高紅星

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中型永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與研究

高紅星

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文介紹了一種小型永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該電機(jī)采用了優(yōu)化的電磁方案、緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，效率高、噪聲低、風(fēng)速適應(yīng)范圍廣、運(yùn)行可靠、對電網(wǎng)沖擊小、維護(hù)方便。

永磁直驅(qū) 風(fēng)力 電磁 結(jié)構(gòu)

0 引言

風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具開發(fā)規(guī)模條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)與低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，其輸出電壓、頻率都隨風(fēng)速的變化而變化，最大能量捕獲系統(tǒng)的利用電能變化電路及相關(guān)控制技術(shù)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)整流、直流升壓電路、逆變之后，然后并網(wǎng)。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)，研制50kW中型永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)（圖1）[1,2,4]。該電機(jī)采用葉輪直接驅(qū)動低速永磁同步發(fā)電機(jī)。通過功率變換電路將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中故障率高的齒輪，有效提高發(fā)電效率和可靠性。其控制方法簡單、成本低、可靠性強(qiáng)、電磁兼容好。

通過研制成功該發(fā)電機(jī)后，可繼續(xù)研制更大功率的發(fā)電機(jī)，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1 主要技術(shù)指標(biāo)

額定功率:50 kW；額定電壓:380 V；額定電流:80 A；額定轉(zhuǎn)速:100 r/min；額定效率:大于90%。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

2.1.1電機(jī)主要尺寸的確定

1) 極數(shù)：64極；

2) 定子槽數(shù)及槽型：66槽，梨形槽；

3) 轉(zhuǎn)子磁鋼：表貼；

4) 定子沖片及鐵心尺寸；

5)定子繞組采用短距疊繞組，3相星形聯(lián)結(jié)。

定子沖片圖如圖2所示。

圖2 定子沖片圖

2.1.2 電機(jī)電磁場仿真

主要仿真了電機(jī)空載特性和負(fù)載特性[6]，其中磁鋼=890100 A/m，=1.116 T。

1）計(jì)算空載磁密分布如圖3所示

圖3 空載磁密云圖

2）給定子施加有效值為80 A的相電流，功角約為20°，轉(zhuǎn)速為100 r/min，可以得到某時刻電機(jī)內(nèi)磁力線和磁密分布情況如圖4所示

圖4 負(fù)載磁密云圖

可以看出，由于直交軸電樞反應(yīng)的影響，與空載相比，負(fù)載時的磁力線發(fā)生了變化。

3）齒槽轉(zhuǎn)矩仿真

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩圖

從圖5可以看出，該發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩可以保證風(fēng)力較小情況下進(jìn)行發(fā)電工作。

2.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)結(jié)構(gòu)[3，5]]見圖6。圖中標(biāo)記名稱為：法蘭-1，電機(jī)轉(zhuǎn)子-2，電機(jī)定子-3，盤式制動器-4；制動盤-5；盤式制動器支架-6。

圖6 50 kW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

此永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，法蘭1通過鍵、螺栓連接固定在外轉(zhuǎn)子2機(jī)殼上，從而帶動葉片轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)子2中磁鋼為表貼式結(jié)構(gòu)，通過磁鋼槽楔與磁鋼擋環(huán)用螺栓固定在轉(zhuǎn)子機(jī)殼上；盤式制動器4通過盤式制動器支架6固定在機(jī)座上，通過夾緊制動盤5來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

2.2.1 定子

定子沖片材料為低損硅鋼片，圖2所示。

定子繞組采用200級薄漆膜聚酯亞胺復(fù)合漆包圓銅線，25根并繞成一匝，每線圈7匝，繞組兩端綁220 V的防潮加熱帶。定子整體VPI浸TJ1160漆 2 次，旋轉(zhuǎn)烘培。

2.2.2 轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子鐵心材料為Q235-B。

裝配磁鋼前先裝配轉(zhuǎn)子槽楔，并用螺釘M5x10預(yù)緊，接著裝配磁鋼擋環(huán)，用螺栓M6x12和墊圈預(yù)緊，然后再裝配磁鋼，磁鋼材料為釹鐵硼N38UH，磁鋼表面要涂磁鋼底面膠J-228，同時要保證磁極方向正確，全部磁鋼裝配后，用螺釘M5x10和螺栓M6x12擰緊。

2.3 損耗和效率計(jì)算

圖7 額定負(fù)載時電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

圖8 負(fù)載時電機(jī)鐵心損耗曲線

額定負(fù)載時電機(jī)的鐵心損耗曲線如圖8所示。經(jīng)計(jì)算，可得電機(jī)的鐵心損耗為414.7 W。

3 結(jié)論

在研制過程中，遇到了很多技術(shù)難點(diǎn)，比如永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝困難、轉(zhuǎn)子加工困難、定子繞組端部安放空間小等問題，得到了逐一攻克。

該永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)采用無機(jī)座外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大大縮小了體積和重量，滿足了工作環(huán)境尺寸安裝的要求；采用分?jǐn)?shù)槽繞組方案，減小了繞組端部，減少了磁極表面的脈振損耗。

通過現(xiàn)場負(fù)載試驗(yàn)表明：該永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高、噪聲低、風(fēng)速適應(yīng)范圍廣、運(yùn)行可靠、對電網(wǎng)沖擊小、維護(hù)方便。

[1] 王秀和. 永磁電機(jī). 北京：中國電力出版社, 2007.

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[3] 姜彤, 李殿起, 韓立. ANSYS在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度接觸有限元分析中的應(yīng)用. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008, (11) : 87-89.

[4] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[5] NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.

Research and Design of Permanent Magnet Synchronous Direct-drive Wind Power Generator

Gao Hongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM614

A

1003-4862（2017）06-0023-03

2017-02-15

高紅星（1972-），男，高級工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動技術(shù)。E-mail: 67599135@qq.com