黃 娜，段志強(qiáng)，米興社，俞文斌，楊 杰，杜光輝

(1. 西安中車永電捷力風(fēng)能有限公司，西安 710018；2. 中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，西安 710016；3. 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021; 4. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 武漢 430074)

0 引 言

近年來，隨著國內(nèi)外對資源枯竭和環(huán)境保護(hù)的重視，可再生能源的發(fā)展與利用正成為國內(nèi)外研究的重點[1]。海上風(fēng)電，由于資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、年發(fā)電率較高、對環(huán)境的影響較少、噪聲和視覺干擾較少等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展領(lǐng)域的焦點[2]。而海上風(fēng)電由于其工作和安裝環(huán)境的復(fù)雜性，大容量的發(fā)電機(jī)正成為各個研究結(jié)構(gòu)研發(fā)的重點。由于永磁電機(jī)具有高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點，是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)最具前景的解決方案[3]。目前國際上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)均正在加緊研發(fā)大功率的海上用永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，比如德國Siemens公司已開發(fā)了6MW 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，除此之外，德國 Multibrid公司，美國GE公司也都在抓緊研制大功率的半直驅(qū)式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)[4]。

對于大功率永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，良好的電磁設(shè)計是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5-6]對1～3MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計特點進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7-8]對降低永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的技術(shù)手段進(jìn)行了研究。良好的冷卻系統(tǒng)及準(zhǔn)確的溫度預(yù)測對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度運行也非常重要。文獻(xiàn)[9-10]對3MW以下的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并采用3D有限元法對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度特性進(jìn)行了研究。從以上文獻(xiàn)可知，對于大功率永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計特點、冷卻結(jié)構(gòu)等相關(guān)研究的文獻(xiàn)還很少見。

本文對一臺7.6MW海上用永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計與冷卻系統(tǒng)分析，對所設(shè)計方案的空載和負(fù)載電磁特性進(jìn)行了有限元分析。此外，對該電機(jī)設(shè)計了外部水冷和內(nèi)部風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻方案，采用3D有限元法對溫度特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，加工了兩臺7.6MW的樣機(jī)，通過樣機(jī)的對拖實驗，驗證了本文的理論分析，為大功率永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計與產(chǎn)業(yè)化提供有效的參考。

1 大功率永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計方案

為了更好研究大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁與溫度特性，本文設(shè)計了一臺7.6MW的永磁同步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)為半直驅(qū)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可以有效的降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積，減小運輸成本。7.6MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為278r/min，且由于電機(jī)的額定電流高達(dá)6556A，因此采用雙三相繞組結(jié)構(gòu)，可以降低單個變流量的容量。電機(jī)采用24極，216槽結(jié)構(gòu)，為了有效的降低諧波和轉(zhuǎn)矩波動，采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)。同時采用高性能的釹鐵硼永磁體。

表1 永磁同步發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)

2 電磁特性分析

為了獲得所設(shè)計永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁特性，本文建立了該電機(jī)的2D有限元模型，且模型的剖分網(wǎng)格，特別是氣隙中的網(wǎng)格大小，對電磁特性的計算精度有大的影響，因此，為了獲得較高的計算精度，對氣隙分為了7層，同時對電機(jī)各部分采用了較小的網(wǎng)格剖分密度，如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

通過有限元分析，可以獲得永磁同步發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁通密度分布，如圖2所示。從圖中可以看出，定子齒部的磁通密度約為1.6T，定子軛磁通密度約為1.4T，轉(zhuǎn)子軛磁通密度為1.3T，均低于材料的磁通飽和密度1.8T。圖3為采用斜一個槽和未斜槽時的氣磁磁通密度分布。表2為采用斜一個槽和未斜槽時的諧波分量。從圖3和表2可以看出，采用定子斜槽能夠大幅地降低氣隙磁通密度中的諧波分量，從而有效的降低轉(zhuǎn)子波動，如圖4所示。從圖4可以看出，未采用斜槽時，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動高達(dá)2.85kN，當(dāng)采用定子斜一個槽，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低到0.17kN。因此為了有效的降低電機(jī)運行時的轉(zhuǎn)矩波動，本設(shè)計采用了定子斜槽結(jié)構(gòu)。

圖2 磁通密度分布

圖3 定子斜槽和未斜槽時氣隙密度分布

表2 氣隙磁密諧波分量

圖4 有無斜槽時的轉(zhuǎn)矩波形

本文對采用定子斜槽結(jié)構(gòu)時的空載相感應(yīng)電壓和線感應(yīng)電壓也進(jìn)行了分析，如圖5所示。對感應(yīng)線電壓進(jìn)行了諧波分析，如表3所示。從圖5中可以看出，空載線感應(yīng)電機(jī)的有效值為707V。另外，從表3中可以看出，感應(yīng)的線電壓的諧波畸變率(THD)非常小，僅為0.3%。因此，該設(shè)計的發(fā)電機(jī)可以獲得正弦度非常好的電壓波形。

