5 MW直驱永磁风力发电机的电磁设计与计算

李春林

（海军工程大学，武汉430033）

0 引 言

由于各国政府对能源危机问题的重视，近年来风力发电得到了很大的发展.我国政府对“十二五”期间可再生能源发展规划中，将继续推进风电的规模化发展，促进风电装备的壮大升级，建立完备的风电装备制造体系和不断提高风电的市场竞争力的目标.当今风电技术路线中，正朝单机容量越来越大的趋势发展，一些风机制造商已开发出5MW容量的风力发电机.而由湘电集团研制的5MW直驱永磁风力发电机已在荷兰和福建风场投入商业运行，电机运行状况良好，得到了风场运营商的称赞.

本文根据永磁电机的设计与运行原理对该电机的电磁设计流程和设计方法做了详细阐述.由于磁路计算中采用了较多的经验参数和等效公式，为了验证电磁计算单的准确性，本文还利用有限元法对设计的电机进行了电磁场计算.通过电磁场计算，得到了电机的准确电磁参数和运行特性，同时也验证了电机电磁设计的合理性.

1 电机主要参数的确定

1.1 电机主要尺寸的确定

在永磁风力发电机的额定参数确定后，需确定电机的定子内径和定子铁芯长度，即电机的主要尺寸.由于计算极弧系数αp′、气隙磁场波形系数KNm和绕组系数Kdp的变化范围不大，可以用下式即电机主要尺寸计算公式初步确定电机的定子内径和铁芯长度.

考虑到直驱永磁风力发电机的气隙磁密和线负荷数值变化不大，在设计时可以先取2MW永磁风力发电机的气隙磁密Bδ和负荷A计算.

由于电机转速和频率均较低，而功率较大，在设计时从提高材料利用率的观点出发，需采用外径大而轴向长度短的方式.而电机外径的确定还需注意冲片加工和运输尺寸的要求.

1.2 极槽数的确定

在有限的定子铁芯尺寸和满足工艺要求的前提下，如何用较少的槽数获得较多的极数是永磁电机设计时需要考虑的问题.由于永磁电机的齿槽效应使得电机空载时存在齿槽转矩，为此需采用分数槽绕组.5MW永磁风力发电机的槽数为384，极数为80，每极每相槽数为1＋3／5，采用该极槽配合既可以减少齿槽转矩，又能削弱感应电势谐波和电磁噪声.这已在2MW永磁风力发电机上得到了较好的验证.

1.3 永磁体尺寸的确定

直驱式永磁风力发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度高的永磁材料，确保不会发生不可逆去磁，同时考虑到电机制造的经济性，永磁材料价格要合适.综合上述因素，5MW永磁风力发电机选择钕铁硼永磁材料.

极弧系数的大小对电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数影响很大.永磁电机的极弧系数会比电励磁电机稍高，本文确定5MW永磁风力发电机的极弧系数为0.78.选取该极弧系数是综合了极间漏磁、感应电势波形畸变率和气隙磁密分布的影响.在确定了极弧系数后，便可以确定永磁体的宽度.

永磁体的厚度即为磁化方向长度，该尺寸的大小直接影响气隙磁密的大小和永磁体的抗去磁能力.永磁体的厚度的确定主要依据全电流定律，对一个磁极的磁路进行积分，各部分磁压降之和等于磁极的磁势.利用确定的磁势便可计算永磁体的厚度.本文确定5MW永磁风力发电机的永磁体厚度为38mm.该电机永磁体的安装采用硅钢叠片式磁钢盒结构，此结构在永磁体安装面的两端开有空气槽，既可以限制漏磁，又可以降低永磁体的涡流损耗和突然短路电流对永磁体的去磁影响.

2 电磁计算结果

永磁风力发电机的主要尺寸、极槽数和永磁体尺寸确定后，电机冲片的大体尺寸便已确定.可根据已开发的2MW永磁电机的电磁参数，选取某些参数进行适当修正和更改后进行电磁计算.

永磁风力发电机的主要性能指标为额定输出功率、电压波形畸变率和效率.在每组设计参数完成计算后，需校验上述性能参数和其他影响电机磁路合理性的电磁参数.为此，永磁电机的电磁设计需进行多次优化计算，以得到一个电磁性能和经济指标都兼顾的最终方案.本文最终确定的5MW电磁方案的主要参数计算结果如表1所示.

表1 5MW永磁风力发电机电磁参数

3 有限元计算与验证

由于永磁风力发电机的磁路计算从等效磁路的观点出发，在计算过程中采用了一些经验系数和等效公式，一些计算结果存在计算不准确的问题.为此，需要采用有限元方法进行电磁场计算以得到更为准确的电磁参数和对电磁计算结果进行验证.本文采用电磁场有限元计算软件ANSOFT进行计算.

3.1 空载计算

永磁同步发电机空载时，气隙中只有一个以同步速旋转的永磁磁场，它在电枢绕组内产生三相对称感应电动势.空载感应电势的大小直接反应了永磁体的磁性能和气隙磁场特性.由于发电机空载时电枢绕组开路，在进行空载计算时，可在电枢绕组上施加零电流源.

空载感应电势计算波形如图1所示.线电压有效值为2908.5V，电压波形畸变率为2.3%.从空载磁力线分布图2可以看出，永磁体产生的磁通经过气隙、定子齿部和定子轭部后从相邻极对应的轭部、齿部和气隙形成闭合的有效磁路.由于永磁体两端存在限制漏磁用的空气槽，使得漏磁较少，磁路分布合理.

3.2 直接并网计算

永磁风力发电机输出的功率并入电网，为了验证所设计电机并网时的运行特性，需对发电机进行直接并网工况时的电磁场计算.根据同步电机并网原理，发电机并网时电机的频率、电压幅值、相位和相序需与电网一致，为了模拟直接并网工况，可将电网的数学模型用一组三相对称电压源表示，而此电压源作为永磁发电机的激励.

上式中uN为额定电压，f为额定频率，θ为端电压滞后空载感应电势角度，即功率角.为了求得发电机输出额定功率时的电磁场分布情况，可将功率角θ设为参数化变量，计算不同功率角时的电磁场，得到额定功角.通过此方法计算出当功率角为46°时，电机的电磁转矩为2887.1kN·m，输出功率为5276kW，此为额定运行点.发电机电磁转矩波形见图3所示.并网额定运行时的磁场分布如图4所示，由于并网时电枢反应对气隙磁密的影响和交直轴磁阻不同，磁力线与空载时相比，发生了较大变形，而且漏磁也增大.

4 结 论

本文在论述了5MW永磁风力发电机电磁主要设计参数的计算方法的基础上，确定了电机主要尺寸、极槽数和永磁体尺寸.对这些尺寸和参数进行多次优化设计后，得到了电机的电磁方案，同时给出了主要电磁参数的磁路法计算数值.为了验证电磁方案的合理性，本文采用有限元法进行了永磁电机的电磁场计算，计算结果与磁路法计算结果较吻合，证实了电磁方案的准确性.

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