1、第 卷 年第 期 月.半直驱中速永磁风力发电机设计与特性研究娄利岗 任韶华 王 桢(弗兰德传动系统有限公司 天津)摘 要:随着风力发电的健康蓬勃发展 结合了高速异步风力发电机和低速永磁直驱发电机特点的中速永磁半直驱风力发电机的优势也越来越明显 本文以 级的中速永磁半直驱风力发电机为研究对象 介绍了半直驱驱动链及中速永磁风力发电机的基本结构 建立了该发电机的有限元计算模型 分析了“”形永磁体转子结构的永磁发电机的空载特性与负载特性 计算了该结构下磁阻转矩与永磁转矩在电磁转矩中的占比等参数 基于研究与分析总结了“”形永磁体转子结构的半直驱永磁风力发电机的特点 为后续半直驱永磁风力发电机进一步的研究
2、奠定了理论基础与参考依据关键词:半直驱风力发电 永磁发电机 磁阻转矩 有限元分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:娄利岗()男 硕士 工程师 研究方向为风力发电机设计与分析任韶华()男 硕士 工程师 研究方向为风力发电机设计与分析通讯作者:王 桢()男 硕士 工程师 研究方向为风力发电机设计与分析 引 言近年来 在“绿水青山就是金山银山”的时代背景下 污染防治成了绿色发展的前提 在污染治理取得阶段性胜利的时刻 绿色发展又迎来了新的作战目标 “”双碳目标 作为新能源发电的风力发电机 也肩负了新的使命与发展契机 在异步高速风力发电机、低速永磁直驱发电机发展之时结
3、合了高速风力发电机与低速永磁直驱发电机特点的中速永磁半直驱风力发电机在市场上的占有率也越来越大 半直驱是在直驱与高速发电机组向大型化与平价化发展过程中遇到的问题而产生的 兼顾了两者的特点 当发电机组功率进一步提高时直驱与高速发电机的体积将会变的很大 在材料与运输成本上都将有大的涨幅 此外 大功率高速发电机的转轴及轴承也将面临严峻的考验目前 半直驱型发电机在散热、轴电压等领域有着待解决的技术难点 但半直驱永磁风力发电机在机械结构上、在成本、整机结构载荷上有着明显的优势 在国外 维斯塔斯推出了 、的半直驱机组样机 在国内 上海电气、金风科技、明阳风电等国内主要风力发电机厂商均推出了不同功率等级的半
4、直驱风力发电机组 文献 研究了发电机斜槽与未斜槽时电机的齿槽转矩以及电机在 卷短路下的特性 文献研究了发电机斜槽与未斜槽时电机的空载相反电势与齿槽转矩以及电机的永磁体退磁特性 发电机是风力发电机组的机电能量转换的核心装置 发电机的参数性能将直接影响风电机组的整体性能不同功率等级的风力发电机在电压等级 绝缘等级、转子结构等方面都存在着差异 转子的永磁体排布方式也存在着不同 对于直驱型风力发电机大多采用永磁体表贴式的外转子结构 而对于半直驱永磁风力发电机 多采用永磁体内置式内转子 目前 市场上常见的有永磁体“一”字形内转子结构与永磁体“”字形内转子结构 本文以 级的中速永磁风力发电机为研究对象 转
5、子采用了“”字形永磁体排布结构 分析计算了发电机的电气特性 为后续半直驱永磁风力发电机进一步研究奠定了理论基础与依据 中速半直驱驱动链结构中速半直驱风力发电机机组的驱动链主要由两部分组成 齿轮箱与发电机 如下图 所示 与高速异步发电机驱动链相比 将齿轮箱与发电机集成到了一起 省略了联轴节与转子转轴等空间 不仅缩小了机组驱动链的体积 也减少了部件的重量图 中速半直驱风力发电机机组驱动链结构本文所研究的驱动链的发电机的冷却型式为定子水套冷与转子空水冷 为了增强转子上永磁体的冷却 在转子的表面开了相应的通风槽 以降低转子上永磁体的温升 减小永磁体退磁的风险 其主要设计参数要求如表 所列表 发电机技术
6、参数要求表电气参数参数值额定功率/额定电压/额定转速/(/)功率因数 效率 功角电压波形畸变率 本文所设计的永磁同步发电机转子永磁体采用“”形排布结构 由于交直轴的磁阻不对称 使得电机的交直轴电感不同 故“”形转子结构的永磁发电机的转子上不仅可以输出永磁转矩 还可以输出磁阻转矩 电机的电磁转矩计算公式为()()式中 为电机的极对数 为电机的相数 为转子上永磁体所产生的磁链、分别为交、直轴上的电流、为交直轴的电感 等式第一项为永磁体产生的永磁转矩 第二项为交直轴磁阻不对称产生的磁阻转矩 该电机的拓扑结构如下图 所示图 中速永磁同步发电机拓扑结构 电机空载电磁场分析对于电机的空载运行 主要是关注反
