WM級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機關鍵參數(shù)設計研究

劉志華 李志平 彭雙光 陳倩如

摘要：永磁直驅(qū)風力發(fā)電機與雙饋風力發(fā)電機相比沒有增速齒輪箱故障率低，電機功率高，因此成為風力電機發(fā)展的趨勢。結(jié)合大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點進行參數(shù)計算、定子齒槽和轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)選擇。

關鍵詞：永磁直驅(qū);風力發(fā)電機;參數(shù)設計

0.引言

風能作為一種潔凈的可再生能源，隨著技術逐步成熟，今后的運行成本會低于水電和火電，發(fā)展前景非常廣闊。風力發(fā)電機組是風電系統(tǒng)的核心，隨著海上風電興起，風電正朝著單機大容量方向發(fā)展[1]。按照勵磁方式可分為交流勵磁的雙饋風力發(fā)電機和永磁風力發(fā)電機。當前主流的MW級風力發(fā)電機有兩種：高速交流勵磁的雙饋風力發(fā)電機和低速直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機[2]。

1.永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的優(yōu)勢

異步雙饋風力發(fā)電機是高速交流雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其定子繞組與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過變流器相連電網(wǎng)。電樞繞組通過變流器獲取交流電流進行勵磁，定轉(zhuǎn)子均可向電網(wǎng)反饋電能。風力機的轉(zhuǎn)速很低一般小于20r/min，雙饋風力發(fā)電機的前面往往需要一個三級增速齒輪箱來將風力機的輸出轉(zhuǎn)速提高至1000r/min以上。永磁直驅(qū)風力發(fā)電機則是去掉了增速齒輪箱將風力機與發(fā)電機直接相連，同時使用永磁體作為磁源代替勵磁繞組。 增速齒輪箱故作為復雜的機械傳動系統(tǒng)故障率很高，一旦發(fā)生故障將影響整個風力發(fā)電機組的運行。增速齒輪箱需要定期潤滑保養(yǎng)和維護，增加了整個風電系統(tǒng)的運維成本。永磁直驅(qū)式風電機組一方面無增速齒輪箱和勵磁繞組，結(jié)構(gòu)簡單性能更加可靠維護成本低，另一方面，使用全功率變流器，輸出電能諧波含量較少而且低壓穿越能力較強。因此永磁化、直驅(qū)化是現(xiàn)在風力發(fā)電機發(fā)展的趨勢，也是許多專家學者研究的重點。

2.WM級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機關鍵參數(shù)設計

2.1定子內(nèi)徑和電樞鐵芯長度

電機電樞的直徑與長度是決定電機尺寸的兩個參數(shù)。交流電機電樞直徑是其定子內(nèi)徑[3]。電機電樞直徑和長度確定后，電機的其他尺寸參數(shù)就基本可以確定了。其主要尺寸參數(shù)的計算公式可以參考水輪發(fā)電機為：。

P′為電機的電磁功率，電機的主要尺寸參數(shù)與，電磁功率有著密切的聯(lián)系，在電機設計中一般將電機的電磁功率用其計算功率表示;KNm是電機氣隙磁場的波形系數(shù)，是氣隙磁場波形有效值和平均值得比。在進行電機設計計算時，假設雙定子電機內(nèi)外氣隙磁場均為正弦波此時KNm=1.11; 是電機的計算弧極系數(shù)，是電機氣隙磁密平均值與最大值的比值，當電機鐵心飽和系數(shù)為無窮大時，氣隙磁場磁密呈正弦波分布，在電機主要尺寸參數(shù)計算時一般考慮到電機鐵心的飽和因素，將計算弧極系數(shù)定為0.64—.71左右;Kdp電機定子的繞組系數(shù)，一般可以用其基波繞組系數(shù)Kdp1表示?？梢愿鶕?jù)選定的電機繞組類型、槽數(shù)和節(jié)距計算出來。在進行繞組設計前，為方便進行尺寸參數(shù)計算，對于雙層短距繞組其基波繞組系數(shù)可以設為0.92，單層繞組設為0.96左右;A是線負荷，是沿電樞圓周單位長度上的安培導體數(shù)。主要與電樞繞組的電流值和電樞繞組的總導體數(shù)有關;為電機氣隙磁通磁密最大值;lef電機電樞鐵心長度，D電機的定子內(nèi)徑。

確定了上述的一些電機參數(shù)值后，依據(jù)電機主要尺寸計算公式得出 的值，可以設計的電機外形結(jié)構(gòu)確定尺寸比。將電機設計的細長則lef較大，D較小，可以使電機繞組端部變短，電機端部材料用量減少，提高了電機繞組的利用率，可以降低電機成本。由于電機端部長度減小，端部的漏抗會減小。電機的端部銅耗減少，電機的總損耗會減低，電機的效率將提升。但是由于電機細長，在使用強迫風冷分電機冷卻方案時，冷卻風路會變長導致冷卻效果不佳，特別是在電機開軸向通風道時會使電機軸向溫度分布不均勻。同時電機設計得細長，電機定轉(zhuǎn)子鐵心所需的沖片會增加，是電機沖片疊壓和沖剪所需的工時增加，同時因為定子鐵心直徑小，下線難度增加。細長的電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和圓周速度小，這對于高速電機選用較小的主要尺寸比是非常有利的。但對于永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，電機轉(zhuǎn)速很低轉(zhuǎn)子離心力較小。同時一般隨電機極數(shù)的增加而增大，大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速很低，電機級速多，采用開軸向通風道的冷卻方案電機軸向溫度分布要求嚴格，應該設計成粗短的形狀。對于大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機國內(nèi)大多風電裝備生產(chǎn)廠家一般取值為7-7.5。以一臺額定功率為3.5WM 的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為例，經(jīng)過上述計算后可以選取電機定子內(nèi)徑為3525mm，電機定子鐵心長度值為1350mm。

