高速永磁同步风力发电机的设计研究

徐定旺，王秀和，董兴华

(1.山东大学，济南 250061；2.国网冀北电力有限公司 秦皇岛供电公司，秦皇岛 066000)



高速永磁同步风力发电机的设计研究

徐定旺1，王秀和1，董兴华2

(1.山东大学，济南 250061；2.国网冀北电力有限公司 秦皇岛供电公司，秦皇岛 066000)

开发具有高功率密度的高速永磁同步发电机是风力发电机设计领域的一个重要方向。以一种用于储能风力发电系统的360 kW、7 000 r/min永磁同步风力发电机为例，对高速永磁同步电机的设计进行了分析。在此基础上对设计的电机进行了有限元仿真分析，仿真结果表明该电机电压波形畸变率低，齿槽转矩较小，能满足设计要求。电机高速旋转时，永磁体将受到巨大的离心力。为保护永磁体不受损害，采用了螺钉对永磁体固定并进行碳纤维套绑扎的新转子保护措施。经有限元分析，该措施能对永磁体形成有效保护。在上述研究的基础上，进行了样机的制造和试验，试验结果表明，电磁方案和转子保护措施能够满足设计要求。

高速永磁同步风力发电机；电机设计；转子强度；有限元仿真

0 引 言

风能作为一种清洁能源，已成为当今世界最具发展潜力的能源之一。近年来，风力发电技术不断发展，风机容量显著增加[1-4]。随着我国风电规模的扩大，在风电资源不太丰富的地区发展分散式风电项目，成为当前风电产业发展的新趋向[5]。

在风力发电领域，永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、效率高等优点得到了较为广泛的应用。对于永磁同步风力发电机的设计，已有较多学者做过研究，所涉及的电机主要分为直驱式和带增速齿轮箱两类[6-9]，单机容量从几十千瓦到几兆瓦不等[10-12]。为适应分散式风电布局广、数量多、风力资源有限的特点，开发高效、高功率密度、体积小的高速永磁同步发电机是风力发电机设计的新方向。

高速永磁同步风力发电机的设计可以借鉴现有永磁同步风力发电机的经验，但高速永磁电机的设计有其独特的难点，即转子强度问题[13-15]。永磁电机高速旋转时，转子永磁体会受到巨大的离心力，必须对永磁体加以保护。目前，对电机转子的保护主要采用永磁体外侧加装非导磁合金套或碳纤维绑扎的措施。文献[16-19]从理论分析和有限元仿真两方面对采用不同转子保护措施的高速永磁电机进行了转子强度分析，并进行了相关保护套的设计。与本文设计的电机相比，文献涉及的电机功率小、径向尺寸小、转速高，通过过盈配合能施加较大的静态装配压力，抵消电机高速旋转时离心力的影响。本文研究的电机功率大，径向尺寸大，采用保护套方式难以对永磁体形成有效的保护。针对该情况，本文采用一种新的转子保护措施，即先用螺钉固定永磁体，再用碳纤维进行绑扎。对采用新保护措施的电机转子进行了有限元仿真，仿真结果显示该措施能对永磁体形成有效保护，这对大功率高速永磁电机的设计有一定的借鉴意义。

本文设计的360 kW、7 000 r/min永磁同步风力发电机用于储能风力发电系统，通过传动装置，风力发电机的输入转速维持在额定转速。本文根据设计要求，合理选择电机结构和参数，确定设计方案，并对所设计电机进行了有限元仿真分析，进行了样机试制和试验。目前，该电机已经投入使用，效果良好。

1 电磁设计

表1为360 kW、7 000 r/min永磁同步风力发电机的具体设计要求。下面根据设计要求，进行电机的电磁设计。

表1 永磁同步风力发电机设计要求

1.1 极数的选择

高速永磁电机极数一般采用2极或4极，为减小铁耗，电机的极数不宜太多；另一方面，若选择的极数太少，电机的定子铁心和转子铁心轭部厚度较大，定子绕组端部较长。综合考虑两方面需要，该电机极数取为4。

1.2 电枢设计

该电机铁心内磁场交变频率高，达到233 Hz，为减小铁耗，定子铁心采用0.35 mm厚硅钢片。根据安装要求，定子铁心外径选为445 mm。电机槽数选为60槽，电枢绕组采用双层短距绕组以削弱感应电动势中的谐波含量，改善波形畸变，线圈跨距取为13槽。

