中型永磁直驅同步風力發電機設計與研究

高紅星

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中型永磁直驅同步風力發電機設計與研究

高紅星

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文介紹了一種小型永磁直驅同步風力發電機，該電機采用了優化的電磁方案、緊湊的結構設計。經現場試驗，效率高、噪聲低、風速適應范圍廣、運行可靠、對電網沖擊小、維護方便。

永磁直驅 風力 電磁 結構

0 引言

風能資源是清潔的可再生能源，風力發電是新能源中技術最成熟、最具開發規模條件和商業化發展前景的發電方式之一。永磁直驅同步風力發電系統由風力機與低速永磁同步發電機直接耦合，其輸出電壓、頻率都隨風速的變化而變化，最大能量捕獲系統的利用電能變化電路及相關控制技術，將風力發電機發出的電能經整流、直流升壓電路、逆變之后，然后并網。

本文根據風力發電的特點，研制50kW中型永磁直驅同步發電機（圖1）[1,2,4]。該電機采用葉輪直接驅動低速永磁同步發電機。通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網，省去了傳統雙饋型風力發電系統中故障率高的齒輪，有效提高發電效率和可靠性。其控制方法簡單、成本低、可靠性強、電磁兼容好。

通過研制成功該發電機后，可繼續研制更大功率的發電機，為后續產品設計打好堅實的基礎。

圖1 永磁直驅風力發電機

1 主要技術指標

額定功率:50 kW；額定電壓:380 V；額定電流:80 A；額定轉速:100 r/min；額定效率:大于90%。

2 設計過程

2.1永磁直驅風力發電機電磁設計

2.1.1電機主要尺寸的確定

1) 極數：64極；

2) 定子槽數及槽型：66槽，梨形槽；

3) 轉子磁鋼：表貼；

4) 定子沖片及鐵心尺寸；

5)定子繞組采用短距疊繞組，3相星形聯結。

定子沖片圖如圖2所示。

圖2 定子沖片圖

2.1.2 電機電磁場仿真

主要仿真了電機空載特性和負載特性[6]，其中磁鋼=890100 A/m，=1.116 T。

1）計算空載磁密分布如圖3所示

圖3 空載磁密云圖

2）給定子施加有效值為80 A的相電流，功角約為20°，轉速為100 r/min，可以得到某時刻電機內磁力線和磁密分布情況如圖4所示

圖4 負載磁密云圖

可以看出，由于直交軸電樞反應的影響，與空載相比，負載時的磁力線發生了變化。

3）齒槽轉矩仿真

圖5 齒槽轉矩圖

從圖5可以看出，該發電機齒槽轉矩可以保證風力較小情況下進行發電工作。

2.2 永磁風力發電機結構設計

電機結構[3，5]]見圖6。圖中標記名稱為：法蘭-1，電機轉子-2，電機定子-3，盤式制動器-4；制動盤-5；盤式制動器支架-6。

圖6 50 kW永磁風力發電機結構圖

此永磁風力發電機為外轉子結構，法蘭1通過鍵、螺栓連接固定在外轉子2機殼上，從而帶動葉片轉動；轉子2中磁鋼為表貼式結構，通過磁鋼槽楔與磁鋼擋環用螺栓固定在轉子機殼上；盤式制動器4通過盤式制動器支架6固定在機座上，通過夾緊制動盤5來控制發電機轉動。

2.2.1 定子

定子沖片材料為低損硅鋼片，圖2所示。

定子繞組采用200級薄漆膜聚酯亞胺復合漆包圓銅線，25根并繞成一匝，每線圈7匝，繞組兩端綁220 V的防潮加熱帶。定子整體VPI浸TJ1160漆 2 次，旋轉烘培。

2.2.2 轉子

發電機轉子為外轉子，轉子鐵心材料為Q235-B。

裝配磁鋼前先裝配轉子槽楔，并用螺釘M5x10預緊，接著裝配磁鋼擋環，用螺栓M6x12和墊圈預緊，然后再裝配磁鋼，磁鋼材料為釹鐵硼N38UH，磁鋼表面要涂磁鋼底面膠J-228，同時要保證磁極方向正確，全部磁鋼裝配后，用螺釘M5x10和螺栓M6x12擰緊。

2.3 損耗和效率計算

圖7 額定負載時電機電磁轉矩

圖8 負載時電機鐵心損耗曲線

額定負載時電機的鐵心損耗曲線如圖8所示。經計算，可得電機的鐵心損耗為414.7 W。

3 結論

在研制過程中，遇到了很多技術難點，比如永磁直驅風力發電機結構復雜、安裝困難、轉子加工困難、定子繞組端部安放空間小等問題，得到了逐一攻克。

該永磁直驅風力發電機電機采用無機座外轉子結構，大大縮小了體積和重量，滿足了工作環境尺寸安裝的要求；采用分數槽繞組方案，減小了繞組端部，減少了磁極表面的脈振損耗。

通過現場負載試驗表明：該永磁直驅風力發電機效率高、噪聲低、風速適應范圍廣、運行可靠、對電網沖擊小、維護方便。

[1] 王秀和. 永磁電機. 北京：中國電力出版社, 2007.

[2] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[3] 姜彤, 李殿起, 韓立. ANSYS在永磁電機轉子強度接觸有限元分析中的應用. 機械設計與制造, 2008, (11) : 87-89.

[4] 陳世坤. 電機設計. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[5] NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.

Research and Design of Permanent Magnet Synchronous Direct-drive Wind Power Generator

Gao Hongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM614

A

1003-4862（2017）06-0023-03

2017-02-15

高紅星（1972-），男，高級工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動技術。E-mail: 67599135@qq.com