(江蘇中車電機有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

永磁風力發(fā)電機系統(tǒng)是以永磁發(fā)電機和全功率變流器為核心的風力發(fā)電系統(tǒng)，風電機組通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網相連，變頻器將風電機組輸出的不停變化交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網一致的交流電源電壓。由于采用全功率變流技術，低電壓穿越能力較強，成為風電市場發(fā)展方向。但永磁電機固有齒槽轉矩產生的脈振是其中一個缺陷，因此，在電機設計時應采用合理的電磁結構，降低齒槽轉矩帶來的轉矩脈動，既能有效提高發(fā)電機效率，又能提高發(fā)電機壽命[1]。

由于永磁同步風力發(fā)電機定子鐵心開槽與轉子永磁體相互作用，形成了脈動的電磁轉矩，加大了噪音、振動等不利因素。一般采用定子斜槽、轉子斜極、分數(shù)槽、轉子開假槽等結構能有效削弱齒槽效應的影響，提高電機性能。對于大型風力發(fā)電機，尤其是直驅及半直驅永磁同步風力發(fā)電機，由于體積龐大，采用斜槽會帶來工藝操作上的不便，同時斜極方向僅能朝向一個方向，會對發(fā)電機帶來附加的軸向力，軸向力全部作用在軸承上，嚴重影響軸承壽命。

本文就永磁同步風力發(fā)電機齒槽轉矩及軸向力兩方面來設計一款雙向斜極結構的發(fā)電機，并對齒槽轉矩及軸向力改善，利用二維有限元分層法分析對比單向斜極、雙向斜極與直極結構的永磁同步電動機性能。

1 永磁同步風力發(fā)電機斜極二維有限元分析

1.1 樣機模型

以一臺4500kW的永磁同步風力發(fā)電機為例進行二維有限元電磁場計算，電機結構如圖1所示，發(fā)電機為表面固定式磁極結構，該永磁電機的額定數(shù)據(jù)見表1。

圖1 電機結構圖

1.2 發(fā)電機齒諧波計算

通過轉子斜極，同一磁極在軸向方向對于定子齒槽所受的切向力方向各異，能有效消除氣隙磁密中的諧波及齒槽轉矩。發(fā)電機轉子旋轉一周，齒槽轉矩的周期數(shù)是定子齒數(shù)和轉子極數(shù)的最小公倍數(shù)，對于整數(shù)槽永磁同步電機而言，若欲消除次諧波，只需使斜槽斜過的距離正好等于次空間諧波的波長即可，采用雙向斜極結構和單向斜極結構如圖2所示。

圖2雙向斜極和單向斜極結構圖

采用二維分層法對永磁風力發(fā)電機進行有限元計算，將電機沿軸向等分若干段單元電機，每段單元電機為直極結構，通過每層發(fā)電機有限元求解結果再進行求和計算。對樣機計算擬采用8等份分層法計算基本可以達到計算精度。通過對發(fā)電機計算得到直極空載電壓及其諧波分解如圖3所示，定子采用斜1個齒距結構單雙向斜極空載電壓及其諧波分解如圖4所示。

圖3直槽結構電機氣隙磁密和諧波分解

圖4斜1槽單、雙斜極結構諧波分解

可見采用單、雙斜極在空載電壓上并無區(qū)別，對斜極與非斜極進行諧波分解見表2。

表2 斜極、非斜極發(fā)電機諧波分析(單位T)

可見采用單、雙向斜極結構均能消除齒諧波含量，且單雙向斜極效果一致。

1.3 發(fā)電機齒槽轉矩計算

永磁同步發(fā)電機齒槽轉矩Tg通?？梢员硎境纱殴材躓相對于位置角a的導數(shù)，Tg=dW/da，電機內存儲的能量近似認為是磁鋼及定轉子氣隙中的能量，可表示為

(1)

式中,B—氣隙磁密分布函數(shù)，μ0—氣隙磁導率，為4π×10-7H/m；r—氣隙磁密積分路徑。

對樣機進行二維電磁場有限元分析[2]，得到電機空載磁力線分布如圖5所示，空載磁密云圖如圖6所示。

圖5發(fā)電機空載磁力線分布圖

圖6發(fā)電機空載磁密分布圖

能量法對發(fā)電機進行齒槽轉矩計算，得到直極結構永磁同步發(fā)電機齒槽轉矩波動曲線如圖7所示。

圖7發(fā)電機齒槽轉矩曲線

由圖可見，單、雙向斜極結構削弱了直極結構發(fā)電機齒槽轉矩達到76.4%。

1.4 發(fā)電機軸向電磁力計算

當永磁同步風力發(fā)電機負載情況下運行，導線內部感應電勢在負載電路的作用下產生負載電流，電流在導體內部產生的安培力。其表達式為

F=N×I×B×L×sin(θ)

(2)

式中，N—磁極盒軸向數(shù)量；I—導體內部電流，單位A；B—通電導體所處環(huán)境中的磁感應強度，單位T；L—導體長度，單位mm；θ—導體與磁場垂直反向所成夾角。

正常而言，所有電流感應的安培力的合力在圓周方向所產生的扭矩應與發(fā)電機電磁轉矩相同，而有斜極或斜槽的情況下該力產生了軸向分量。若發(fā)電機為直極結構，則不存在該力，但會存在較大的齒槽轉矩及齒諧波。為能夠達到削弱齒槽轉矩與齒諧波，同時避免軸向力的存在，將發(fā)電機單個磁極沿軸向方向采用偶數(shù)個分別朝向旋轉方向和反方向的磁極，這樣計算出的軸向力表達式為

F=(N/2)I×B×(L/2) ×sin(θ)+ (N/2)I×B×(L/2) ×sin(-θ)=0

(3)

從而避免了軸向力的存在，但實際上由于每個磁極還存在偏差，且裝配位置存在一定偏差，理論上仍然存在一定的軸向力。

對發(fā)電機進行二維電磁場有限元分析[2]，其中雙向斜極采用4個磁極交錯分布結構(參見圖2)，得到電機負載磁力線分布如圖8所示，電機磁密分布如圖9所示。

圖8發(fā)電機負載磁力線分布圖

圖9發(fā)電機負載磁密分布圖

通過計算，直極結構永磁同步風力發(fā)電機所受軸向力為0N，采用雙向斜極結構永磁同步風力發(fā)電機所受軸向力為0N，采用單向斜極結構永磁同步風力發(fā)電機所受軸向力為5000N。

2 結語

永磁同步風力發(fā)電機采用雙向斜極結構能夠有效避免軸向力的存在，同時可以有效削弱齒槽轉矩和齒諧波，從而提高了發(fā)電機的軸承使用壽命，并且減少了發(fā)電機的噪聲、振動，此次設計對于同類電機的發(fā)展具有一定的意義。

[1] 唐任遠．現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.3.

[2] 陳陽生，林友仰．永磁電機氣隙磁密的分析計算[J]電機工程學報，1994年9月.

[3] 王秀和，等．永磁電機[M].北京：中國電力出版社，2007：08-85.