离网型小功率直驱永磁同步风力发电机设计与有限元仿真

符 荣，窦满峰

(1.西北工业大学，陕西西安710072;2.渭南师范学院，陕西渭南714000)

0 引 言

随着可再生能源的日益紧张，风能作为绿色可再生能源之一受到了越来越多的关注［1］。近几年，随着高性能永磁材料的出现，小功率直驱式永磁同步发电机也成为研究的热点。与传统电励磁同步发电机相比，永磁同步发电机由于转子由永磁体直接励磁，省掉了容易出现问题的集电滑环、电刷等装置，从而提高了永磁同步发电机运行的可靠性和效率;同时，直驱式永磁同步发电机的转轴直接与风轮机耦合，它们之间取消了增速齿轮箱机构，使得整个风力发电系统的结构更加简单紧凑，减少了振动和噪音，降低了维护成本，延长了离网型直驱永磁同步风力发电系统(如图1所示)的使用寿命。

图1 离网型直驱永磁同步风力发电系统框图

我国地形复杂，人口众多，居住分散，像内蒙古、新疆等地区以及一些特殊的地区，如：牧区、海岛及边防哨卡，往往是电网无法涉及的地方，所以，离网型小功率直驱永磁同步风力发电机在城市路灯、电动渔船、家庭照明等方面都得到了广泛应用［2］。

1 小功率直驱永磁同步发电机设计特点

在普通大功率永磁同步发电机设计方法的基础上，离网型小功率直驱永磁同步发电机具有以下设计特点：

(1)离网型小功率直驱式永磁同步发电机由于取消了增速齿轮箱机构，永磁同步发电机转轴直接与风轮机耦合，所以发电机额定转速比较低，一般不超过500 r/min;同时，为了增加系统风能的利用率和风轮机的输出功率，要求在风速较低时(通常3 m/s)，就能够克服阻转矩，迅速起动，快速发电。因此，要求所设计的小功率直驱永磁同步发电机要尽可能地减小齿槽转矩所产生的起动阻转矩。

(2)考虑到小功率直驱永磁同步风力发电机的功率等级比较小，发电机损耗中铜耗比例大;而发电机转速一般都比较低，使得电机铁心中磁场变化的频率比较低，所以，铁耗占电机损耗比例较小;同时，考虑到永磁同步风力发电机长时运行时，定子温升比转子温升要明显，采用内转子式，可以有效地增加定子散热面积，提高风力发电机运行的可靠性。针对上述特点，在选择小功率直驱永磁同步风力发电机结构时，采用内转子结构而不采用外转子结构。

(3)由于永磁同步发电机由转子永磁体励磁，其励磁磁场固定，无法随意调节，而小功率永磁同步发电机的自身铜耗较大，使得发电机的固有电压调整率比较高，所以，在选择电机转子永磁体励磁方式时，必须选择电压调整率较小的永磁体励磁方式进行设计，以保证负载运行时的风力发电机能高效运行。

2 电磁设计

2.1 技术指标

表1 永磁同步发电机的主要技术指标

2.2 定子设计

小功率低速直驱永磁同步风力发电机采用蓄电池储能，选取过高的额定输出电压，必须用更多的蓄电池，考虑到整机成本，一般额定输出直流电压不取得很高，即小功率直驱永磁同步风力发电机具有低压大电流的特点。例如，本文所研制的永磁同步发电机容量为2 kVA，额定直流电压仅为48 V，这样该电机的额定电流比较大，电机的线负荷比较高，电机的铜耗大，约占总损耗的70%左右。

2.2.1 定子冲片设计

在设计永磁同步发电机定子冲片时，原则上，在保证定子铁心冲片有足够的机械强度及磁通密度允许的前提下，应尽量减小齿宽和轭部高度，增大定子槽面积，增加定子绕组导线面积，减少绕组每相串联匝数，这样就可以降低电机铜耗，提高电机效率。

