WM級永磁直驅風力發電機關鍵參數設計研究

劉志華 李志平 彭雙光 陳倩如

摘要：永磁直驅風力發電機與雙饋風力發電機相比沒有增速齒輪箱故障率低，電機功率高，因此成為風力電機發展的趨勢。結合大型永磁直驅風力發電機結構特點進行參數計算、定子齒槽和轉子磁極結構選擇。

關鍵詞：永磁直驅;風力發電機;參數設計

0.引言

風能作為一種潔凈的可再生能源，隨著技術逐步成熟，今后的運行成本會低于水電和火電，發展前景非常廣闊。風力發電機組是風電系統的核心，隨著海上風電興起，風電正朝著單機大容量方向發展[1]。按照勵磁方式可分為交流勵磁的雙饋風力發電機和永磁風力發電機。當前主流的MW級風力發電機有兩種：高速交流勵磁的雙饋風力發電機和低速直驅永磁同步風力發電機[2]。

1.永磁直驅風力發電機的優勢

異步雙饋風力發電機是高速交流雙饋風力發電系統的核心部件，其定子繞組與電網相連，轉子繞組通過變流器相連電網。電樞繞組通過變流器獲取交流電流進行勵磁，定轉子均可向電網反饋電能。風力機的轉速很低一般小于20r/min，雙饋風力發電機的前面往往需要一個三級增速齒輪箱來將風力機的輸出轉速提高至1000r/min以上。永磁直驅風力發電機則是去掉了增速齒輪箱將風力機與發電機直接相連，同時使用永磁體作為磁源代替勵磁繞組。 增速齒輪箱故作為復雜的機械傳動系統故障率很高，一旦發生故障將影響整個風力發電機組的運行。增速齒輪箱需要定期潤滑保養和維護，增加了整個風電系統的運維成本。永磁直驅式風電機組一方面無增速齒輪箱和勵磁繞組，結構簡單性能更加可靠維護成本低，另一方面，使用全功率變流器，輸出電能諧波含量較少而且低壓穿越能力較強。因此永磁化、直驅化是現在風力發電機發展的趨勢，也是許多專家學者研究的重點。

2.WM級永磁直驅風力發電機關鍵參數設計

2.1定子內徑和電樞鐵芯長度

電機電樞的直徑與長度是決定電機尺寸的兩個參數。交流電機電樞直徑是其定子內徑[3]。電機電樞直徑和長度確定后，電機的其他尺寸參數就基本可以確定了。其主要尺寸參數的計算公式可以參考水輪發電機為：。

P′為電機的電磁功率，電機的主要尺寸參數與，電磁功率有著密切的聯系，在電機設計中一般將電機的電磁功率用其計算功率表示;KNm是電機氣隙磁場的波形系數，是氣隙磁場波形有效值和平均值得比。在進行電機設計計算時，假設雙定子電機內外氣隙磁場均為正弦波此時KNm=1.11; 是電機的計算弧極系數，是電機氣隙磁密平均值與最大值的比值，當電機鐵心飽和系數為無窮大時，氣隙磁場磁密呈正弦波分布，在電機主要尺寸參數計算時一般考慮到電機鐵心的飽和因素，將計算弧極系數定為0.64—.71左右;Kdp電機定子的繞組系數，一般可以用其基波繞組系數Kdp1表示?？梢愿鶕x定的電機繞組類型、槽數和節距計算出來。在進行繞組設計前，為方便進行尺寸參數計算，對于雙層短距繞組其基波繞組系數可以設為0.92，單層繞組設為0.96左右;A是線負荷，是沿電樞圓周單位長度上的安培導體數。主要與電樞繞組的電流值和電樞繞組的總導體數有關;為電機氣隙磁通磁密最大值;lef電機電樞鐵心長度，D電機的定子內徑。

確定了上述的一些電機參數值后，依據電機主要尺寸計算公式得出 的值，可以設計的電機外形結構確定尺寸比。將電機設計的細長則lef較大，D較小，可以使電機繞組端部變短，電機端部材料用量減少，提高了電機繞組的利用率，可以降低電機成本。由于電機端部長度減小，端部的漏抗會減小。電機的端部銅耗減少，電機的總損耗會減低，電機的效率將提升。但是由于電機細長，在使用強迫風冷分電機冷卻方案時，冷卻風路會變長導致冷卻效果不佳，特別是在電機開軸向通風道時會使電機軸向溫度分布不均勻。同時電機設計得細長，電機定轉子鐵心所需的沖片會增加，是電機沖片疊壓和沖剪所需的工時增加，同時因為定子鐵心直徑小，下線難度增加。細長的電機轉子的轉動慣量和圓周速度小，這對于高速電機選用較小的主要尺寸比是非常有利的。但對于永磁直驅風力發電機，電機轉速很低轉子離心力較小。同時一般隨電機極數的增加而增大，大型永磁直驅風力發電機轉速很低，電機級速多，采用開軸向通風道的冷卻方案電機軸向溫度分布要求嚴格，應該設計成粗短的形狀。對于大型永磁直驅風力發電機國內大多風電裝備生產廠家一般取值為7-7.5。以一臺額定功率為3.5WM 的永磁直驅風力發電機為例，經過上述計算后可以選取電機定子內徑為3525mm，電機定子鐵心長度值為1350mm。