由于发电机高速旋转时，转子永磁体会受到的离心力大，需要加保护套进行保护，同时考虑转子高速旋转时可能发生较大形变，气隙长度选为2 mm。

1.3 转子设计

1.3.1 转子结构的选择

转子永磁体采用表面插入式结构，如图1所示。考虑到每极永磁体尺寸较大，采用拼块结构，每极永磁体由三块永磁体组成。为保护永磁体，在永磁体外侧加装保护套，保护套与永磁体之间采用过盈配合，保护套与转子之间填充非导磁材料以使保护套受力均匀。

图1 永磁同步风力发电机转子结构示意图

1.3.2 转子永磁体的选择

钕铁硼是目前磁性能最强的永磁材料，且价格较稀土永磁材料低，考虑到该电机工作环境不是很恶劣，正常工作时温度低于钕铁硼永磁材料的最高工作温度(150 ℃)[20-21]，故本设计选用烧结钕铁硼永磁体，牌号为N35UH。

1.3.3 转子永磁体尺寸设计

永磁体宽度的设计必须考虑对齿槽转矩的影响，可以通过选择合适的极弧系数来削弱齿槽转矩[21-22]。根据文献[21]，在任意相对位置α，齿槽转矩表达式：

(2)

式中：z为定子槽数；R1为转子外半径；R2为定子内半径；La为电枢铁心长度；n为使nz/(2p)为整数的最小整数；Br(nz/2p)为永磁体剩磁沿气隙圆周分布的nz/2p次分量；Br为永磁体剩磁密度；αp为极弧系数。

由齿槽转矩表达式可以看出，永磁体剩磁的nz/2p次分量对齿槽转矩产生影响，而Br(nz/2p)与极弧系数相关，故可通过选择合适的极弧系数来削弱齿槽转矩。对本电机，极弧系数选为11/15。基于选择的极弧系数，每极下永磁体宽度为66°，永磁体分块，每块宽度为21.72°，两块永磁体之间的宽度为0.42°。

通过上述设计过程，该永磁同步风力发电机的主要参数如表2所示。

表2 7 000 r/min永磁同步风力发电机的主要参数

2 电磁方案的有限元分析

为检验设计方案是否合理，对上述设计的永磁同步风力发电机进行了有限元仿真。图2为电机空载反电动势波形，图3为额定负载时线电压波形，图4为额定负载时各相电流波形。

图2 空载运行反电动势波形

图3 额定负载线电压波形

图4 额定负载三相绕组电流波形

发电机电压波形的好坏直接关系到发电机的发电质量，通常用波形畸变率来表征电压波形的畸变程度，电压波形畸变率可由式(3)计算[14]：

(3)

式中：Un为线电压第n次谐波有效值，U1为线电压基波的有效值。

对图3、图4所示的电压波形进行傅里叶分解，分析其谐波含量，结果如图5所示。经计算，空载电压和额定电压的波形畸变率分别为2.67%和1.39%，均小于5%，满足设计要求。

图5 电压电流谐波含量

图6所示为电机齿槽转矩仿真结果，可以看出，齿槽转矩的幅值23 N·m，仅为额定转矩的4.68%。

图6 齿槽转矩

综上所述，有限元仿真结果表明该电磁设计方案能够满足设计要求。

3 转子保护措施的分析研究

本文设计的永磁同步风力发电机采用烧结钕铁硼永磁体N35UH，该永磁体能承受很大的压应力，但无法承受较大的拉应力[19]。电机高速旋转时转子永磁体可能会因承受巨大的离心力而受到损害，故必须对永磁体采取保护措施。

目前，表贴式永磁电机转子保护措施主要有两种：一种是在永磁体外侧加装高强度非导磁合金保护套，另一种是采用高强度的复合材料如碳纤维对永磁体进行绑扎[18]。在该电机的设计过程中发现，由于该电机额定功率大，转子径向尺寸大，气隙较小，保护套厚度较薄，导致装配困难并难以施加较大的过盈量，电机未达到额定转速时，永磁体即产生较大的径向位移，保护套变形严重，甚至出现保护套与定子摩擦的现象。

