雙向斜極永磁同步風力發電機設計

(江蘇中車電機有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

永磁風力發電機系統是以永磁發電機和全功率變流器為核心的風力發電系統，風電機組通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網相連，變頻器將風電機組輸出的不停變化交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網一致的交流電源電壓。由于采用全功率變流技術，低電壓穿越能力較強，成為風電市場發展方向。但永磁電機固有齒槽轉矩產生的脈振是其中一個缺陷，因此，在電機設計時應采用合理的電磁結構，降低齒槽轉矩帶來的轉矩脈動，既能有效提高發電機效率，又能提高發電機壽命[1]。

由于永磁同步風力發電機定子鐵心開槽與轉子永磁體相互作用，形成了脈動的電磁轉矩，加大了噪音、振動等不利因素。一般采用定子斜槽、轉子斜極、分數槽、轉子開假槽等結構能有效削弱齒槽效應的影響，提高電機性能。對于大型風力發電機，尤其是直驅及半直驅永磁同步風力發電機，由于體積龐大，采用斜槽會帶來工藝操作上的不便，同時斜極方向僅能朝向一個方向，會對發電機帶來附加的軸向力，軸向力全部作用在軸承上，嚴重影響軸承壽命。

本文就永磁同步風力發電機齒槽轉矩及軸向力兩方面來設計一款雙向斜極結構的發電機，并對齒槽轉矩及軸向力改善，利用二維有限元分層法分析對比單向斜極、雙向斜極與直極結構的永磁同步電動機性能。

1 永磁同步風力發電機斜極二維有限元分析

1.1 樣機模型

以一臺4500kW的永磁同步風力發電機為例進行二維有限元電磁場計算，電機結構如圖1所示，發電機為表面固定式磁極結構，該永磁電機的額定數據見表1。

圖1 電機結構圖

1.2 發電機齒諧波計算

通過轉子斜極，同一磁極在軸向方向對于定子齒槽所受的切向力方向各異，能有效消除氣隙磁密中的諧波及齒槽轉矩。發電機轉子旋轉一周，齒槽轉矩的周期數是定子齒數和轉子極數的最小公倍數，對于整數槽永磁同步電機而言，若欲消除次諧波，只需使斜槽斜過的距離正好等于次空間諧波的波長即可，采用雙向斜極結構和單向斜極結構如圖2所示。

圖2雙向斜極和單向斜極結構圖

采用二維分層法對永磁風力發電機進行有限元計算，將電機沿軸向等分若干段單元電機，每段單元電機為直極結構，通過每層發電機有限元求解結果再進行求和計算。對樣機計算擬采用8等份分層法計算基本可以達到計算精度。通過對發電機計算得到直極空載電壓及其諧波分解如圖3所示，定子采用斜1個齒距結構單雙向斜極空載電壓及其諧波分解如圖4所示。

圖3直槽結構電機氣隙磁密和諧波分解

圖4斜1槽單、雙斜極結構諧波分解

可見采用單、雙斜極在空載電壓上并無區別，對斜極與非斜極進行諧波分解見表2。

表2 斜極、非斜極發電機諧波分析(單位T)

可見采用單、雙向斜極結構均能消除齒諧波含量，且單雙向斜極效果一致。

1.3 發電機齒槽轉矩計算

永磁同步發電機齒槽轉矩Tg通常可以表示成磁共能W相對于位置角a的導數，Tg=dW/da，電機內存儲的能量近似認為是磁鋼及定轉子氣隙中的能量，可表示為

(1)

式中,B—氣隙磁密分布函數，μ0—氣隙磁導率，為4π×10-7H/m；r—氣隙磁密積分路徑。

對樣機進行二維電磁場有限元分析[2]，得到電機空載磁力線分布如圖5所示，空載磁密云圖如圖6所示。

圖5發電機空載磁力線分布圖

圖6發電機空載磁密分布圖

能量法對發電機進行齒槽轉矩計算，得到直極結構永磁同步發電機齒槽轉矩波動曲線如圖7所示。

圖7發電機齒槽轉矩曲線

由圖可見，單、雙向斜極結構削弱了直極結構發電機齒槽轉矩達到76.4%。

1.4 發電機軸向電磁力計算

當永磁同步風力發電機負載情況下運行，導線內部感應電勢在負載電路的作用下產生負載電流，電流在導體內部產生的安培力。其表達式為

F=N×I×B×L×sin(θ)

(2)

式中，N—磁極盒軸向數量；I—導體內部電流，單位A；B—通電導體所處環境中的磁感應強度，單位T；L—導體長度，單位mm；θ—導體與磁場垂直反向所成夾角。

正常而言，所有電流感應的安培力的合力在圓周方向所產生的扭矩應與發電機電磁轉矩相同，而有斜極或斜槽的情況下該力產生了軸向分量。若發電機為直極結構，則不存在該力，但會存在較大的齒槽轉矩及齒諧波。為能夠達到削弱齒槽轉矩與齒諧波，同時避免軸向力的存在，將發電機單個磁極沿軸向方向采用偶數個分別朝向旋轉方向和反方向的磁極，這樣計算出的軸向力表達式為

F=(N/2)I×B×(L/2) ×sin(θ)+ (N/2)I×B×(L/2) ×sin(-θ)=0

(3)

從而避免了軸向力的存在，但實際上由于每個磁極還存在偏差，且裝配位置存在一定偏差，理論上仍然存在一定的軸向力。

對發電機進行二維電磁場有限元分析[2]，其中雙向斜極采用4個磁極交錯分布結構(參見圖2)，得到電機負載磁力線分布如圖8所示，電機磁密分布如圖9所示。

圖8發電機負載磁力線分布圖

圖9發電機負載磁密分布圖

通過計算，直極結構永磁同步風力發電機所受軸向力為0N，采用雙向斜極結構永磁同步風力發電機所受軸向力為0N，采用單向斜極結構永磁同步風力發電機所受軸向力為5000N。

2 結語

永磁同步風力發電機采用雙向斜極結構能夠有效避免軸向力的存在，同時可以有效削弱齒槽轉矩和齒諧波，從而提高了發電機的軸承使用壽命，并且減少了發電機的噪聲、振動，此次設計對于同類電機的發展具有一定的意義。

[1] 唐任遠．現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2002.3.

[2] 陳陽生，林友仰．永磁電機氣隙磁密的分析計算[J]電機工程學報，1994年9月.

[3] 王秀和，等．永磁電機[M].北京：中國電力出版社，2007：08-85.