某型號永磁風力同步發電機設計可行性分析

張 俊，歐金生，張宇舟

應用研究

某型號永磁風力同步發電機設計可行性分析

張 俊1，歐金生2，張宇舟1

（1. 湖南高創新能源有限公司，長沙 410006；2. 湘潭電機股份有限公司海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南湘潭 411101）

本文以某型號永磁風力同步發電機為例，根據發電機技術參數要求設計出合理的沖片、定子繞組、氣隙、轉子磁路、永磁體等結構，并對電磁方案設計結果進行分析，最后還進行了電磁仿真分析研究，分析結果表明該電磁設計符合設計要求。另外本論文還對轉子沖片強度進行了有限元分析，結果表明該轉子沖片強度能夠滿足要求。

永磁同步風力發電機 電磁設計 Ansoft Maxwell2D 沖片強度

0 引言

隨著世界能源資源的消耗，新能源的開發越發重要，風電能源的研究成為重點。我國風電資源充足，一直都將保持高速發展。風力發電機主要包括雙饋型風力發電機、直驅式永磁風力發電機和半直驅式永磁風力發電機。我國的兆瓦級直驅和半直驅永磁風力發電機與國外任然存在一定的差距[1-3]。

國內很多人進行了較為深入的研究工作，本文以某型號永磁風力同步發電機為例，根據發電機技術參數要求設計沖片、定子繞組、氣隙、轉子磁路、永磁體等的結構，并對電磁方案設計結果進行分析。

1 電機技術方案

1.1 技術參數

該永磁同步發電機技術參數具體如表1所示。

表1 技術參數

1.2 定子沖片設計

定子沖片為扇形片，1/6整圓，192槽，沖片主要尺寸及槽型尺寸如圖1所示。定子外徑實際為2 165 mm，考慮沖片外圓布置有水冷管道軸向通孔，磁路計算時，取定子等效外徑為2 145 mm。

圖1 定子沖片圖

1.3 定子繞組設計

定子采用6相雙Y移30°繞組，16極，定子繞組的具體參數如表2。

表2 定子繞組參數

1.4 氣隙值選取

在定子參數及定子尺寸確定的前提下，氣隙值的選取主要考慮其對波形畸變率、電壓調整率、同步電抗、漏磁系數、雜散損耗及永磁體用量的影響。本電機定子為開口槽，定子鐵心未斜槽，定子繞組為整數槽，轉子斜極在裝配上較難實現。因此，定子齒諧波的控制只能靠增大氣隙值和調節極弧系數的方法。氣隙的增大可減小電機電樞反應，降低電壓調整率。本電機定子繞組為多路并聯，較大的氣隙可降低氣隙偏心造成的各支路反電勢不平衡。氣隙增大還可減小定、轉子鐵心表面高頻渦流損耗。綜合考慮上述因素，并參考同類型電機，本電機氣隙值選取較大值7 mm。

1.5 轉子磁路結構

轉子磁路結構主要有表面式和內嵌式兩種。就本電機來說，表面式結構的永磁體內會產生相對較大的渦流損耗，導致永磁體溫度過高，磁性能下降，輸出電壓過低等問題。另外，本電機轉子外徑較大，表面式結構磁極的固定也較為困難。內嵌式結構的漏磁系數相對較大。但其轉子極靴可有效保護永磁體，永磁體內產生渦流損耗相對很小。鐵心采用疊片結構后，表面損耗可下降到較低的水平。內嵌式可分為徑向式、切向式和混合式三種。考慮到磁極裝配的工藝成熟性，本電機采用徑向內嵌式結構，常用的徑向內嵌式結構如圖1所示。本電機轉速相對較高，磁極離心力在隔磁橋處產生較大的應力，超過沖片材料允許的限值。為解決該問題，在磁極沖片永磁體槽中間位置增加了加強筋，如圖3所示。該加強筋雖增大了電機的漏磁系數，但大大降低了隔磁橋處的應力水平。

圖2 常用徑向內嵌式結構

圖3 改進徑向內嵌式結構

1.6 永磁體

在電機轉子基本尺寸已限定的前提下，永磁體的布置空間有限。因此永磁體選用高磁性能的釹鐵硼材料，具體參數如下：

表3 永磁體參數

1.7 電磁方案設計結果分析

經空載、額定負載、損耗效率計算，從計算結果可以看出，發電機的輸出性能、效率、電壓調整率、最大電壓值都能滿足技術指標的要求。本發電機的負載形式為發電機經不可控整流、升壓、逆變后輸出，且發電機的功率因數（0.95）不可調節，此外電樞反應為去磁性，所以永磁體的空載工作點設計值相對較高（0.83），而該目的是提高發電機的抗去磁能力、過載能力和降低電壓調整率。