2.2.2 定子绕组设计

从电机理论上讲，采用定子斜槽、转子斜极及分数槽绕组都可以降低永磁同步发电机齿槽转矩引起的阻转矩。但是，考虑到小功率永磁同步发电机的体积小，空间受到限制，如果采用定子斜槽往往对发电机电气性能有所影响;而转子斜极很难从工艺上实现对转子磁钢扭到合理尺寸;所以，综合考虑加工工艺和加工成本后，采用分数槽绕组则成为小功率直驱永磁同步发电机抑制齿槽转矩最为有效的方法。

本文所研制的2kVA直驱永磁同步发电机，采用定转子槽极比为45/14的分数槽绕组来降低齿槽转矩引起的起动阻转矩;同时，为了减小反电势的波形畸变率，采用120°相带双层分布式绕组。

2.3 转子结构设计

2.3.1 转子极对数的选取

为了保证直驱永磁同步发电机输出频率在正常频率范围内(30～80 Hz)，转子永磁体一般选择极对数较多的形式，本文选取电机转子极对数p=7。

2.3.2 尔雅通识课程学习效果情况。尔雅通识课程以网络在线教学为依托，学生在规定的教学周内自主制定学习计划，通过观看教学视频、完成课堂测验、参与提问、讨论及参加考核等方式进行学习，教学视频和课堂测验总共完成达到80%方有资格参加考试。尔雅通识课程成绩由四部分组成，即视频学习（30%）+课堂测验（35%）+访问数（5%）+考试成绩（30%），成绩达到60分即为合格可获取相应的学分，否则需要重修或者选修其他课程获取学分。2016—2017学年第二学期的学习结果统计分析显示，开设185门课程，1 360人次获得考试资格，最终1 346人次获得学分，通过率达99%。

当定子直径确定后，由于转子永磁体磁极数量较多而造成磁极极距较小，尤其是内转子结构，永磁体的有效放置空间比外转子结构要小;但是，由于本文研制的属于小功率等级的发电机，选择内转子结构，不仅减小了转轴尺寸，使发电机转轴与风轮机耦合安装方便，同时，增强了风机长时运行的可靠性，并且，励磁磁势完全能满足设计要求。

2.3.2 永磁体励磁方式的选择

永磁同步发电机转子结构通常根据永磁体励磁方式的不同，可分为径向式、切向式、轴向式、混合式，其中径向式和切向式最为常见，如图2所示。

图2 永磁同步发电机转子结构示意图

径向式转子结构如图2(a)所示。永磁体采用表贴式，在永磁体外圆设有护环，护环对内产生预紧力，可提高电机运行的可靠性;同时，永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小;而且，制造工艺相对简单，加工方便。

切向式转子结构如图2(b)所示。永磁体采用内置式永磁结构，转子外圆无需护环，可靠地固定在转子铁心中;切向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁系数比径向式结构要大;而且切向式转子结构的制造工艺也较为复杂;但这种结构可以起到聚磁效果，提供较大的气隙磁通。

本文所研制的2 kVA直驱永磁同步发电机采用径向式转子结构;并且，在转子铁心中开有通风孔，增强了转子通风散热的效果。

3 电磁场有限元仿真分析

考虑到永磁电机磁路的非线性，以及永磁材料具有饱和的特点，采用传统磁路法设计永磁同步发电机需要大量的经验和修正系数，经验系数的引入使得传统磁路计算的准确性变得难以保证。

为了提高永磁同步发电机磁路设计结果的精确性，缩短研发周期，降低研发成本，本文采用MagNet电磁场仿真软件，对所设计的2 kVA永磁同步发电机进行了全面的有限元仿真分析计算，通过多循环场路结合的计算方法，最终，使所设计的2 kVA直驱永磁同步风力发电机完全满足设计指标的要求。