2.2定子槽和繞組的設計

在電機的極數(shù)和相數(shù)確定了后，電機定子的槽數(shù)就主要有每極每相槽數(shù)q來決定。每極每相槽數(shù)對電機的損耗、溫升、絕緣材料的使用量都有影響。對于永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的多極多槽的大型電機，考慮到減少電勢波形的諧波提高波形正弦度和降低齒槽轉(zhuǎn)矩一般使用分數(shù)槽。大型風力發(fā)電機因為功率很大，線圈的主絕緣在下線一起就要用絕緣膠布包扎好并經(jīng)過了浸烘處理對絕緣要求很高，所以使用開口槽。對于大型交流電機一般使用雙層繞組，WM級風力發(fā)電機使用雙層短距疊繞組的定子繞組類型，疊繞組可以減小電機繞組端部長度節(jié)約材料，同時采用分數(shù)槽來削弱齒諧波電動勢。選擇短距可以有效的削弱定子繞組中的某一次諧波，三相電機中僅含有奇次諧波，電機定子繞組采用星型連接方式在電機負載后定子繞組中的3次諧波將會相互抵消，因此定子繞組中最大的是5、7次諧波，使用短距繞組可以有效的減少繞組中的5、7次諧波分量。

2.3電機的氣隙和電磁負荷

2.3.1氣隙

電機氣隙的長度大小對電機氣隙磁密有著直接的影響。如果氣隙值設計得太大就會使電機漏磁系數(shù)變大，使永磁體的利用率降低，提高電機的效率。較小的氣隙值，可以提高電機永磁體的抗去磁能力，降低電機的空載電流提高功率因數(shù)。但氣隙也不能太小，小的氣隙會增加電機生產(chǎn)和裝配的工藝難度，對電機的機械可靠性也會有影響，使電機氣隙諧波含量增加，導致電機諧波轉(zhuǎn)矩和附加損耗增多，造成電機的溫升增加噪音增大。

2.3.2電磁負荷

電機電磁負荷主要指其氣隙磁密和線負荷A的值，電磁負荷值得選取影響電機的永磁體、銅線等材料的使用量，進一步影響電機的生產(chǎn)成本，同時還對電機的性能參數(shù)和運行性能有影響。當氣隙磁密值不變，電機定子繞組線負荷A取值增大。可以減小電機的體積與尺寸，節(jié)約材料。電機定子鐵心變小在氣隙磁密一定時可以減小電機的鐵耗。但是線負荷變大會導致電機定子繞組匝增加，用銅量增多，同時會使電機銅耗變大，提高定子繞組溫升。當線負荷A的值不變，提高電機氣隙磁密時，電機的尺寸和電樞鐵心的重量將會變小，因為電機單位重量鐵心的損耗與氣隙磁密的平方成正比，隨著氣隙磁密的增加，電機鐵耗增加的速度比定子鐵心重量減小的速度要快，因此電機鐵耗會增加，效率降低，在電機冷卻條件不變的情況下，電機發(fā)熱變大。對于永磁直驅(qū)風力發(fā)電機使用變速恒頻的控制方式，線負荷A和氣隙磁密的比值應該取較大值，這樣可以使電機的特性變軟，有利于進行調(diào)速控制。3.5WM的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為例線負荷A取625A/cm左右氣隙磁密取1.15T較為合適。

2.4電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁同步發(fā)電機與電勵磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于永磁同步發(fā)電機使用永磁體代替勵磁繞組作為磁源。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多種多樣，有很多不同的分類方法。按照永磁體在電機轉(zhuǎn)子上安放的位置不同，可以分為表面式和嵌。

表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)永磁體直接面對空氣，永磁體將直接受到電樞反應去磁作用的影響，對永磁體的磁穩(wěn)定性要求較高。但是表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)可以提高電機氣隙磁密，而且永磁體加工工藝簡單安裝方便，永磁體抗離心力能力較差在高速時可能會造成永磁體脫離轉(zhuǎn)子鐵心，因此這種結(jié)構(gòu)適合用于低速電機。嵌入式結(jié)構(gòu)將永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，其抗去磁和離心力作用能力較強，但電機的漏磁較大，加工制造工藝比較復雜，一般用于中高轉(zhuǎn)速電機。

3.結(jié)束語

本文介紹了電機主要尺寸參數(shù)之間的關系和電磁負荷的選擇;以一臺3.5WM的電機為例計算設計了電機定子內(nèi)徑、電機鐵芯長度、氣隙;選定了合適的定子槽形、電樞繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完成了電機初步的電磁設計。對大型永磁永磁直驅(qū)風力電機的設計有一定的參考作用。

參考文獻

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基金項目：湖南鐵路科技職業(yè)技術學院科研項目（編號：HNTKY-KT2021-5）

作者簡介：劉志華（1992—）男，湖南益陽，碩士，研究方向：特種電機設計及其控制。