中型永磁直驱同步风力发电机设计与研究

高红星



中型永磁直驱同步风力发电机设计与研究

高红星

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

本文介绍了一种小型永磁直驱同步风力发电机，该电机采用了优化的电磁方案、紧凑的结构设计。经现场试验，效率高、噪声低、风速适应范围广、运行可靠、对电网冲击小、维护方便。

永磁直驱 风力 电磁 结构

0 引言

风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具开发规模条件和商业化发展前景的发电方式之一。永磁直驱同步风力发电系统由风力机与低速永磁同步发电机直接耦合，其输出电压、频率都随风速的变化而变化，最大能量捕获系统的利用电能变化电路及相关控制技术，将风力发电机发出的电能经整流、直流升压电路、逆变之后，然后并网。

本文根据风力发电的特点，研制50kW中型永磁直驱同步发电机（图1）[1,2,4]。该电机采用叶轮直接驱动低速永磁同步发电机。通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网，省去了传统双馈型风力发电系统中故障率高的齿轮，有效提高发电效率和可靠性。其控制方法简单、成本低、可靠性强、电磁兼容好。

通过研制成功该发电机后，可继续研制更大功率的发电机，为后续产品设计打好坚实的基础。

图1 永磁直驱风力发电机

1 主要技术指标

额定功率:50 kW；额定电压:380 V；额定电流:80 A；额定转速:100 r/min；额定效率:大于90%。

2 设计过程

2.1永磁直驱风力发电机电磁设计

2.1.1电机主要尺寸的确定

1) 极数：64极；

2) 定子槽数及槽型：66槽，梨形槽；

3) 转子磁钢：表贴；

4) 定子冲片及铁心尺寸；

5)定子绕组采用短距叠绕组，3相星形联结。

定子冲片图如图2所示。

图2 定子冲片图

2.1.2 电机电磁场仿真

主要仿真了电机空载特性和负载特性[6]，其中磁钢=890100 A/m，=1.116 T。

1）计算空载磁密分布如图3所示

图3 空载磁密云图

2）给定子施加有效值为80 A的相电流，功角约为20°，转速为100 r/min，可以得到某时刻电机内磁力线和磁密分布情况如图4所示

图4 负载磁密云图

可以看出，由于直交轴电枢反应的影响，与空载相比，负载时的磁力线发生了变化。

3）齿槽转矩仿真

图5 齿槽转矩图

从图5可以看出，该发电机齿槽转矩可以保证风力较小情况下进行发电工作。

2.2 永磁风力发电机结构设计

电机结构[3，5]]见图6。图中标记名称为：法兰-1，电机转子-2，电机定子-3，盘式制动器-4；制动盘-5；盘式制动器支架-6。

图6 50 kW永磁风力发电机结构图

此永磁风力发电机为外转子结构，法兰1通过键、螺栓连接固定在外转子2机壳上，从而带动叶片转动；转子2中磁钢为表贴式结构，通过磁钢槽楔与磁钢挡环用螺栓固定在转子机壳上；盘式制动器4通过盘式制动器支架6固定在机座上，通过夹紧制动盘5来控制发电机转动。

2.2.1 定子

定子冲片材料为低损硅钢片，图2所示。

定子绕组采用200级薄漆膜聚酯亚胺复合漆包圆铜线，25根并绕成一匝，每线圈7匝，绕组两端绑220 V的防潮加热带。定子整体VPI浸TJ1160漆 2 次，旋转烘培。

2.2.2 转子

发电机转子为外转子，转子铁心材料为Q235-B。

装配磁钢前先装配转子槽楔，并用螺钉M5x10预紧，接着装配磁钢挡环，用螺栓M6x12和垫圈预紧，然后再装配磁钢，磁钢材料为钕铁硼N38UH，磁钢表面要涂磁钢底面胶J-228，同时要保证磁极方向正确，全部磁钢装配后，用螺钉M5x10和螺栓M6x12拧紧。

2.3 损耗和效率计算

图7 额定负载时电机电磁转矩

图8 负载时电机铁心损耗曲线

额定负载时电机的铁心损耗曲线如图8所示。经计算，可得电机的铁心损耗为414.7 W。

3 结论

在研制过程中，遇到了很多技术难点，比如永磁直驱风力发电机结构复杂、安装困难、转子加工困难、定子绕组端部安放空间小等问题，得到了逐一攻克。

该永磁直驱风力发电机电机采用无机座外转子结构，大大缩小了体积和重量，满足了工作环境尺寸安装的要求；采用分数槽绕组方案，减小了绕组端部，减少了磁极表面的脉振损耗。

通过现场负载试验表明：该永磁直驱风力发电机效率高、噪声低、风速适应范围广、运行可靠、对电网冲击小、维护方便。

[1] 王秀和. 永磁电机. 北京：中国电力出版社, 2007.

[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计. 北京: 机械工业出版社, 1997.

[3] 姜彤, 李殿起, 韩立. ANSYS在永磁电机转子强度接触有限元分析中的应用. 机械设计与制造, 2008, (11) : 87-89.

[4] 陈世坤. 电机设计. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[5] NICOLA, BIANCHI. Electrical machine analysis using finite elements [M]. New York : Taylor&Francis Group Press, 2005.

Research and Design of Permanent Magnet Synchronous Direct-drive Wind Power Generator

Gao Hongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM614

A

1003-4862（2017）06-0023-03

2017-02-15

高红星（1972-），男，高级工程师。研究方向：电力电子与电气传动技术。E-mail: 67599135@qq.com