2 MW雙定子直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計

劉 婷，黃守道，歐陽紅林

(湖南大學(xué)，湖南長沙410082)

0 引 言

現(xiàn)在，世界風(fēng)電行業(yè)不但已經(jīng)成為世界能源市場的重要成員，并且在刺激經(jīng)濟增長和創(chuàng)造就業(yè)機會中正發(fā)揮著越來越重要的作用。風(fēng)力發(fā)電對于解決能源危機、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義［1］。目前，國際上風(fēng)力發(fā)電主要陸地風(fēng)力發(fā)電，比起陸地風(fēng)能，海上風(fēng)力資源豐富，產(chǎn)量大，具有明顯經(jīng)濟優(yōu)勢，同時不占用土地資源，受環(huán)境影響小。各國對海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益重視。根據(jù)《全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報告》，我國大陸沿岸淺海0～20 m等深線的海域面積為15.7萬平方千米。其總量10～20%的海面可以利用，風(fēng)電機組的實際布置按照5 000 kW/km2計算，則近海風(fēng)電裝機容量約為1～2億kW，可開發(fā)的潛力巨大。

風(fēng)力發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一個重要環(huán)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機會影響發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性以及控制性能等方面的性能。因此對風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的研究很有必要。

而現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機，尤其是海上風(fēng)力機正向著單機容量大型化的方向發(fā)展。隨著單機容量增加，發(fā)電機體積也越來越大，兆瓦級及以上的風(fēng)電機很大很重，對陸路運輸和現(xiàn)場吊裝提出極大挑戰(zhàn)，3 MW以上容量的風(fēng)電機吊裝需特殊設(shè)備和技術(shù)，從而限制風(fēng)電機單機容量。因此，在增大電機容量的同時減小體積是風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展趨勢之一［2－3］。

永磁同步發(fā)電機可提高電機效率，減小電機體積，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢。而利用永磁發(fā)電機做成直驅(qū)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)性能多個方面有改善提高作用，是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景［4－5］。

應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的直驅(qū)永磁發(fā)電機多種多樣，如徑向磁通發(fā)電機、軸向磁通發(fā)電機和橫向磁通發(fā)電機。這三種永磁電機是根據(jù)電機的主磁通方向來劃分的。本文研究的是徑向磁場電機，徑向磁場電機可以采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以及多轉(zhuǎn)子或多定子復(fù)合結(jié)構(gòu)。本文則采用雙定子復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計一個額定功率2 MW的風(fēng)力發(fā)電機，并通過有限元仿真軟件建立模型，進行磁場仿真，研究其空載負載性能，并與相同功率的單定子發(fā)電機對比。

1 電機的電磁設(shè)計

1.1 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機與單定子電機的不同在于增加了一個內(nèi)定子，轉(zhuǎn)子置于內(nèi)外定子之間。通常，雙定子發(fā)電機的磁路有串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩臺電機的永磁體磁路串聯(lián)到一起共用一個永磁體，轉(zhuǎn)子永磁體為徑向充磁或平行充磁;而并聯(lián)結(jié)構(gòu)則相當(dāng)于把兩臺電機的永磁體磁路并連到一起共用一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子永磁體為切向充磁，沿切向嵌入轉(zhuǎn)子部件中［6］。

如果采用并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，永磁體發(fā)出磁通的有效面積會受到限制，同時還會出現(xiàn)因轉(zhuǎn)子鐵心疊片軸向磁阻的存在使永磁體磁密沿軸向分布不均勻的問題［7］。因此，本文以串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙定子永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

1.2 定子及繞組設(shè)計

由于分數(shù)槽可有效降低發(fā)電機起動阻力矩，另外采用分數(shù)槽繞組以及短距繞組可以有效地改善電機的感應(yīng)電動勢，減少波形中的諧波［8］。因此，本文設(shè)計的雙定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機采用分數(shù)槽短距繞組。

由于直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的體積很大，內(nèi)部有較大的利用空間，因此本文的雙定子發(fā)電機內(nèi)外定子功率比為1∶1，內(nèi)外定子的槽數(shù)相等。繞組采用傳統(tǒng)的雙層疊繞組。

1.3 轉(zhuǎn)子及永磁體設(shè)計

由于本文采用的是串聯(lián)磁路的雙定子永磁同步電機結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子只有一層徑向充磁的永磁體，而磁通會四次經(jīng)過氣隙。因此電機的氣隙長度約為單定子電機的兩倍，因此永磁體的設(shè)計對電機的性能影響很大，本設(shè)計采用的永磁材料為釹鐵硼(NdFeB)。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 釹鐵硼主要參數(shù)

由于磁化方向長度對電機氣隙磁密以及抗去磁能力等有影響。為了獲得足夠的氣隙磁密，與單定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機相比，所設(shè)計的雙定子發(fā)電機磁化方向長度比單定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機大。

另外，雙定子電機的永磁體固定在杯型轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)時永磁體將承受一定的離心力，所以在其內(nèi)外側(cè)加裝護套。

2 電機模型的建立

為了研究雙定子結(jié)構(gòu)對直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機性能的影響，本文分別對兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機進行了設(shè)計與仿真分析。如圖2所示。

