3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與仿真

劉軍偉，李華陽(yáng)，鐘云龍，崔 明，盧江躍

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，杭州 310028)

0 引 言

近年來，通過產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)成本不斷優(yōu)化，風(fēng)電價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力越來越強(qiáng)，全球裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。然而，伴隨產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的不斷提高，國(guó)家能源補(bǔ)貼也在逐步調(diào)整、退出，風(fēng)電平價(jià)時(shí)代加速到來，逼迫整個(gè)行業(yè)快速推進(jìn)降本提效。在此形勢(shì)下，低成本、高可靠的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)路線成為眾多企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

以機(jī)組驅(qū)動(dòng)鏈配置及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為區(qū)分條件，風(fēng)電機(jī)組主要有高速型、半直驅(qū)和直驅(qū)型三種技術(shù)路線[1-2]。其中，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)傳動(dòng)效率高、冷卻容易實(shí)現(xiàn)等技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，與直驅(qū)技術(shù)相比，半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在成本方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因而受到如MHI Vestas、明陽(yáng)風(fēng)電、重慶海裝等整機(jī)廠的青睞，陸續(xù)開展了相應(yīng)的產(chǎn)品和技術(shù)布局。

發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組的核心能量轉(zhuǎn)化裝置，其性能表現(xiàn)對(duì)機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)力有著直接的影響。多年來，國(guó)內(nèi)一些高校、企業(yè)對(duì)基于增速型和直驅(qū)技術(shù)路線的發(fā)電機(jī)開展了大量研究和探索，為相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)與借鑒。然而，由于起步晚，公開文獻(xiàn)對(duì)基于半直驅(qū)技術(shù)的中速永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用研究相對(duì)較少，可供參考的設(shè)計(jì)方法和工程案例數(shù)量有限。

考慮到不同技術(shù)路線的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁方式、功率密度等方面的顯著差異，尤其是采用內(nèi)轉(zhuǎn)子方案對(duì)永磁體性能和固定方式產(chǎn)生的巨大影響，需要對(duì)中速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真進(jìn)行詳細(xì)研究[3]。鑒于此，本文以3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，研究了發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)選取原則，探討了轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化方向；并基于特定電磁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及方案確定

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于對(duì)現(xiàn)有近似功率風(fēng)電機(jī)組的統(tǒng)計(jì)研究，從機(jī)組需求出發(fā)，確定了3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表1所示。

表1 3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.2 主要尺寸選擇

與常規(guī)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)類似，確定發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)后，選擇氣隙直徑Do1和定子鐵心有效長(zhǎng)度lef是開展中速發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的第一步。氣隙直徑和鐵心有效長(zhǎng)度與電機(jī)容量、同步轉(zhuǎn)速、氣隙磁通密度等參數(shù)密切相關(guān)[4]。通常參考以下公式進(jìn)行選擇：

(1)

氣隙切向力密度τF代表電樞圓周單位面積上的平均切向力，是確定氣隙直徑和鐵心有效長(zhǎng)度時(shí)可以參考的重要參數(shù)，其數(shù)值大小一定程度上反映了電機(jī)有效材料的利用率。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：τF為氣隙切向力密度；F為電樞圓周切向力；T′為電樞圓周切向轉(zhuǎn)矩。

通常情況下，在發(fā)電機(jī)功率等級(jí)、額定轉(zhuǎn)速和冷卻方式相近時(shí)，可以參考已有電機(jī)設(shè)計(jì)方案的取值，初步確定τF的大致范圍；再進(jìn)一步考慮工藝、制造因素及成本影響的情況下，選擇確定最終的發(fā)電機(jī)氣隙直徑Do1和定子鐵心有效長(zhǎng)度lef等主要尺寸參數(shù)。

圖1展示了國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)制造商8款不同轉(zhuǎn)速和不同技術(shù)路線的永磁發(fā)電機(jī)的氣隙切向力密度，表2進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了上述機(jī)型的功率和轉(zhuǎn)速?？梢钥闯觯D(zhuǎn)速對(duì)發(fā)電機(jī)氣隙切向力密度取值的影響較大?？偟膩碚f，隨著轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)氣隙切向力密度的取值逐漸下降。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低(<20r/min)，氣隙切向力密度在55～61 kN/mm2范圍內(nèi)分布；半直驅(qū)發(fā)電機(jī)取值范圍多為32～37 kN/mm2；僅有的一款高速永磁電機(jī)氣隙切向力密度僅30 kN/mm2。本文設(shè)計(jì)的3 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為490r/min，將參考半直驅(qū)取值范圍確定最終方案。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙切向力密度示例

