半直驅永磁風力發電機多相繞組結構設計及性能分析

張 岳，王鳳翔

(1.遼寧科技學院，本溪117004;2.沈陽工業大學，沈陽110870)

0 引 言

超大功率直驅永磁風力發電機的體積過大，運輸困難，且永磁體材料用量大，增加了系統的成本。增加一級增速機構可以提高電機轉速，降低永磁發電機的體積，既便于運輸，又降低永磁體材料的用量，降低系統成本，而且電機的極槽匹配也更加靈活［1］。

繞組多相結構可以提高系統性能的可靠性，在損失一相(或幾相)的情況下，雖然系統輸出功率有所降低，但仍能保持系統運行［2］。

本文詳細闡述了功率為2 MW、20 極144 槽半直驅六相永磁風力發電機繞組結構設計，基于場路耦合法，分析了半直驅六相永磁風力發電機運行性能以及在缺相時的運行特點。

1 風力發電機的多相繞組結構

1.1 多相電機相數定義［2］

多相電機相數定義如下:電機定子有2q 個繞組，以β 電角度空間對稱分布，當q 為整數時，若有2q 個出線端，則稱為2q 相電機。

1.2 多相繞組結構

本文以20 極144 槽半直驅六相永磁風力發電機為例，研究多相電機繞組排列規則。一般多相電機按星型連接成的相帶由下式(1)計算所得，即:

式中:m 為電機相數。

此時電機內部定子槽沿內圓每對極距內等分的槽距角由式(2)計算所得，即:

式中:Q 為電機槽數;p 為極對數。

圖1 和圖2 分別給出20 極、144 槽六相半直驅永磁風力發電機的槽電動勢矢量圖及它的相應繞組連接圖。

圖1 六相永磁發電機槽電動勢矢量圖

圖2 六相電機繞組連接圖

2 多相半直驅永磁風力發電機研究

2.1 電磁特性設計

本文首先對20 極144 槽、功率2 MW 的六相半直驅永磁風力發電機進行電磁設計，電機尺寸［3－4］:定子外徑2 200 mm，定子內徑1 800 mm，轉子外徑1 752 mm，鐵心長度445 mm，永磁體材料為NdFeB，永磁體厚度25 mm，氣隙長度4 mm。基于有限元法得到的有限元模型如圖3 所示。

圖3 六相半直驅永磁發電機有限元模型

2.2 六相半直驅永磁風力發電機的性能

盡管電機繞組是按照額定電壓來設計的，但仍然可以計算在空載情況下的電動勢。圖4 為基于場路耦合法對20 極144 槽、功率2 MW 的六相半直驅永磁風力發電機計算得到的轉速255 r/min 的空載相電壓波形，其空載相電壓幅值為1 000 V。圖5 為空載時轉速為255 r/min 的20 極144 槽、功率2 MW的六相半直驅永磁風力發電機磁力線分布圖。從圖5 中可以看出，磁力線合理分布在定子齒部和轉子軛部內，永磁體間漏磁較小，定子齒部密度較大。

圖4 六相半直驅永磁發電機空載相電壓曲線

為了驗證上述多相電機的繞組設計方法是可行的，基于場路耦合法，分析六相半直驅永磁風力發電機在轉速為255 r/min 時、負載為“Y”連接的電阻性負載相電流以及輸出功率運行情況［5－6］，圖6 表示六相半直驅永磁風力發電機的負載相電流及輸出功率曲線。從圖中可以看到，輸出功率達到2 MW，基本達到設計要求。圖7 表示轉速255 r/min 時的磁場分布情況。

圖6 六相半直驅永磁發電機性能曲線

圖7 磁力線分布圖

2.3 相數對半直驅永磁風力發電機性能的影響

基于場路耦合法，在滿載情況下、轉速同為255 r/min 時的三相半直驅永磁風力發電機與六相半直驅永磁風力發電機的輸出功率對比圖如圖8 所示。從圖中可知，定子繞組采用六相所輸出的功率比定子采用三相繞組輸出的功率提高了約5%。這是因為定子槽和繞組的利用率提高，銅耗相對減少。

圖8 三相和六相半直驅永磁發電機輸出功率

2.4 缺相運行對半直驅永磁風力發電機性能的影響

若由空間相差30°電角度，采用并聯連接兩套三相繞組所構成的六相繞組出現故障時，可以切除出現故障的那一套三相繞組，由另外一套三相繞組繼續工作，以保持電機能維持運行。圖9 表示在某套三相繞組出現故障時，由另外一套三相繞組輸出功率與正常運行時六相繞組輸出功率的對比圖。從圖中可知，在缺相運行情況下，永磁風力發電機仍然能維持運行，只是輸出功率降低了。

圖9 六相半直驅永磁風力發電機缺相運行時的輸出功率對比圖

2.5 直驅與半直驅永磁風力發電機的性能對比

直驅與半直驅永磁風力發電機的性能對比如表1 所示。從表中可知，直驅永磁風力發電機沒有采用增速結構，提高了運行可靠性，但電機轉速低，體積較大;半直驅永磁風力發電機采用一級增速結構，運行可靠性與直驅相比降低，電機轉速升高，體積減少。

表1 直驅與半直驅永磁風力發電機性能對比

在運行條件相同、輸出功率相同的情況下，半直驅的效率比直驅的效率高，這意味著風能的利用率高;半直驅所使用的永磁體材料比直驅所使用的永磁體材料少，這不僅減輕永磁風力發電機的重量，而且可節省永磁體材料的使用，降低永磁風力風發電機成本。由于半直驅的槽數比直驅的少，在槽滿率相同情況下，半直驅的定子槽繞組用銅量以及所產生的銅損耗比直驅少。

3 結 語

本文闡述了電機的多相繞組設計方法，基于場路耦合法，分析了2 MW、六相半直驅永磁風力發電機運行特性，在缺相時，仍能維持運行，提高了系統運行可靠性。仿真表明:采用本文所提出的多相繞組設計方法，可以有效提高半直驅永磁風力發電機的運行可靠性。

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