3.1 空载有限元仿真结果

利用电磁场MagNet软件，首先对所设计电机进行几何建模，再通过物理属性设定，网格剖分、求解、后处理等过程，计算出2 kVA径向式永磁同步发电机的空载气隙磁密分布波形，如图3所示。将计算出的波形数据进行处理，得到该电机空载气隙磁密平均值为0.68 T，空载漏磁系数1.07。图4是2 kVA永磁同步发电机空载磁场分布云图。

图3 沿气隙圆周的空载气隙磁密分布波形

图4 空载磁场分布云图

对空载反电势进行有限元仿真，首先对绕组进行定义和设定，再进行动态求解，得到如图5所示的空载反电势波形，计算出空载反电势有效值为82.7 V;并对发电机空载反电势波形进行谐波分析，计算出该反电势波形畸变率仅为0.442%。

图5 空载反电势波形

3.2 齿槽转矩有限元仿真结果

通过有限元仿真分析，计算出该发电机齿槽转矩随时间的变化，如图6所示，最大齿槽转矩的幅值仅为0.2 N·m，占额定负载转矩的0.314%。说明采用特殊定转子槽极配比的分数槽绕组，对该发电机齿槽转矩的抑制取得了良好的效果，从而降低了该发电机起动时的阻转矩，保证了该发电机在低风速时能够正常起动工作;同时，较小的齿槽转矩也减小了系统运转过程中自身产生的转矩波动。

图6 发电机齿槽转矩波形

3.3 额定负载有限元仿真结果

当设定电机转速为300 r/min，带额定负载运行时，采用有限元进行负载场分析，计算出所设计发电机的电磁转矩、电磁功率，由图7和图8可见，该发电机能够输出设计要求的转矩和功率。

图7 带额定负载运行时电磁转矩随时间的变化

图8 带额定负载运行时的电磁功率

带额定负载运行时的负载电压波形如图9所示，通过计算得到，该发电机的固有电压调整率为8.08%，符合设计指标要求;并且，该发电机的负载输出电压波形畸变率也仅为0.42%，说明采用分数槽绕组和120°相带双层分布式绕组，有效地抑制了发电机高次谐波电势，使该发电机输出电压波形具有较好的正弦度。

图9 带额定负载运行时的负载电压波形

4 样机实验

为了验证样机技术指标，对2 kVA永磁同步发电机进行了实验室测量，当样机转速达到设计值的300 r/min时，试验结果如表2所示，发电机转速300 r/min时相当于实际风速达到额定风速8 m/s，样机实验测量的各项指标都达到设计值。

表2 永磁同步发电机试验结果

当原动机拖动样机转速达到80 r/min时，相当于实际风速约为3 m/s时，2 kVA永磁同步发电机输出交流电压有效值为17.32 V，通过控制器，此时发电机输出电压可以对蓄电池进行充电。

同时，2 kVA永磁同步发电机样机安装到直驱风力发电机系统中，已通过风场实际测试开始投产。风场测试结果表明，整个风力发电系统在3m/s的低风速下，能快速起动，控制器输出直流电压达到40.5 V，输出功率达到32.4 W，风力发电机开始对蓄电池进行充电，从而证明所设计的2 kVA永磁同步发电机起动阻转矩小，能保证风力发电系统在3 m/s的低风速下快速切入工作。

5 结 语

针对小功率直驱永磁同步风力发电机的设计特点，作者研制了一台2 kVA城市路灯用离网型直驱永磁同步风力发电机。本文用有限元法对该样机进行了较为全面的分析，并且，通过实验室对拖实验，测得2 kVA永磁同步发电机效率高，固有电压调整率小;在实际风场运行测试中，整个风力发电机系统在3 m/s的低风速下就能快速切入工作，证明了所设计的2 kVA永磁同步发电机起动阻转矩小，达到了小功率直驱风力发电机的设计特点要求。本文对离网型小功率直驱永磁同步风力发电机的进一步深入研究及推广应用奠定了理论和技术基础。

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