2.2定子槽和繞組的設計

在電機的極數和相數確定了后，電機定子的槽數就主要有每極每相槽數q來決定。每極每相槽數對電機的損耗、溫升、絕緣材料的使用量都有影響。對于永磁直驅風力發電機的多極多槽的大型電機，考慮到減少電勢波形的諧波提高波形正弦度和降低齒槽轉矩一般使用分數槽。大型風力發電機因為功率很大，線圈的主絕緣在下線一起就要用絕緣膠布包扎好并經過了浸烘處理對絕緣要求很高，所以使用開口槽。對于大型交流電機一般使用雙層繞組，WM級風力發電機使用雙層短距疊繞組的定子繞組類型，疊繞組可以減小電機繞組端部長度節約材料，同時采用分數槽來削弱齒諧波電動勢。選擇短距可以有效的削弱定子繞組中的某一次諧波，三相電機中僅含有奇次諧波，電機定子繞組采用星型連接方式在電機負載后定子繞組中的3次諧波將會相互抵消，因此定子繞組中最大的是5、7次諧波，使用短距繞組可以有效的減少繞組中的5、7次諧波分量。

2.3電機的氣隙和電磁負荷

2.3.1氣隙

電機氣隙的長度大小對電機氣隙磁密有著直接的影響。如果氣隙值設計得太大就會使電機漏磁系數變大，使永磁體的利用率降低，提高電機的效率。較小的氣隙值，可以提高電機永磁體的抗去磁能力，降低電機的空載電流提高功率因數。但氣隙也不能太小，小的氣隙會增加電機生產和裝配的工藝難度，對電機的機械可靠性也會有影響，使電機氣隙諧波含量增加，導致電機諧波轉矩和附加損耗增多，造成電機的溫升增加噪音增大。

2.3.2電磁負荷

電機電磁負荷主要指其氣隙磁密和線負荷A的值，電磁負荷值得選取影響電機的永磁體、銅線等材料的使用量，進一步影響電機的生產成本，同時還對電機的性能參數和運行性能有影響。當氣隙磁密值不變，電機定子繞組線負荷A取值增大?？梢詼p小電機的體積與尺寸，節約材料。電機定子鐵心變小在氣隙磁密一定時可以減小電機的鐵耗。但是線負荷變大會導致電機定子繞組匝增加，用銅量增多，同時會使電機銅耗變大，提高定子繞組溫升。當線負荷A的值不變，提高電機氣隙磁密時，電機的尺寸和電樞鐵心的重量將會變小，因為電機單位重量鐵心的損耗與氣隙磁密的平方成正比，隨著氣隙磁密的增加，電機鐵耗增加的速度比定子鐵心重量減小的速度要快，因此電機鐵耗會增加，效率降低，在電機冷卻條件不變的情況下，電機發熱變大。對于永磁直驅風力發電機使用變速恒頻的控制方式，線負荷A和氣隙磁密的比值應該取較大值，這樣可以使電機的特性變軟，有利于進行調速控制。3.5WM的永磁直驅風力發電機為例線負荷A取625A/cm左右氣隙磁密取1.15T較為合適。

2.4電機的轉子結構

永磁同步發電機與電勵磁同步發電機轉子結構相似，主要區別在于永磁同步發電機使用永磁體代替勵磁繞組作為磁源。永磁同步電機的轉子結構多種多樣，有很多不同的分類方法。按照永磁體在電機轉子上安放的位置不同，可以分為表面式和嵌。

表面式轉子磁極結構永磁體直接面對空氣，永磁體將直接受到電樞反應去磁作用的影響，對永磁體的磁穩定性要求較高。但是表面式轉子磁極結構可以提高電機氣隙磁密，而且永磁體加工工藝簡單安裝方便，永磁體抗離心力能力較差在高速時可能會造成永磁體脫離轉子鐵心，因此這種結構適合用于低速電機。嵌入式結構將永磁體放置在轉子鐵心內部，其抗去磁和離心力作用能力較強，但電機的漏磁較大，加工制造工藝比較復雜，一般用于中高轉速電機。

3.結束語

本文介紹了電機主要尺寸參數之間的關系和電磁負荷的選擇;以一臺3.5WM的電機為例計算設計了電機定子內徑、電機鐵芯長度、氣隙;選定了合適的定子槽形、電樞繞組和轉子結構完成了電機初步的電磁設計。對大型永磁永磁直驅風力電機的設計有一定的參考作用。

參考文獻

[1]王秀強.風電行業發展圖鑒：跌宕起伏十年，行穩致遠[J].能源，2018，45（6）：136-141

[2]唐西勝，苗福豐，齊智平，等.風力發電的調頻技術研究綜述.中國電機工程學報[J].2014，34（5）：4303—4311

[3]王鳳翔.永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展趨向.電工技術學報[J].2012，27（3）：12—22

基金項目：湖南鐵路科技職業技術學院科研項目（編號：HNTKY-KT2021-5）

作者簡介：劉志華（1992—）男，湖南益陽，碩士，研究方向：特種電機設計及其控制。