2 電機電磁場仿真分析

2.1 空載工況的電磁場仿真分析

根據電磁設計方案結果，在Ansoft Maxwell2D軟件中的瞬態場建立了電機仿真模型，對電機空載工況下電磁場及輸出性能進行了仿真分析。根據對稱性，建立發電機1/16仿真(模型如圖4)。以額定轉速410 r/min為例，進行空載工況的電磁場仿真分析[4-6]，其結果如圖5～8所示。

圖4 空載仿真模型圖

圖5 一極距下氣隙磁密波形

圖6 空載相電壓波形

圖7 空載線電壓波形

圖8 空載相電壓波形分解頻譜

由圖5空載氣隙磁密波形可以看出定子開槽對氣隙磁密波形影響較大，其主要是原因為發電機的定子槽口尺寸與氣隙的比值偏大。由圖6可看出空載相電壓基波幅值為658 V，有效值為465 V，空載線電壓基波有效值為805 V，與電磁計算結果一致，驗證了磁路計算的準確性。從圖7、8可以看出，相電壓波形中諧波主要為3次及3的倍數次、23次和25次。本文電機定子繞組為“Y”接法，3次及3的倍數次諧波在線電壓波形中可消除。23次和25次為齒諧波，對空載線電壓的波形畸變率影響較大，經計算可得空載線電壓的波形畸變率為4.4%（實際值一般比計算值略高，經驗估計在4.8%左右），但仍滿足技術參數中≤5%的要求。

2.2 額定負載工況下的輸出性能仿真分析

發電機經不可控六相橋式整流后輸出。根據發電機的負載形式，建立了負載仿真電路（如圖9），對額定負載工況下發電機的輸出性能進行了仿真分析，分析結果如圖10～16所示。

圖9 發電機負載電路圖

圖10 發電機整流后直流電流波形

圖11 發電機整流后直流電壓波形

圖12 發電機負載相感應電壓波形

從圖10、圖11中可以得出：直流側電壓為920 V，電流為3 450 A，輸出功率為3 200 kW，達到了發電機額定輸出功率，達到了發電機額定輸出功率。

圖13 發電機負載線感應電壓波形

從圖12、圖13中可以得出：發電機額定負載時相感應電壓基波有效值為407 V，線感應電壓基波有效值為705 V，符合設計要求。

圖14 定子鐵心損耗

圖15 永磁體渦流損耗

從圖14、圖15中可以得出：發電機額定負載時定子鐵心損耗為10.5 kW，永磁體內渦流損耗為1.5 kW，符合設計要求。

從圖16中可以得出，發電機額定負載的轉矩脈動約為2.4%，略高于技術指標2%的要求，但不影響電機的性能。

2.3 電磁仿真結果分析

空載工況的電磁場仿真分析和額定負載工況下的輸出性能仿真分析可看出本電機電磁方案設計合理，電機各性能指標（除轉矩脈動略有超標外）均能滿足使用要求。

圖16 發電機額定負載轉矩波形圖

3 轉子沖片機械強度計算

本文電機轉速相對較高，磁極離心力在隔磁橋處產生較大的應力，為了分析該應力是否超過材料極限值，本文對轉子沖片結構進行有限元分析。采用實體建模，取轉子鐵心的1/16（一個磁極模型），軸向厚度為55 mm的模型進行計算，模型包括永磁體和磁極沖片，如圖17所示，計算時按最高轉速491 r/min進行，計算結果如圖18所示。

圖17 計算模型圖

從圖18中可以得出：沖片最大應力為185 MPa，為局部應力，且為壓應力；沖片加強筋處的最大應力為113 MPa，隔磁橋處的最大應力為142.5 MPa，均為拉應力。沖片材料的抗拉強度為380 MPa，滿足使用要求。

圖18 磁極應力分布圖

4 小結

本文對某型號永磁風力同步發電機的電磁設計方案進行了深入的分析研究。從仿真分析計算的結果來看，除轉矩脈動略有超標外（但不影響電機性能），發電機能夠達到技術要求規定的各項性能指標要求，另外本論文還對轉子沖片強度進行了有限元分析，結果表明該轉子沖片強度能夠滿足要求。

[1] 祝令帥. 1.5 MW永磁半直驅風力發電機電磁場與溫度場的計算與分析[D]. 哈爾濱大學: 2010.

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Feasibility analysis of permanent magnet synchronous wind generator design

Zhang Jun1, Ou Jinsheng2, Zhang Yuzhou1

( 1. Hunan High Innovation Energy Co. LTD, Changsha 410006, Hunan, China; 2. Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiangtan Electric Manufacturing Corporation Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China )

TM351

A

1003-4862（2022）07-0019-05

2022-04-07

湖南省科技創新計劃項目（項目編號：2021GK2019）

張俊（1985-），男，碩士研究生，研究方向：機械結構設計及其仿真分析。E-mail: 448637393@qq.com