

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[4]湯蘊(yùn)璆,史乃.電機(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5]張兆強(qiáng).MW級(jí)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,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

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013GK3033)；湘潭市科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZD20141002)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013XK4013).

呂雨農(nóng)(1988-)，男，碩士研究生，研究方向：風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)與制造.

TM315

A

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