为保护电机安全运行，本文采用一种新的转子保护措施，即先用螺钉固定永磁体，后用碳纤维保护套绑扎。采用螺钉固定的转子结构示意图如图7所示。在满足工程要求的前提下，螺钉的直径应尽可能小，以减少其对电磁性能的影响，同时，螺钉的选取要同保护套施加的过盈量配合。采用螺钉固定时，永磁体和护套的受力和变形解析计算较为复杂，本文采用有限元仿真分析。

图7 采用螺钉固定的转子结构示意图

取一个极下一块永磁体建立仿真模型，转子材料属性如表3所示。

表3 永磁体及碳纤维材料属性

注：碳纤维为正交各向异性材料，表中35,140分别对应径向、切向弹性模量。

本文中永磁体采用内六角螺钉进行固定，规格为M2×16，3.6级，预紧力为255 N，保护套与永磁体采用过盈配合，过盈量设置为0.01 mm。经仿真分析，电机以1.2倍额定转速运行时永磁体径向应力及变形结果如图8所示。

(a)永磁体径向位移云图(b)永磁体径向应力云图

图8 1.2倍额定转速运行时永磁体应力及变形结果

由图8可知，采用螺钉固定永磁体后，当转速为8 400 r/min时，永磁体的径向位移不超过0.1 mm，可以认为永磁体不会松脱。永磁所受最大径向应力为正，但该应力远小于材料允许的应力极限，大部分永磁体仍受到压应力，保护效果较好。有限元结果表明该措施能满足工程应用要求。

4 样机试验

为测试本文设计电机的电磁性能和判断转子保护措施是否可行，对本文设计的永磁同步风力发电机制造了样机如图9所示。

对制造的永磁同步风力发电机进行了样机试验，部分样机试验结果如下所示。图10为电机空载电压曲线，图11为冷态和热态发电机外特性曲线。由实验数据计算得电机的冷态稳态电压调整率为4.06%，热态稳态电压调整率为3.04%。

图10 电机空载电压曲线图11 发电机外特性曲线

测定了电机在不同转速下的振动及噪声，并测定了电机长时间工作的温升情况，结果分别如图12、图13所示。

图12 电机振动及噪声曲线图13 电机长时间运行温升情况

采用直接法测试电机的效率，表4为效率测定的结果数据，由实验结果计算可知，该永磁同步发电机的效率为96.57%，满足设计要求。

表4 效率测定结果

5 结 语

1) 以一种用于储能风力发电系统的360 kW、7 000 r/min永磁同步风力发电机的设计为例，对高速永磁同步电机电磁参数的选择进行了分析，并根据设计要求，确定了该电机的电磁设计方案并进行了有限元仿真和样机试验。

2)为保证转子的机械可靠性，本文采用先用螺钉固定永磁体，后用碳纤维绑扎固化的新转子保护措施。有限元仿真结果表明采用该措施永磁体径向位移和应力较小，能对永磁体形成有效保护。

[1] LI H，CHEN Z．Overview of different wind generator systems and their comparisons[J]． IET Renewable Power Generation，2008，2(2)：123-138．

[2] MUDI J，SINHA D．Comparative study among different wind turbines used for wind energy system[C]//Non Conventional Energy (ICONCE)，Kalyani，India.2014：175-179．

[3] AL-MAJED S I，FUJIGAKI T．Wind power generation: An overview[C]//Modern Electric Power Systems(MEPS)，Proceedings of the International Symposium，Wroclaw, Poland.2010：1-6．

[4] DUAN Y，HARLEY R G.Present and future trends in wind turbine generator designs[C]//Power Electronics and Machines in Wind Applications，Lincoln, Nebraska.IEEE，2009：1-6．

[5] 王彩霞，李琼慧． 促进我国分散式风电发展的政策研究[J]．风能，2013(9)：46-52．

[6] POPESCU M， CISTELECAN M V， MELCESCU L，et al． Low speed directly driven permanent magnet synchronous generators for wind energy applications[C]//Clean Electrical Power，Capri，Italy.2007：784-788．

[7] 朱德明，邱鑫，张卓然，等．直驱式电励磁双凸极风力发电机的极数研究[J]．中国电机工程学报，2009，29(18)：65-70．

[8] ABDEL-KHALIK A S， ELSEROUGI A， AHMED S， et al．A wind turbine architecture employing a new three port magnetic gear box[C]//Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Raleigh,North Carolina,USA.2012：1917-1924．

