双向斜极永磁同步风力发电机设计

(江苏中车电机有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

永磁风力发电机系统是以永磁发电机和全功率变流器为核心的风力发电系统，风电机组通过全功率变频器和变压器与高压电网相连，变频器将风电机组输出的不停变化交流电压，首先变换成直流，再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。由于采用全功率变流技术，低电压穿越能力较强，成为风电市场发展方向。但永磁电机固有齿槽转矩产生的脉振是其中一个缺陷，因此，在电机设计时应采用合理的电磁结构，降低齿槽转矩带来的转矩脉动，既能有效提高发电机效率，又能提高发电机寿命[1]。

由于永磁同步风力发电机定子铁心开槽与转子永磁体相互作用，形成了脉动的电磁转矩，加大了噪音、振动等不利因素。一般采用定子斜槽、转子斜极、分数槽、转子开假槽等结构能有效削弱齿槽效应的影响，提高电机性能。对于大型风力发电机，尤其是直驱及半直驱永磁同步风力发电机，由于体积庞大，采用斜槽会带来工艺操作上的不便，同时斜极方向仅能朝向一个方向，会对发电机带来附加的轴向力，轴向力全部作用在轴承上，严重影响轴承寿命。

本文就永磁同步风力发电机齿槽转矩及轴向力两方面来设计一款双向斜极结构的发电机，并对齿槽转矩及轴向力改善，利用二维有限元分层法分析对比单向斜极、双向斜极与直极结构的永磁同步电动机性能。

1 永磁同步风力发电机斜极二维有限元分析

1.1 样机模型

以一台4500kW的永磁同步风力发电机为例进行二维有限元电磁场计算，电机结构如图1所示，发电机为表面固定式磁极结构，该永磁电机的额定数据见表1。

图1 电机结构图

1.2 发电机齿谐波计算

通过转子斜极，同一磁极在轴向方向对于定子齿槽所受的切向力方向各异，能有效消除气隙磁密中的谐波及齿槽转矩。发电机转子旋转一周，齿槽转矩的周期数是定子齿数和转子极数的最小公倍数，对于整数槽永磁同步电机而言，若欲消除次谐波，只需使斜槽斜过的距离正好等于次空间谐波的波长即可，采用双向斜极结构和单向斜极结构如图2所示。

图2双向斜极和单向斜极结构图

采用二维分层法对永磁风力发电机进行有限元计算，将电机沿轴向等分若干段单元电机，每段单元电机为直极结构，通过每层发电机有限元求解结果再进行求和计算。对样机计算拟采用8等份分层法计算基本可以达到计算精度。通过对发电机计算得到直极空载电压及其谐波分解如图3所示，定子采用斜1个齿距结构单双向斜极空载电压及其谐波分解如图4所示。

图3直槽结构电机气隙磁密和谐波分解

图4斜1槽单、双斜极结构谐波分解

可见采用单、双斜极在空载电压上并无区别，对斜极与非斜极进行谐波分解见表2。

表2 斜极、非斜极发电机谐波分析(单位T)

可见采用单、双向斜极结构均能消除齿谐波含量，且单双向斜极效果一致。

1.3 发电机齿槽转矩计算

永磁同步发电机齿槽转矩Tg通常可以表示成磁共能W相对于位置角a的导数，Tg=dW/da，电机内存储的能量近似认为是磁钢及定转子气隙中的能量，可表示为

(1)

式中,B—气隙磁密分布函数，μ0—气隙磁导率，为4π×10-7H/m；r—气隙磁密积分路径。

对样机进行二维电磁场有限元分析[2]，得到电机空载磁力线分布如图5所示，空载磁密云图如图6所示。

图5发电机空载磁力线分布图

图6发电机空载磁密分布图

能量法对发电机进行齿槽转矩计算，得到直极结构永磁同步发电机齿槽转矩波动曲线如图7所示。

图7发电机齿槽转矩曲线

由图可见，单、双向斜极结构削弱了直极结构发电机齿槽转矩达到76.4%。

1.4 发电机轴向电磁力计算

当永磁同步风力发电机负载情况下运行，导线内部感应电势在负载电路的作用下产生负载电流，电流在导体内部产生的安培力。其表达式为

F=N×I×B×L×sin(θ)

(2)

式中，N—磁极盒轴向数量；I—导体内部电流，单位A；B—通电导体所处环境中的磁感应强度，单位T；L—导体长度，单位mm；θ—导体与磁场垂直反向所成夹角。

正常而言，所有电流感应的安培力的合力在圆周方向所产生的扭矩应与发电机电磁转矩相同，而有斜极或斜槽的情况下该力产生了轴向分量。若发电机为直极结构，则不存在该力，但会存在较大的齿槽转矩及齿谐波。为能够达到削弱齿槽转矩与齿谐波，同时避免轴向力的存在，将发电机单个磁极沿轴向方向采用偶数个分别朝向旋转方向和反方向的磁极，这样计算出的轴向力表达式为

F=(N/2)I×B×(L/2) ×sin(θ)+ (N/2)I×B×(L/2) ×sin(-θ)=0

(3)

从而避免了轴向力的存在，但实际上由于每个磁极还存在偏差，且装配位置存在一定偏差，理论上仍然存在一定的轴向力。

对发电机进行二维电磁场有限元分析[2]，其中双向斜极采用4个磁极交错分布结构(参见图2)，得到电机负载磁力线分布如图8所示，电机磁密分布如图9所示。

图8发电机负载磁力线分布图

图9发电机负载磁密分布图

通过计算，直极结构永磁同步风力发电机所受轴向力为0N，采用双向斜极结构永磁同步风力发电机所受轴向力为0N，采用单向斜极结构永磁同步风力发电机所受轴向力为5000N。

2 结语

永磁同步风力发电机采用双向斜极结构能够有效避免轴向力的存在，同时可以有效削弱齿槽转矩和齿谐波，从而提高了发电机的轴承使用寿命，并且减少了发电机的噪声、振动，此次设计对于同类电机的发展具有一定的意义。

[1] 唐任远．现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2002.3.

[2] 陈阳生，林友仰．永磁电机气隙磁密的分析计算[J]电机工程学报，1994年9月.

[3] 王秀和，等．永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007：08-85.