表2 發(fā)電機(jī)氣隙切向力密度相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.3 永磁體固定方案

用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的永磁體固定方式通常有表貼式和內(nèi)置式兩種。本文經(jīng)過調(diào)研，計(jì)劃采用一種內(nèi)置式、模塊化的極靴狀磁極模組，解決發(fā)電機(jī)氣隙磁密正弦性差、齒槽轉(zhuǎn)矩大的問題，同時(shí)保證發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)永磁體的磁穩(wěn)定性。模組采用凸極沖片經(jīng)過疊壓、焊接制成，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

與常規(guī)表貼式轉(zhuǎn)子相比，這種方案渦流損耗小、發(fā)熱小、電機(jī)散熱容易。此外，沖片中段設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，每極磁體分為兩段，分別嵌入加強(qiáng)筋左右兩側(cè)，可以滿足較高的永磁體工作點(diǎn)要求。該方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1) 磁極為模塊化設(shè)計(jì)，底部設(shè)計(jì)燕尾槽，可插入轉(zhuǎn)子磁軛，方便批量生產(chǎn)和發(fā)電機(jī)拆裝運(yùn)輸；

(2) 永磁體被沖片包裹在內(nèi)部，不易受外界環(huán)境侵蝕，抗失磁能力強(qiáng)；

(3) 凸極結(jié)構(gòu)可以在極間形成較寬風(fēng)道，有利于電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)，降低了磁鋼溫度和繞組溫升，為電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行提供保障。

此外，上述永磁體固定方案還可以部分借鑒大型水輪機(jī)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，將轉(zhuǎn)子凸極表面設(shè)計(jì)為偏心圓弧狀，構(gòu)成不均勻氣隙，有利于改善氣隙磁場(chǎng)分布，提高輸出電壓的正弦性，降低電壓畸變率和諧波損耗[5-6]。

1.4 主要電磁參數(shù)

按照上述過程，確定了3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要電磁參數(shù)，如表3所示。經(jīng)計(jì)算，發(fā)電機(jī)氣隙切向力密度為32.9 kN/mm2，與預(yù)期相符。

表3 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案主要電磁參數(shù)

2 有限元仿真及分析

2.1 空載仿真計(jì)算

基于對(duì)稱性考慮，使用3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)單元電機(jī)，即完整電機(jī)的1/24，進(jìn)行建模和仿真分析，以簡(jiǎn)化模型處理過程、節(jié)約計(jì)算時(shí)間。單元電機(jī)模型的磁場(chǎng)分布如圖3所示，氣磁中部磁密波形如圖4所示。

圖3 單元電機(jī)模型及磁場(chǎng)分布

圖4 模型氣隙中部磁密波形

從圖4可以看出，發(fā)電機(jī)空載氣隙磁密波形總體為一平頂波，因受定子開槽影響發(fā)生畸變，呈現(xiàn)為“鋸齒”狀。經(jīng)過對(duì)波形數(shù)據(jù)的提取，得到定子齒部(距齒最窄1/3處)最大磁密Bt1/3=1.407 T，定子軛部最大磁密Bj1=1.25 T，轉(zhuǎn)子軛部磁密為Bj2=1.08 T。

為降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響，3 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子采用斜槽一倍齒距的方案。圖5、圖6分別為采用斜槽方案前后，額定轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)空載相反電動(dòng)勢(shì)的波形變化情況。從圖5、圖6中可以看出，斜槽后空載反電動(dòng)勢(shì)齒諧波得到有效抑制，波形正弦性明顯改善。

圖5 未斜槽空載相反電動(dòng)勢(shì)波形

圖6 斜槽后空載相反電動(dòng)勢(shì)波形

通過傅里葉變換，計(jì)算得出設(shè)計(jì)方案空載線反電動(dòng)勢(shì)的諧波畸變率，如表4所示?？梢钥闯?，諧波畸變率數(shù)值由斜槽前的1.23%減小到1.13%，可以滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不大于5%的要求。