[9] JANG S-M，SEO H-J，PARK Y-S， et al．Design and electromagnetic field characteristic analysis of 1.5 kW small scale wind power generator for substitution of Nd-Fe-B to ferrite permanent magnet[J]． IEEE Transactions on Magnetics，2012，48(11)：2933-2936．

[10] XU Yang，PATTERSON D，HUDGINS J． Permanent magnet generator design and control for large wind turbines[C]//Power Electronics and Machines in Wind Applications(PEMWA)，Denver,Colorado,USA.IEEE，2012：1-5．

[11] GAO Jian，HUANG Shoudao，ZHANG Wenjuan．Design and test for permanent magnet wind power generators based on converter controlling modeling[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems，Busan，Korea (South).2013：311-314．

[12] HE Qingling，WANG Qunjing．Optimal design of low-speed permanent magnet generator for wind turbine application[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，Shanghai，China.2012：1-3．

[13] PAPINI F，BOLOGNESI P．Preliminary design and analysis of a high speed permanent magnets synchronous generator[C]//15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference，Valletta, Malta.2010：1198-1203．[14] 祝令帅，李进泽，龚天明，等．高速永磁同步风力发电机的电磁设计与计算[J]．电机与控制应用，2012，39(12)：51-55．

[15] XU Jianchun，LIU Chuang．Research on high-speed permanent magnet generator for a miniature turbojet[C]//Industrial Electronics and Applications(ICIEA)，Beijing，China.2011：2783-2786．

[16] CHENG Fang，XU Haiping，XUE Shaoshen．Study on the design method of high speed permanent magnet synchronous machine[C]//Electrical Machines and Systems(ICEMS),Beijing，China.2011：1-6．

[17] CHEN Liangliang，ZHU Changsheng．Rotor strength analysis for high speed permanent magnet machines[C]//Electrical Machines and Systems(ICEMS)，Hangzhou，China.2014：65-69．

[18] 张凤阁，杜光辉，王天煜，等．高速永磁电机转子不同保护措施的强度分析[J]．中国电机工程学报，2013，33(S1)：195-202．

[19] 王继强，王凤翔，鲍文博，等．高速永磁电机转子设计与强度分析[J]．中国电机工程学报，2005，25(15)：140-145．

[20] 闵琳，权利，莫会成．永磁材料和永磁电机[J]．电气技术，2006(7)：14-16．

[21] 王秀和等．永磁电机[M]．北京：中国电力出版社，2007：21+80-83．

[22] YANG Yubo，WANG Xiuhe，LENG Xuemei，et al．Reducing cogging torque in surface-mounted permanent magnet motors by teeth notching[C]//2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，Harbin，China，2007：265-268．

Design and Analysis of the High Speed Permanent Magnet Wind Generator

XUDing-wang1,WANGXiu-he1,DONGXing-hua2

(1.Shandong University,Jinan 250061,China；2.State Grid Jibei Electric Power Co.Ltd.,Qinhuangdao Power Supply Company,Qinhuangdao 066000,China)

Exploiting the high speed permanent magnet wind generator (PMWG) is one of the important aspects in the field of the PMWG design. In this paper, the detail design of a 360 kW, 7 000 r/min PMWG used in a wind energy storage system were introduced and the selection principle of the electromagnetic parameters was discussed. Based on the design scheme, the simulation was conducted. The simulation results show that theTHDof the voltage waveform and the cogging torque are small. The rotor structure of the designed PMWG is surface-mounted, thus the permanent magnet (PM) has to be protected from the huge centrifugal force. In order to protect the PM, a novel method that the PM was firstly fixed to the rotor core by screws, and then banded with carbon fiber were applied and verified to be effective through the finite element method (FEM).The simulation results indicate that the radial deformation and stress are small, which means that the PM would be protected effectively. Based on the above study, the prototype is manufactured and tested and the experiment results show that the design meets the requirements.

high speed PMWG; generator design; rotor strength; FEM

2015-12-27

国家自然科学基金项目(51577107)

TM315

A

1004-7018(2016)08-0015-04

徐定旺(1992-)，男，硕士研究生，主要从事永磁电机方面的研究。