一種帶有空槽分瓣定子結構的直驅永磁電機

次元平,俞文斌,陳記春

(西安中車永電捷力風能有限公司，陜西 西安 710018)

0 引 言

目前風力發電機主要分為異步雙饋風力發電機、異步籠型發電機、永磁半直驅發電機和永磁直驅發電機4種類型。永磁電機具有高功率密度、高效率、高可靠性等優點，是大功率風力發電機最具前景的解決方案[1-2]。在電機轉速和功率已經確定的情況下，電機直徑越大成本越低。不斷增大電機的功率等級是降低機組成本的有效辦法。直驅電機轉速通常在20 r/min以內，電機的體積較大，當電機直徑到達5 m以上時，雖然電機的單位制造成本有所下降，但是電機的體積巨大，超過運輸寬度限制，導致運輸成本大大上升，從而達不到降本目標[3]。

為了解決電機運輸問題，將大型直驅電機分瓣生產，運輸到項目現場后再進行裝配是一種可行的方案。目前國內外廠家已經成功實現了直驅電機分瓣技術，現有的分瓣直驅電機繞組分兩種結構：第一種結構采用單層繞組，線圈節距大于1，這種結構電機的線圈端部較長，同時線圈端部需要采用特殊繞制工藝，成型難度大。第二種結構采用雙層繞組，線圈節距等于1，矩形電磁線線圈成型過程中出槽口附近部位無法做到圓滑過渡，線圈的絕緣性能會受到一定的影響，降低了電機絕緣性能。

對于大功率永磁風力發電機，設計出一款性能良好的風力發電機主要取決于電磁設計。文獻[4-5]對1～3 MW 直驅永磁風力發電機的電磁設計特點進行了研究。文獻[6]對降低永磁風力發電機轉矩波動的技術手段進行了研究。文獻[7]運用傅里葉級數的方法分析了齒槽轉矩表達式，對直驅永磁風力發電機極弧系數選擇與磁極偏移方法組合應用進行了研究。

本文采用多極多槽的結構，在分瓣處取消線圈，可以在不降低絕緣強度的前提下，降低電機的制造難度和運輸成本。本文首先對本次直驅電機參數和分瓣后定轉子結構做介紹；其次研究了空槽后電機空載電動勢，分析了正弦波電源下電機轉矩波動在空槽與不空槽的對比；最后分析了多個極槽配合下電機電磁性能在空槽和不空槽結構下的對比，為空槽結構的大功率直驅電機設計提供一定的參考。

1 電機模型

本文設計的直驅電機為外轉子、內定子低速永磁風力發電機，電機轉速與葉片轉速相同。電機為了適應低風速區域轉速小于10 r/min，同時要求電機頻率不大于10 Hz，因此電機極數約為100極。本文對100、104、112、120極電機極數進行對比分析。

由于電機直徑達到7.3 m，在浸漆、烘焙、運輸均存在較大的困難。為了降低電機的裝配難度，本文將電機沿著徑向平均分為4瓣，為了更好實現空槽結構電機采用整數槽繞組，本電機采用雙層繞組線圈，節距為5。這樣在每瓣電機運輸到項目現場時已經完成浸漆，導致在項目現場電機拼接完成后無法完成拼接部位的線圈安裝。為了解決以上問題需在電機拼接部位取消線圈。取消線圈后電機模型如圖1所示。

電機分為4瓣，為了電壓平衡在分瓣處將每一相繞組取消相同個數的線圈，如圖1所示。從圖1中可以看到在分瓣位置的左側為其中一瓣電機，右側為另一瓣電機，在裝配的時候保證左側電機線圈上層邊無線圈，右側電機與之對應的槽內下層邊無線圈。保證電機在沿著如圖所示的位置分瓣后每一瓣電機線圈完整，實現電機在車間內完成嵌線。

本次研究的電機轉速、頻率都有一定的要求，因此主要研究以下幾種極槽配合的電機模型，同時為了降低電機的諧波，電機每極每相槽數取2。本電機模型極槽配合分別為：100極電機槽數為600，104極電機槽數為624，108極電機槽數為648，112極電機槽數為672，120極電機槽數為720。

2 空槽與不空槽電磁對比

首先設計電機極數為120，槽數為720。電機分為4瓣，并聯支路數設計為4，即每個一瓣電機為一個單元電機。為了減小諧波電機采用短距，節距為5，電機參數如表1所示。

不空槽和空槽結構電機在空載情況下由于繞組沒有電流，電機的磁場沒有受到影響，兩種情況下氣隙磁密波形相同。本文使用Maxwell有限元軟件仿真計算該電機模型，空槽與不空槽時分瓣處磁密分布如圖2和圖3所示。