7、电势、齿槽转矩、磁密等参数 这些参数的合理与否也将直接反应了负载时电机的性能 同样的 在进行电机性能试验时 也会优先进行空载试验 预估电机的性能 永磁电机在空载运行时 其矢量图如下图 所示图 永磁发电机空载运行矢量图当电机空载运行时 定子绕组开路 无外加电压 故定子上所产生的电压 为转子磁链 感应产生的 并超前转子上永磁体磁链 为了使复杂的工程问题简单化 通常会采用单元化的电机模型进行理论计算 为了抑制永磁电机的齿槽转矩与转矩脉动 通常会采用定子斜槽或转子偏极的方式 由工程实践经验可得斜槽与偏极通常为一个定子槽 本文所设计的电机的定子槽数为 期娄利岗等:半直驱中速永磁风力发电机设计与特性研究
8、槽 则一个定子槽的角度为 本文研究了永磁发电机采用定子斜槽与转子偏极对电机性能的影响 主要为齿槽转矩与空载反电势波形畸变率的差别 如图 与图 所示 定子斜槽与转子偏极都会削弱空载时的齿槽转矩 原始无优化方案模型的齿槽转矩的有效值为 定子直槽、转子偏极 后降为 转子不偏极、定子斜槽 后则降为 定子斜槽效果更好 在空载电压谐波畸变率上 定子斜槽后为 相比于偏极后的 和原始无优化方案的 效果更好 可以有效抑制电压的波形畸变率 两种优化方式的电压畸变率均小于 满足国标要求 在生产装配工艺上 定子斜槽一定程度上会增加定子叠装时的工时 但电压畸变率小 转子永磁体偏极的方式可以有效的降低定子硅钢片在叠装时的
9、工时与工艺难度 但是电压畸变率相对定子斜槽方式稍高结合工程实际 可合理选择不同的齿槽转矩与电压畸变率的优化方式 本设计负载研究采用了定子直槽、转子永磁体偏极 的优化方式图 永磁发电机齿槽转矩图 不同优化方案的电压波形畸变率图 电机空载气隙磁密上图 为电机空载气隙磁密在一对极下的分布由该曲线可以看出 转子永磁体偏极会导致气隙磁密在变极时发生偏移 不再是 对称 优化了齿槽转矩与空载反电势的电压畸变率 电机满载运行性能分析风力发电机在满载运行时通过变频器连接将发出的电输送至电网 当电机处于满载运行时 由于电机定子上绕组的励磁作用 磁力线将与空载时分布不同:空载时 电机的磁力线均由转子永磁体产生 极与
10、 极对称 当满载运行时 定子绕组产生的磁力线与转子永磁体产生的磁力线发生耦合使得磁力线不再对称 如下图、图 所示 故当设计转子结构时 需考虑结构对磁力线走向的影响图 空载磁力线分布图 负载磁力线分布电机在负载运行时 定子绕组两端将由变频器外加电压并激励出电流 对于 形永磁体结构的转子 由于其交直轴的磁阻不对称 故当其满载运行时 电流将不再落在交轴上 故其 定子两端的电压等于永磁体产生的反电势与交直轴电压及绕组电阻上的电压之和 其矢量图如下图 所示图 永磁发电机负载运行矢量图 卷图中 角为定子端电压 与反电势 之间夹角 功角 一般的 为了方便分析与控制电机 通常通过调节永磁转子的初始位置使得反电
11、势 与交轴重合 角 为定子电流 与反电势 之间的夹角 内功率因数角 与 为交直轴上的电抗 为定子的相电阻 若采用 的控制方式 则角 为 无论电机的类型是什么 都不会产生磁阻转矩 因为 对于 形永磁体转子 通常采用 的控制方式 即最大转矩电流比控制方式 故在进行有限元计算时 的取值将直接影响电机的性能 在计算分析时 需要将三相电流转换为交直轴电流进行表示 其中 转换时的恒功率约束条件为()()()()()则中速永磁风力发电机的三相电流的表达式为()由永磁发电机负载运行矢量图可知 交直轴电流用定子电流表示为()一般的 为方便分析与计算 角 的值为 则三相电流最终可以用交直轴的电流表示为()根据式(