首先，利用等效磁路的方法對兩種結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機進行設(shè)計，得到不同設(shè)計方案。為了能夠得到更好的對比效果，兩方案樣機功率相等，長度相同，永磁體均采用如表1所示性能的釹鐵硼永磁體材料。各方案主要參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計方案主要參數(shù)

3 有限元電磁場分析

3.1 空載特性分析

雙定子永磁電機有內(nèi)外兩個定子，兩個定子磁場相互耦合，因此，電樞反應(yīng)引起的磁場變化比普通電機更加復(fù)雜，需要進行磁場計算才能進行較為準(zhǔn)確的分析。本文對所設(shè)計的雙定子電機進行了二維場有限元分析，得到其運行性能，并與普通單定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的性能進行比較。兩種結(jié)構(gòu)電機的磁力線以及電機中的磁密分布如圖3所示。

從圖3可以看出，兩種結(jié)構(gòu)電機的磁力線均為規(guī)律對稱分布。極間存在一定漏磁。相鄰磁極的磁力線組成閉合路徑。而兩種結(jié)構(gòu)電機磁路的具體路徑有所不同。單定子電機主磁路只經(jīng)過一個定子，而對于串聯(lián)磁路雙定子永磁同步電機，內(nèi)外定子通過幾乎相同的每極氣隙磁通，兩個定子共用一個主磁路，主磁通同時經(jīng)過外內(nèi)定子而閉合。雙定子電機各部磁密比單定子結(jié)構(gòu)低。

本文對雙定子以及單定子兩種不同結(jié)構(gòu)的電機進行有限元空載仿真分析。得到的各電機空載感應(yīng)電壓波形如圖4所示。單定子電機A相空載感應(yīng)電壓有效值為450.62 V，雙定子電機內(nèi)外定子A相空載感應(yīng)電壓有效值分別為446.53 V和443.24 V，大小與單定子電機基本相同。內(nèi)外定子的感應(yīng)電壓存在一定相位差，這是由于內(nèi)外定子相對偏移了一個齒距。從圖4中可以看出，相較于單定子發(fā)電機，雙定子發(fā)電機的電壓波形更平滑。

圖3 磁力線與磁通分布

圖4 空載電勢波形

3.2 負載特性分析

對設(shè)計的電機進行有限元負載仿真分析。圖5為單定子和雙定子發(fā)電機空載和負載情況下的氣隙磁密波形，兩種結(jié)構(gòu)氣隙磁密分布相似。單定子和雙定子結(jié)構(gòu)空載磁密最大處為0.94 T和0.87 T。氣隙磁密波形頂部呈齒狀。這是由于定子齒槽的影響使氣隙磁阻不均勻，定子齒對著的氣隙磁阻小，而定子槽對著的氣隙磁阻大。大多磁力線沿著磁阻小的齒部進入，從槽部進入的磁力線少。從而使得對著齒的地方氣隙磁密高，對著槽的地方氣隙磁密低。負載氣隙磁密均因電樞反應(yīng)發(fā)生畸變。

圖6為單定子與雙定子結(jié)構(gòu)時電機輸出轉(zhuǎn)矩對比圖。單定子和雙定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩波動分別為26.17 kN·m和21.05 kN·m。

圖5 氣隙磁密分布

圖6 負載轉(zhuǎn)矩波形

圖7為兩種結(jié)構(gòu)電機在獨立負載情況下運行時的端電壓波形以及繞組電流波形。從圖中可以看出，單定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓為663.32 V，電流為1 741.99 A。雙定子永磁同步發(fā)電機外定子輸出電壓和繞組電流為664.13 V和892.21 A，內(nèi)定子輸出電壓和繞組電流為662.25 V和889.33 A。可以看出，獨立負載時在負載電壓達到額定電壓時，雙定子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機能內(nèi)外定子輸出功率之和能夠達到2 MW。

圖7 獨立負載情況下的負載電壓與電流波形

3.3 材料及體積比較

由于雙定子電機與單定子電機結(jié)構(gòu)不同，因此材料用量與重量也有一些區(qū)別，表3給出了兩種結(jié)構(gòu)電機的材料以及空間利用的具體情況。

表3 兩種結(jié)構(gòu)電機的重量和體積

雙定子永磁電機和單定子電機具有相同的輸出功率，由于雙定子是在單定子原來轉(zhuǎn)子內(nèi)部的空間增加了一個內(nèi)定子，其體積比單定子電機小17.8%，可節(jié)約發(fā)電機所占空間并減輕電機重量。雙定子的結(jié)構(gòu)特點大大減小了轉(zhuǎn)子的重量，其總重量是單定子永磁同步發(fā)電機的82.3%。

4 結(jié) 語

本文利用有限元的方法對單定子和雙定子兩種結(jié)構(gòu)的電機進行有限元仿真以及對比，研究了雙定子結(jié)構(gòu)對電機性能的影響。從仿真仿真結(jié)果可以看出，輸出功率相同時，雙定子結(jié)構(gòu)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的運行性能良好。與單定子發(fā)電機相比，雙定子結(jié)構(gòu)的發(fā)電機體積小、重量輕，有利于風(fēng)力發(fā)電，尤其是適于海上風(fēng)力發(fā)電增大電機容量的同時減小體積重量的發(fā)展趨勢。

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