李春林

（海軍工程大學，武漢430033）

0 引 言

由于各國政府對能源危機問題的重視，近年來風力發(fā)電得到了很大的發(fā)展.我國政府對“十二五”期間可再生能源發(fā)展規(guī)劃中，將繼續(xù)推進風電的規(guī)模化發(fā)展，促進風電裝備的壯大升級，建立完備的風電裝備制造體系和不斷提高風電的市場競爭力的目標.當今風電技術路線中，正朝單機容量越來越大的趨勢發(fā)展，一些風機制造商已開發(fā)出5MW容量的風力發(fā)電機.而由湘電集團研制的5MW直驅(qū)永磁風力發(fā)電機已在荷蘭和福建風場投入商業(yè)運行，電機運行狀況良好，得到了風場運營商的稱贊.

本文根據(jù)永磁電機的設計與運行原理對該電機的電磁設計流程和設計方法做了詳細闡述.由于磁路計算中采用了較多的經(jīng)驗參數(shù)和等效公式，為了驗證電磁計算單的準確性，本文還利用有限元法對設計的電機進行了電磁場計算.通過電磁場計算，得到了電機的準確電磁參數(shù)和運行特性，同時也驗證了電機電磁設計的合理性.

1 電機主要參數(shù)的確定

1.1 電機主要尺寸的確定

在永磁風力發(fā)電機的額定參數(shù)確定后，需確定電機的定子內(nèi)徑和定子鐵芯長度，即電機的主要尺寸.由于計算極弧系數(shù)αp′、氣隙磁場波形系數(shù)KNm和繞組系數(shù)Kdp的變化范圍不大，可以用下式即電機主要尺寸計算公式初步確定電機的定子內(nèi)徑和鐵芯長度.

考慮到直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的氣隙磁密和線負荷數(shù)值變化不大，在設計時可以先取2MW永磁風力發(fā)電機的氣隙磁密Bδ和負荷A計算.

由于電機轉速和頻率均較低，而功率較大，在設計時從提高材料利用率的觀點出發(fā)，需采用外徑大而軸向長度短的方式.而電機外徑的確定還需注意沖片加工和運輸尺寸的要求.

1.2 極槽數(shù)的確定

在有限的定子鐵芯尺寸和滿足工藝要求的前提下，如何用較少的槽數(shù)獲得較多的極數(shù)是永磁電機設計時需要考慮的問題.由于永磁電機的齒槽效應使得電機空載時存在齒槽轉矩，為此需采用分數(shù)槽繞組.5MW永磁風力發(fā)電機的槽數(shù)為384，極數(shù)為80，每極每相槽數(shù)為1＋3／5，采用該極槽配合既可以減少齒槽轉矩，又能削弱感應電勢諧波和電磁噪聲.這已在2MW永磁風力發(fā)電機上得到了較好的驗證.

1.3 永磁體尺寸的確定

直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的損耗較大，溫升較高，因此應選擇工作溫度高的永磁材料，確保不會發(fā)生不可逆去磁，同時考慮到電機制造的經(jīng)濟性，永磁材料價格要合適.綜合上述因素，5MW永磁風力發(fā)電機選擇釹鐵硼永磁材料.

極弧系數(shù)的大小對電機的電壓波形、轉矩紋波和漏磁系數(shù)影響很大.永磁電機的極弧系數(shù)會比電勵磁電機稍高，本文確定5MW永磁風力發(fā)電機的極弧系數(shù)為0.78.選取該極弧系數(shù)是綜合了極間漏磁、感應電勢波形畸變率和氣隙磁密分布的影響.在確定了極弧系數(shù)后，便可以確定永磁體的寬度.

永磁體的厚度即為磁化方向長度，該尺寸的大小直接影響氣隙磁密的大小和永磁體的抗去磁能力.永磁體的厚度的確定主要依據(jù)全電流定律，對一個磁極的磁路進行積分，各部分磁壓降之和等于磁極的磁勢.利用確定的磁勢便可計算永磁體的厚度.本文確定5MW永磁風力發(fā)電機的永磁體厚度為38mm.該電機永磁體的安裝采用硅鋼疊片式磁鋼盒結構，此結構在永磁體安裝面的兩端開有空氣槽，既可以限制漏磁，又可以降低永磁體的渦流損耗和突然短路電流對永磁體的去磁影響.