12、)和式()可以得出定子三相电流与内功率因数角 之间的关系表达式 根据计算不同的 角数值 可以得到其与电机电磁转矩之间的关系如下图 所示图 内功率因数角与电磁转矩关系由图 可知 内功率因数角 在 时取得最大的电磁转矩值 通过分离永磁转矩与磁阻转矩 得到在电磁转矩中磁阻转矩约为 永磁转矩约为 则磁阻转矩在电磁转矩中占比为 故对于大功率的风力永磁同步发电机 合理的利用磁阻转矩 可以有效的节约永磁体材料的使用 减小电机有效材料的成本 但是由于采用的是 的控制方式 引入的内功率因数角也会影响电机功角的大小 理论上 电机的功角在至 均可以正常工作 但在工程实践上 为了确保电机的利用率与控制的稳定性 功角的
13、取值一般在 至 以内 本文所设计的发电机功角约为 满足工程实际的要求 故应结合实际需求 在磁阻转矩的占比与发电机功角的取值上合理的设计 结 语本文研究的对象为 的中速永磁风力发电机 根据设计的要求进行分析并建立了发电机的有限元计算模型 并介绍了中速永磁半直驱驱动链的基本结构 通过发电机与齿轮箱的集成 有效的减少了风力发电机的尺寸 节约了风塔的空间与重量 分析了中速永磁发电机空载运行时抑制齿槽转矩与电压畸变率的不同方式 以及电机的负载运行时的特性 分析了“”形转子结构的半直驱永磁风力发电机的特点 得到以下结论:()电机空载运行时 转子永磁体偏极与定子斜槽均可以有效抑制电机的齿槽转矩 且定子斜槽后
14、的齿槽转矩抑制效果更优 可以将无优化方案的 优化到 ()电机负载运行时 由于定转子的磁场耦合作用 磁力线将发生畸变、极不再对称 对于风力发电机等大功率 大体积的电机 在进行转子构设计时 需要考虑机械结构对磁力线走向的影响()所研究的中速永磁风力发电机“”形转子所产生的磁阻转矩占电磁转矩的比例约为 “”形永磁体排布的转子可以有效利用磁阻转矩以减少永磁体材料的使用 同时有利于发电机的电气性能的提升 但磁阻转矩的引入也会影响电机的功角特性 需要结合工程实际需求与应用 合理选择磁阻转矩在电磁转矩中的占比 以满足工程实际的运行要求参考文献 朱博文.永磁半直驱中速风力发电机优化设计.沈阳:沈阳工业大学.(
15、):.(下转第 页)卷 不平衡磁拉力分析在电机的零部件实际加工及装配过程中 导致定转子气隙不均匀是比较常见的质量问题 气隙不均匀值的大小对电机的性能及运行可靠性至关重要根据永磁电机生产及运行情况 对电机气隙不均匀度 的情况进行不平衡磁拉力的仿真计算 为后续在电机结构和轴承计算中补充不平衡磁拉力的校核仿真时运用全模型对负载时发电机转子偏心率为 工况进行仿真计算 通过 进行偏心设置 计算得出转子所受的不平衡磁拉力为 图 不平衡磁拉力波形图 样机与型式试验基于 极 槽电磁设计方案和仿真计算结果进行了样机的生产制造 在此基础进行了发电机样机的型式试验 如表 所示 型式试验的性能测试指标与仿真计算结果基
16、本一致 验证了电机方案设计的合理性 从本次试验结果可知 样机设计与制造达到预期 满足技术要求图 型式试验表 发电机试验与设计参数对比项目试验值设计值定子相电阻 /空载反电动势/额定功率/额定电压/额定电流/温升/结 语本文通过对两种不同极槽方案进行电磁分析综合两种方案各项参数及对电机性能的影响 最终选用了 极 槽的方案 并对其进行包括空载特性、负载特性、短路特性、不平衡磁拉力等电磁特性分析最后通过型式试验验证了样机设计方案的合理性 本文的研究对于高效、高可靠性小型风力发电机的设计以及工程应用提供了一定的理论与实际参考参考文献 俞红鹰 伍友刚.小型风力发电机电磁设计特点.风能():.薛顶柱.浅析小型风力发电机应用分析及评价.科技视界():.董庆明.小型永磁风力发电机设计与优化研究.大连:大连海事大学.魏静微.小功率永磁电机原理设计与应用.北京:机械工业出版社.何庆领.小型永磁风力发电机的优化设计和齿槽转矩分析.合肥:合肥工业大学.赵博.永磁直驱风力发电机的电磁设计与分析.武汉:华中科技大学.张广慧.级直驱永磁风力发电机的研究与设计.山东:曲阜师范大学.华亦峰.基于电磁力特性分析的永磁电机