表4 斜槽前后空載反電動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比

圖7為采用斜槽方案前后單元電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形對(duì)比?？梢钥闯?，采用斜槽設(shè)計(jì)后，單元電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有了顯著降低，峰值由斜槽前約40N·m減小至斜槽后僅4.22N·m，減小幅度高達(dá)89%；此外，經(jīng)過計(jì)算，齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值僅為額定轉(zhuǎn)矩的0.16%，也遠(yuǎn)低于3MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)小于1%的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖7 發(fā)電機(jī)空載仿真齒槽轉(zhuǎn)矩波形

2.2 額定負(fù)載仿真計(jì)算

與主動(dòng)整流變流器連接后，3MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)將會(huì)運(yùn)行在容性狀態(tài)。由于電機(jī)采用了斜槽1倍齒矩的設(shè)計(jì)，所以將會(huì)采用分段斜槽或斜極的方法[7-8]，并基于場(chǎng)路耦合瞬態(tài)有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)電磁方案進(jìn)行額定工況下的負(fù)載仿真計(jì)算。具體做法是將電機(jī)沿軸向分成5段，分別設(shè)置不同的初始位置角，最終通過合成得到發(fā)電機(jī)的端電壓、電流以及輸出功率等。

額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)的電壓、電流波形如圖8所示。由結(jié)果可知，發(fā)電機(jī)額定平均輸出功率3 215kW，額定電流2 998A，額定功率因數(shù)0.91。磁密參數(shù)的提取結(jié)果顯示，齒部(離齒根最窄1/3處)最大磁密Bt1/3=1.74T；定子軛最大磁密Bj1=1.27T，轉(zhuǎn)子軛磁密Bj2=1.0T。此外，由于采用斜槽設(shè)計(jì)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波動(dòng)控制也比較理想，齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的比例為3.22%，滿足小于等于5%的目標(biāo)要求。

圖8 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載電壓/電流波形

2.3 短路失磁計(jì)算

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，存在因電纜或端環(huán)短路，變流器直流橋、IGBT模塊擊穿引發(fā)的短路故障。設(shè)計(jì)方案不合理時(shí)，短路沖擊電流引發(fā)的電樞磁場(chǎng)，與電機(jī)溫升疊加影響下，有可能導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁。所以，負(fù)載計(jì)算后需要對(duì)電磁方案進(jìn)行短路失磁仿真計(jì)算。考慮并計(jì)算了兩相、三相短路工況對(duì)永磁體磁穩(wěn)定性的影響。通過參數(shù)提取，得到發(fā)電機(jī)短路工況下的最大退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖9所示。數(shù)據(jù)顯示，3MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在短路工況下產(chǎn)生的最大退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 120kA/m。由于選用的永磁體牌號(hào)為38UH，80 ℃下矯頑力≥1 312kA/m，高于短路最大退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度，且留有合理安全裕度，發(fā)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)短路失磁現(xiàn)象。

圖9 發(fā)電機(jī)短路工況下最大退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度

2.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成情況

通過場(chǎng)路耦合瞬態(tài)有限元分析，對(duì)3MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁方案進(jìn)行了性能仿真分析，結(jié)果如表5所示。總體上看，發(fā)電機(jī)空載、負(fù)載、短路去磁性能均可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并且高溫下不會(huì)發(fā)生不可逆退磁。

表5 3 MW半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成情況

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以3MW永磁發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，研究了半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)的選取方法和原則，探討并確定了轉(zhuǎn)子磁極的固定方式?；谏鲜龀晒纬闪税l(fā)電機(jī)電磁方案，利用場(chǎng)路耦合的瞬態(tài)有限元分析方法對(duì)方案進(jìn)行了空載、負(fù)載、短路去磁性能分析。結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)各部分磁密設(shè)計(jì)較為合理；采用斜槽一倍齒距設(shè)計(jì)后，空載齒槽轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到有效抑制，其中齒槽轉(zhuǎn)矩減小幅度為89%，負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰峰值比例為3.22%，滿足設(shè)計(jì)要求；額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)電壓、電流、輸出功率等性能符合設(shè)計(jì)預(yù)期；兩相、三相短路工況下，所選永磁體未發(fā)生不可逆退磁，可靠性可以得到保證。

由以上結(jié)果可知，本文使用的永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)思路、方法總體可行，為半直驅(qū)發(fā)電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)樣機(jī)制造及批量投產(chǎn)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。