圖5 空載反電勢波形

表3 空載線反電勢諧波分量

基于2D有限元模型，對永磁同步發(fā)電機(jī)的額定負(fù)載運行時的電磁特性進(jìn)行了分析，如圖6所示。從圖6可以看出，額定運行時，電機(jī)的電流的有效值為6500A，電流波形的諧波畸變率僅為0.23%，證明該電機(jī)具有良好的負(fù)載工作性能。同時，永磁同步發(fā)電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩為-261.6kN，轉(zhuǎn)矩峰值分別為-263.7kN和-259.1kN，轉(zhuǎn)矩波動為1.75%，該結(jié)果顯示該設(shè)計方案具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩特性。

圖6 額定運行時電磁特性

同時，基于2D有限元模型，對永磁同步發(fā)電機(jī)的額定負(fù)載運行時損耗和效率進(jìn)行了分析，如表4所示。在該分析中，雜散損耗取額定功率的0.5%。從表4中可以看出，銅耗占總損耗的比例最大，約為33%，鐵心損耗占總損耗的比例為19%。該電機(jī)的總損耗為124.2kW，效率為98.4%。

表4 額定運行時損耗分布

3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫度特性分析

冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于永磁同步發(fā)電機(jī)的溫度運行至關(guān)重要，為了保持較低的定轉(zhuǎn)子溫度，本文設(shè)計了外殼水冷和內(nèi)部風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)?？傮w設(shè)計方案如圖7所示。轉(zhuǎn)子磁極冷卻，通過布置兩個離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)，由外部冷卻風(fēng)機(jī)將經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁極的熱風(fēng)抽到空水冷卻器中，經(jīng)空水冷卻器冷卻后，再次進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動冷卻空氣分布在磁極圓周內(nèi)部，循環(huán)往復(fù)。

圖7 冷卻方案

在保證計算精度、計算耗時及穩(wěn)定性的前提下，考慮電機(jī)運行工況，選擇合適的邊界層網(wǎng)格疏密度以及對應(yīng)的湍流模型。本文采用Ansys Workbench自動網(wǎng)格剖分功能，生成四面體與六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量1800萬網(wǎng)格。根據(jù)電機(jī)的工作特性，設(shè)置了以下的邊界條件：

(1)由于空氣換熱器與定子水套并聯(lián)，故該換熱器的進(jìn)水溫度50℃，出水溫度初步定為55℃。以空-水冷卻器冷熱側(cè)出口溫差15℃為基準(zhǔn)，可得該換熱器出口空氣溫度70℃，即電機(jī)內(nèi)循環(huán)進(jìn)口溫度70℃。

(2)定子水套進(jìn)水溫度50℃。

(3)定子兩路并聯(lián)螺旋水套，因此有兩個水路進(jìn)口，進(jìn)口水量為200L/min；轉(zhuǎn)子內(nèi)循環(huán)冷卻空氣兩個進(jìn)口，一個出口，每個進(jìn)口風(fēng)量為23m3/min。

(4)為了考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對溫度分布的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為278r/min。

(5)采用表4中的銅耗和鐵耗。

(6)湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)高雷諾數(shù)k-e湍流模型，采用SIMPLE算法求解。

圖8和表5為電機(jī)各部分區(qū)域的主要溫度結(jié)果。繞組最高溫度為115℃，位于線圈端部，定子鐵心最高溫度為107℃，轉(zhuǎn)子磁鋼最高溫度為85℃，可以得知電機(jī)各部分溫度降低，均能滿足設(shè)計要求。

圖8 溫度分布

表5 各部分溫度分布

4 實驗分析

基于以上分析，加工制造了兩臺7600kW永磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，如圖9所示。通過兩臺樣機(jī)的對拖實驗，在樣機(jī)兩側(cè)安裝功率分析儀，可以得到樣機(jī)的電磁性能參數(shù)。為了測試電機(jī)的溫度特性，在定子繞組和定子鐵心安裝了溫度傳感器。樣機(jī)測試得到的空載反電勢和負(fù)載電流分別為710V和6532A，測試獲得的電磁特性與仿真結(jié)果基本吻合。樣機(jī)的繞組和定子鐵心溫度為112℃和103℃，與有限元分析結(jié)果非常接近。樣機(jī)測試結(jié)果顯示，本文的分析結(jié)果是可靠的，且所設(shè)計的樣機(jī)具有良好的電磁和溫度特性。

圖9 永磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)

5 結(jié) 論

本文基于一臺7.6MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行了分析，同時對大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計了冷卻系統(tǒng)，并對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了合理的假設(shè)和詳細(xì)的分析。最后加工了兩臺7.6MW的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)，通過兩臺樣機(jī)的對拖實驗，驗證了電磁與溫度特性分析。結(jié)果顯示，對于大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用斜槽結(jié)構(gòu)和不均勻氣隙相結(jié)合可以大幅地降低諧波分布和降低轉(zhuǎn)矩波動，同時結(jié)合非均勻氣隙的設(shè)計，能夠使永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載時的轉(zhuǎn)矩和功率波動小于2%，電壓和電流諧波極小，大大提高了發(fā)電機(jī)電能輸出質(zhì)量。同時，采用外部水冷和內(nèi)部風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻方案，可以使發(fā)電機(jī)保持較低的溫度，保證了大功率永磁同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行與使用壽命。該論文的分析結(jié)果將會為大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計提供參考。