某型號(hào)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可行性分析

張 俊，歐金生，張宇舟

應(yīng)用研究

某型號(hào)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可行性分析

張 俊1，歐金生2，張宇舟1

（1. 湖南高創(chuàng)新能源有限公司，長(zhǎng)沙 410006；2. 湘潭電機(jī)股份有限公司海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411101）

本文以某型號(hào)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)為例，根據(jù)發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)要求設(shè)計(jì)出合理的沖片、定子繞組、氣隙、轉(zhuǎn)子磁路、永磁體等結(jié)構(gòu)，并對(duì)電磁方案設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，最后還進(jìn)行了電磁仿真分析研究，分析結(jié)果表明該電磁設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。另外本論文還對(duì)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度能夠滿足要求。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 電磁設(shè)計(jì) Ansoft Maxwell2D 沖片強(qiáng)度

0 引言

隨著世界能源資源的消耗，新能源的開(kāi)發(fā)越發(fā)重要，風(fēng)電能源的研究成為重點(diǎn)。我國(guó)風(fēng)電資源充足，一直都將保持高速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。我國(guó)的兆瓦級(jí)直驅(qū)和半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)與國(guó)外任然存在一定的差距[1-3]。

國(guó)內(nèi)很多人進(jìn)行了較為深入的研究工作，本文以某型號(hào)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)為例，根據(jù)發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)要求設(shè)計(jì)沖片、定子繞組、氣隙、轉(zhuǎn)子磁路、永磁體等的結(jié)構(gòu)，并對(duì)電磁方案設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 電機(jī)技術(shù)方案

1.1 技術(shù)參數(shù)

該永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)具體如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.2 定子沖片設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)算時(shí)，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(shè)計(jì)

定子采用6相雙Y移30°繞組，16極，定子繞組的具體參數(shù)如表2。

表2 定子繞組參數(shù)

1.4 氣隙值選取

在定子參數(shù)及定子尺寸確定的前提下，氣隙值的選取主要考慮其對(duì)波形畸變率、電壓調(diào)整率、同步電抗、漏磁系數(shù)、雜散損耗及永磁體用量的影響。本電機(jī)定子為開(kāi)口槽，定子鐵心未斜槽，定子繞組為整數(shù)槽，轉(zhuǎn)子斜極在裝配上較難實(shí)現(xiàn)。因此，定子齒諧波的控制只能靠增大氣隙值和調(diào)節(jié)極弧系數(shù)的方法。氣隙的增大可減小電機(jī)電樞反應(yīng)，降低電壓調(diào)整率。本電機(jī)定子繞組為多路并聯(lián)，較大的氣隙可降低氣隙偏心造成的各支路反電勢(shì)不平衡。氣隙增大還可減小定、轉(zhuǎn)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(jī)，本電機(jī)氣隙值選取較大值7 mm。

1.5 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)主要有表面式和內(nèi)嵌式兩種。就本電機(jī)來(lái)說(shuō)，表面式結(jié)構(gòu)的永磁體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的渦流損耗，導(dǎo)致永磁體溫度過(guò)高，磁性能下降，輸出電壓過(guò)低等問(wèn)題。另外，本電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑較大，表面式結(jié)構(gòu)磁極的固定也較為困難。內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)相對(duì)較大。但其轉(zhuǎn)子極靴可有效保護(hù)永磁體，永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗相對(duì)很小。鐵心采用疊片結(jié)構(gòu)后，表面損耗可下降到較低的水平。內(nèi)嵌式可分為徑向式、切向式和混合式三種?？紤]到磁極裝配的工藝成熟性，本電機(jī)采用徑向內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，常用的徑向內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)如圖1所示。本電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，磁極離心力在隔磁橋處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，超過(guò)沖片材料允許的限值。為解決該問(wèn)題，在磁極沖片永磁體槽中間位置增加了加強(qiáng)筋，如圖3所示。該加強(qiáng)筋雖增大了電機(jī)的漏磁系數(shù)，但大大降低了隔磁橋處的應(yīng)力水平。

圖2 常用徑向內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)徑向內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)

1.6 永磁體

在電機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)如下：

表3 永磁體參數(shù)