2 電磁計算結果

永磁風力發(fā)電機的主要尺寸、極槽數(shù)和永磁體尺寸確定后，電機沖片的大體尺寸便已確定.可根據(jù)已開發(fā)的2MW永磁電機的電磁參數(shù)，選取某些參數(shù)進行適當修正和更改后進行電磁計算.

永磁風力發(fā)電機的主要性能指標為額定輸出功率、電壓波形畸變率和效率.在每組設計參數(shù)完成計算后，需校驗上述性能參數(shù)和其他影響電機磁路合理性的電磁參數(shù).為此，永磁電機的電磁設計需進行多次優(yōu)化計算，以得到一個電磁性能和經(jīng)濟指標都兼顧的最終方案.本文最終確定的5MW電磁方案的主要參數(shù)計算結果如表1所示.

表1 5MW永磁風力發(fā)電機電磁參數(shù)

3 有限元計算與驗證

由于永磁風力發(fā)電機的磁路計算從等效磁路的觀點出發(fā)，在計算過程中采用了一些經(jīng)驗系數(shù)和等效公式，一些計算結果存在計算不準確的問題.為此，需要采用有限元方法進行電磁場計算以得到更為準確的電磁參數(shù)和對電磁計算結果進行驗證.本文采用電磁場有限元計算軟件ANSOFT進行計算.

3.1 空載計算

永磁同步發(fā)電機空載時，氣隙中只有一個以同步速旋轉的永磁磁場，它在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生三相對稱感應電動勢.空載感應電勢的大小直接反應了永磁體的磁性能和氣隙磁場特性.由于發(fā)電機空載時電樞繞組開路，在進行空載計算時，可在電樞繞組上施加零電流源.

空載感應電勢計算波形如圖1所示.線電壓有效值為2908.5V，電壓波形畸變率為2.3%.從空載磁力線分布圖2可以看出，永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過氣隙、定子齒部和定子軛部后從相鄰極對應的軛部、齒部和氣隙形成閉合的有效磁路.由于永磁體兩端存在限制漏磁用的空氣槽，使得漏磁較少，磁路分布合理.

3.2 直接并網(wǎng)計算

永磁風力發(fā)電機輸出的功率并入電網(wǎng)，為了驗證所設計電機并網(wǎng)時的運行特性，需對發(fā)電機進行直接并網(wǎng)工況時的電磁場計算.根據(jù)同步電機并網(wǎng)原理，發(fā)電機并網(wǎng)時電機的頻率、電壓幅值、相位和相序需與電網(wǎng)一致，為了模擬直接并網(wǎng)工況，可將電網(wǎng)的數(shù)學模型用一組三相對稱電壓源表示，而此電壓源作為永磁發(fā)電機的激勵.

上式中uN為額定電壓，f為額定頻率，θ為端電壓滯后空載感應電勢角度，即功率角.為了求得發(fā)電機輸出額定功率時的電磁場分布情況，可將功率角θ設為參數(shù)化變量，計算不同功率角時的電磁場，得到額定功角.通過此方法計算出當功率角為46°時，電機的電磁轉矩為2887.1kN·m，輸出功率為5276kW，此為額定運行點.發(fā)電機電磁轉矩波形見圖3所示.并網(wǎng)額定運行時的磁場分布如圖4所示，由于并網(wǎng)時電樞反應對氣隙磁密的影響和交直軸磁阻不同，磁力線與空載時相比，發(fā)生了較大變形，而且漏磁也增大.

4 結 論

本文在論述了5MW永磁風力發(fā)電機電磁主要設計參數(shù)的計算方法的基礎上，確定了電機主要尺寸、極槽數(shù)和永磁體尺寸.對這些尺寸和參數(shù)進行多次優(yōu)化設計后，得到了電機的電磁方案，同時給出了主要電磁參數(shù)的磁路法計算數(shù)值.為了驗證電磁方案的合理性，本文采用有限元法進行了永磁電機的電磁場計算，計算結果與磁路法計算結果較吻合，證實了電磁方案的準確性.

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