1、    2.935mw永磁同步風力發電機電磁設計與仿真    溫嘉斌李金澤摘要：分析了表面式與內置式永磁同步發電機轉子結構上的差異，選定電機的轉子結構型式，對永磁同步風力發電機的性能特點進行了分析和研究，計算了2，935 mw高速永磁同步風力發電機的電磁方案，對上述確定的電磁計算方案，利用有限元軟件進行仿真，分析了發電機的空載、負載、短路特性，研究了電壓波形正弦性畸變率、齒槽轉矩、功率因數、短路電流的計算，經驗證，各項性能滿足設計要求，關鍵詞：有限元方法；永磁電機；風力發電；電磁設計；性能分析doi：10.15938/j.jhust.2016.04.01

2、9：tm301.4文獻標志碼：a：1007-2683（2016）04-0101-050引言近幾年環境污染愈發嚴重，新能源的研究和利用越來越受到人們的重視，而風能由于其分布面積廣、總量大等特點成為可再生能源中的研究熱點，風力發電逐漸變成除火電、水電、核電之外的第四大發電方式，目前在國內半直驅永磁同步發電機的設計還處于探索階段，設計方法還不成熟，因此研究mw級半直驅風力發電機將會有利于提高我國風力發電設計的整體能力，推進風力發電行業的發展，加快我國風電機組的國產化步伐，縮小我國與發達國家風電技術上的差距，為我國的環保與能源事業盡一份力。永磁發電機的優點是不需要電勵磁，可實現無刷化，無勵磁損耗，效率

3、高，同時可以提高電機的功率密度，雖然發電機成本增加，但對于降低機組的振動噪聲和提高運行可靠性有著重要意義，文對永磁同步電機氣隙磁密的影響因素進行了分析，文應用傅里葉分解得出了傳統的多相異步電動機諧波電流與建立的諧波電勢的關系，諧波次數較低，忽略了高次諧波，文對傳統電勵磁的同步發電機定子斜槽的空載電壓波形進行了數值計算，同時對齒磁通進行了計算，文通過非均勻氣隙法、多段磁鋼法、調整磁極寬度、斜槽法等方法，優化氣隙磁場來改善電機性能，本文利用有限元軟件對電機進行空載、負載、短路性能分析，主要包括空載電壓，齒槽轉矩、負載電磁轉矩、功率因數的分析。1.永磁同步發電機的轉子構造永磁同步發電機在轉子尺寸確定

4、的情況下，選擇不同的轉子結構，永磁體體積不同，永磁體提供的磁通量也會不同，從而永磁同步發電機的性能參數也會不同，圖1為永磁同步發電機幾種轉子結構，現分析轉子結構并選取轉子模型，假設永磁同步發電機轉子的長度為l，外徑為r，內徑為r，假設永磁體徑向充磁方向長度為h，切向為2h，估算各種轉子結構的永磁體提供磁通的最大截面積a。，永磁體提供磁通的最大截面積，圖1（a）為：對于6極永磁同步電機，轉子內外徑的比值大約是0，4，現取0，4進行估算，得到不同結構的永磁體截面積值，如表1所示，雖然在表l中所得的數據是估算的，但是可以從中得到磁通面積變化趨勢，從表1中可以看出，內置式w型磁鋼提供的磁通面積最大，其

5、次是內置式u型磁鋼，對于半直驅永磁同步發電機而言，應優先選取內置式v型，u型，w型磁鋼本文電機選取u型磁鋼，此種電機有以下一些特點：1）此結構較表面式永磁發電機簡單，省去了導磁性的不銹鋼套環，2）由于沒有套環，所以其等效氣隙小，與使用相同磁鋼的表面式永磁同步發電機相比，此結構主磁路磁阻小，可獲得更高的磁通密度，3）由于磁鋼端部產生漏磁通，所以通常在不影響機械強度的前提下，在磁鋼端部用磁導率與空氣材料相同的材料做延伸，降低磁鋼端部漏磁，4）由于磁鋼內嵌入轉子鐵心，而轉子鐵心內空間較大，所以磁鋼形狀及排布可以有更大的自由選擇空間，5）內置式永磁同步發電機與表面式永磁同步發電機相比，其q軸的電感較大

6、，導致q軸的電樞反應也比較大，容易受到磁飽和的影響，2.永磁風力發電機運行性能分析2.935 mw永磁同步風力發電機采用u型磁鋼轉子結構，定子槽數為72，極對數為3，三相雙繞組結構，工作溫度120°c，磁性槽楔的相對磁導率為4，永磁風力發電機的性能指標列于表2，2.1空載特性通過空載運行特性，可以校核電機的磁路設計是否合理，以此依據及時調整電機結構，得到輸出電壓的大小及其波形畸變程度，圖5給出了有限元仿真空載電壓波形，可以看空載相電勢波形很接近于正弦波，圖6為空載電壓的諧波分量分布情況，經求得線電壓波形正弦性畸變率為4，2%，小于gb7552008旋轉電機定額和性能中5%的規定，圖7

7、為發電機工作在額定轉速下的空載磁密分布云圖，從圖中可以看出定子齒部、軛部、轉子部分、磁鋼部分磁密分布比較合理，空載齒槽轉矩如圖8所示，因為永磁同步風力發電機槽數為72，極數為6，所以最小公倍數為72，那么槽轉矩基波個數為72。相鄰齒距基波數個數為1，機械角為5，齒槽轉矩的最大幅值為636 n·m，占發電機額定轉矩的3，9%，滿足設計要求。2.2額定負載特性本文采用圖9所示場路耦合模型模擬發電機運行，經過仿真發電機額定負載端電壓和端電流波形如圖10所示，從圖可以看出波形為比較平整的正弦波，經計算線電壓有效值為690 v，達到了額定值，而從其二者的相位可得功率因數為1，與設計相符，2.3短路特性短路狀況下，永磁發電機運行是極為惡劣的，設計不當會引起永磁體的退磁，對此需要對永磁發電機進行最惡劣短路時情況進行仿真計算，三相短路為最惡劣短路，通過搭建外電路對永磁發電機短路時進行分析，所施加的外電路如圖11所示，提取a相短路電流最大時刻三相短路波形如圖12所示，開始時刻為瞬態短路，當短路電流波形穩定時，為穩態短路，瞬態短路時電流最大值為14669.7a，為額定電流的5.97倍，電流穩定后的有效值為4314.6a，是額定電流的1.757倍，均滿足設計要求。3.結論本文分析了內置式與表面式永磁同步電機的轉子構造的特征，在比較了幾種典型轉子結構所能提供磁通的最大截面積的基礎上，電機轉子磁