1.7 電磁方案設(shè)計(jì)結(jié)果分析

經(jīng)空載、額定負(fù)載、損耗效率計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)電機(jī)的輸出性能、效率、電壓調(diào)整率、最大電壓值都能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。本發(fā)電機(jī)的負(fù)載形式為發(fā)電機(jī)經(jīng)不可控整流、升壓、逆變后輸出，且發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)（0.95）不可調(diào)節(jié)，此外電樞反應(yīng)為去磁性，所以永磁體的空載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)值相對(duì)較高（0.83），而該目的是提高發(fā)電機(jī)的抗去磁能力、過(guò)載能力和降低電壓調(diào)整率。

2 電機(jī)電磁場(chǎng)仿真分析

2.1 空載工況的電磁場(chǎng)仿真分析

根據(jù)電磁設(shè)計(jì)方案結(jié)果，在Ansoft Maxwell2D軟件中的瞬態(tài)場(chǎng)建立了電機(jī)仿真模型，對(duì)電機(jī)空載工況下電磁場(chǎng)及輸出性能進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)對(duì)稱性，建立發(fā)電機(jī)1/16仿真(模型如圖4)。以額定轉(zhuǎn)速410 r/min為例，進(jìn)行空載工況的電磁場(chǎng)仿真分析[4-6]，其結(jié)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(kāi)槽對(duì)氣隙磁密波形影響較大，其主要是原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)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(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了磁路計(jì)算的準(zhǔn)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(shù)次、23次和25次。本文電機(jī)定子繞組為“Y”接法，3次及3的倍數(shù)次諧波在線電壓波形中可消除。23次和25次為齒諧波，對(duì)空載線電壓的波形畸變率影響較大，經(jīng)計(jì)算可得空載線電壓的波形畸變率為4.4%（實(shí)際值一般比計(jì)算值略高，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)在4.8%左右），但仍滿足技術(shù)參數(shù)中≤5%的要求。

2.2 額定負(fù)載工況下的輸出性能仿真分析

發(fā)電機(jī)經(jīng)不可控六相橋式整流后輸出。根據(jù)發(fā)電機(jī)的負(fù)載形式，建立了負(fù)載仿真電路（如圖9），對(duì)額定負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)的輸出性能進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果如圖10～16所示。

圖9 發(fā)電機(jī)負(fù)載電路圖

圖10 發(fā)電機(jī)整流后直流電流波形

圖11 發(fā)電機(jī)整流后直流電壓波形

圖12 發(fā)電機(jī)負(fù)載相感應(yīng)電壓波形

從圖10、圖11中可以得出：直流側(cè)電壓為920 V，電流為3 450 A，輸出功率為3 200 kW，達(dá)到了發(fā)電機(jī)額定輸出功率，達(dá)到了發(fā)電機(jī)額定輸出功率。

圖13 發(fā)電機(jī)負(fù)載線感應(yīng)電壓波形

從圖12、圖13中可以得出：發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)相感應(yīng)電壓基波有效值為407 V，線感應(yīng)電壓基波有效值為705 V，符合設(shè)計(jì)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(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)定子鐵心損耗為10.5 kW，永磁體內(nèi)渦流損耗為1.5 kW，符合設(shè)計(jì)要求。

從圖16中可以得出，發(fā)電機(jī)額定負(fù)載的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為2.4%，略高于技術(shù)指標(biāo)2%的要求，但不影響電機(jī)的性能。

2.3 電磁仿真結(jié)果分析

空載工況的電磁場(chǎng)仿真分析和額定負(fù)載工況下的輸出性能仿真分析可看出本電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)合理，電機(jī)各性能指標(biāo)（除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)略有超標(biāo)外）均能滿足使用要求。

圖16 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形圖

3 轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算

本文電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，磁極離心力在隔磁橋處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，為了分析該應(yīng)力是否超過(guò)材料極限值，本文對(duì)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。采用實(shí)體建模，取轉(zhuǎn)子鐵心的1/16（一個(gè)磁極模型），軸向厚度為55 mm的模型進(jìn)行計(jì)算，模型包括永磁體和磁極沖片，如圖17所示，計(jì)算時(shí)按最高轉(zhuǎn)速491 r/min進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果如圖18所示。

圖17 計(jì)算模型圖

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

圖18 磁極應(yīng)力分布圖

4 小結(jié)

本文對(duì)某型號(hào)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入的分析研究。從仿真分析計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)略有超標(biāo)外（但不影響電機(jī)性能），發(fā)電機(jī)能夠達(dá)到技術(shù)要求規(guī)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，另外本論文還對(duì)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度能夠滿足要求。

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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(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021GK2019）

張俊（1985-），男，碩士研究生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真分析。E-mail: 448637393@qq.com