圖2 不空槽結構電機空載磁密分布圖

圖3 空槽結構電機空載磁密分布圖

電機反電動勢的計算公式為

E0=4.44×f×Kdp×N×Φδ0×KΦ

(1)

式中：f為頻率；Kdp為繞組因數；N為每相繞組串聯匝數；Φδ0為空載主磁通；KΦ為氣隙波形系數。

本文設計的電機空槽和不空槽情況下基本尺寸相同，采用空槽結構后線圈串聯數相應減少，因此空載反電動勢會相應減少。

每相串聯匝數N可以由下式求得：

(2)

式中：Ns為每槽導體數；Q為電機槽數；a為并聯支路數；m為相數。

式(2)按照電機的每相串聯匝數相同計算，但是電機采用空槽后該公式不再適用。應該依據下式計算電機串聯匝數：

N=Ns×Z

(3)

式中：Z為單元電機每相所占虛槽數。

對于不空槽結構，單元電機所占槽數為120，而空槽結構中單元電機的兩個接縫處均有兩個虛槽沒有線圈，單元電機所占槽數為116，因此兩種電機空載反電動勢相差相應的比值。經過仿真計算空載情況下兩種結構電機空載反電動勢區別如圖4和圖5所示。兩種情況下電機齒槽轉矩不會發生變化，電機空槽時空載反電動勢減小，反電動勢諧波畸變率均為0.55%，如圖6所示，同時空載情況下電機的磁密分布基本相同。

圖4 不空槽情況下電機空載反電動勢

圖5 空槽情況下電機空載反電動勢

圖6 空載反電動勢諧波畸變率對比

在電機負載的情況下，繞組中有電流，該電流對氣隙磁密分布有一定的影響，電機遠離分瓣處的位置受空槽影響較小。兩種情況下的電機磁密分布如圖7和圖8所示。空槽時，由于空槽位置缺少一層線圈，接縫處磁場的分布僅受到一層電流的影響，從而與兩層繞組電流對磁場的影響不再相同。經過對比分析得出不空槽結構的電機氣隙磁密畸變率為31.4%，空槽結構電機在空槽附近磁密畸變率為32.6%。空槽對磁密影響小于5%。

圖7 不空槽負載磁密分布

圖8 空槽負載磁密分布

本項目主要目的是驗證空槽的可行性，因此對比兩種情況下電機的轉矩波動，如圖9所示。經過對比發現電機的轉矩波動有所增加。不空槽時轉矩波動為1.5%，而空槽后轉矩波動增加到2.5%。

圖9 空槽與不空槽情況下電機轉矩波動比較

3 不同槽數空槽分析

由上文分析可知，空槽和不空槽結構的電機性能有所變化，但是均在可接受范圍。此處分析不同極槽配合時空槽與不空槽結構電機的電磁性能。電機定子外徑均保持為7 300 mm，軸向長度均為900 mm，極弧系數保持相同，均為0.78，永磁體牌號為N46H，氣隙長度為7.5 mm保持不變，電機分瓣數均為4。幾種模型的極槽配合如表2所示。

表2 模型極槽配合表

在不同極槽配合下，空槽與不空槽結構電機的電磁性能如表3所示。由表3可以看出，不同極槽配合下空槽與不空槽的情況電機的齒槽轉矩比值等于每個單元電機每相所占虛槽數的比值，同時電機空載與不空槽反電動勢比值等于每相線圈虛槽數的比值。電機空槽后轉矩波動為不空槽情況的1.3倍以上。隨著極數增多，空槽后轉矩波動增加倍數減小。

表3 不同極槽配合下電磁性能對比

從表3可以看到不同極槽配合下轉矩波動均在5%以內。因此以上幾種極槽配合在電磁方面均滿足電機設計的需要，具體選用怎樣的極槽配合需要通過對電機的固有頻率計算而最終確定。

4 結 語

本文采用多極多槽的結構，研究一種帶有空槽分瓣定子結構的直驅永磁電機。極槽配合電機采用空槽結構可以滿足電機電磁性能的要求，轉矩波動小于5%，但電機最終方案需要考慮固有頻率對電機的影響。對于每極每相槽數固定的電機，空槽的轉矩波動比不空槽情況下平均增加50%左右。電機反電動勢與電機虛槽數成正比，因此空槽結構對于電機反電動勢也有影響。綜合評價，在分瓣處取消線圈可以在不降低絕緣強度的前提下，降低電機的制造難度和運輸成本。