160 kW低速永磁发电机设计特点

张晓敏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

永磁电机采用永磁体励磁，无需励磁电流，且永磁体结构、形状多样，尺寸选择灵活，拓扑结构强，所以永磁电机结构简单、体积小、重量轻，力矩惯量比大，具有高效率、高性能、高功率密度的优点。故而永磁电机具有常规电机无法比拟的优点，应用范围也极为广泛。

随着我国经济的高速发展，能源供求紧张状况凸现，传统能源造成的污染给社会发展带来很多问题，以风力发电为代表的清洁能源越来越受到人们的重视。目前，永磁直驱发电机在风力发电机组中的应用越来越广泛。永磁直驱风力发电系统较双馈发电机系统而言，不存在低电压穿越问题，且省去了齿轮箱和滑环，需要维护部件少，可靠性高，而且结构紧凑，在可运行范围内都具有较高的效率。

我公司研制了一台160 kW低速永磁同步发电机，通过对该发电机的设计、制造和测试，对低速永磁同步发电机的设计特点进行研究。为后续大功率海上永磁直驱风力发电机的设计提供经验。

1 发电机技术条件

1.1 电气参数

额定功率：160 kW

额定电压：670 V

额定转速：120 r/min

最大转速：200 r/min

频率：30 Hz

额定电流：162 A

功率因素：>0.8

效率：≥95%

相数：3

绕组接法：Y接

绝缘等级：H

工作制：S1

1.2 机械参数

结构类型：外定子内转子

旋转方向：顺时针

额定输入转矩：13.4 kN·m

齿槽转矩：≤0.5%的额定转矩

外圆直径：Φ1 900 mm

最大长度：955 mm

质量：约3 500 kg

冷却方式：IC418

防护等级：IP54

噪声：≤87 dB(A)(声压级)

防腐等级：外部C4,内部C3

1.3 环境参数

额定使用环境温度：-20～40 ℃

降功率使用环境温度：40～45 ℃

储存及运输环境温度：-40～70 ℃

最大海拔高度：1 000 m

最大相对湿度：95%

2 电磁方案设计

本文低速永磁发电机采用径向磁场，内转子外定子，定子绕组采用集中绕组，转子磁极采用表贴突出式安装形式。表1为电磁设计参数。

表1 电磁设计参数

2.1 分数槽集中绕组特点

低速永磁发电机定子齿为平行齿，线圈为分数槽集中绕组。定子线圈采用5根2.8 mm×4.75 mm漆包铜扁线并绕19匝制成。定子线圈实物以及线圈布置结构如图1、图2所示。

图1 定子线圈实物图

图2 线圈布置结构图

发电机每极每相槽数q=1/2，即分数槽，节距y=1，采用该设计的集中绕组的特点：

(1) 容易实现多极少槽的设计：发电机定子极数多时，定子轭部尺寸薄，硅钢片用量省，体积小重量轻；定子槽数少，定子槽内绝缘占比小，元件数量少，嵌线简单；每极电枢反应去磁磁势低，提高了低速运行平稳性。

(2) y=1的集中绕组：线圈结构简单，端部连接工艺也简单；线圈端部短，线圈长度短，铜耗小，体积小，线圈端部散热好，可以提高发电机的功率密度；在发电机体积较大时，可以设计为分块结构，便于制造浸漆和运输。

(3) 分数槽：可以降低齿槽反应转矩，减小转矩波动；分数次磁场谐波，磁体涡流损耗增加。

(4) 极槽相近的配合：谐波漏抗大幅增加，气隙磁密存在畸变，有低阶次空间径向力波。

2.2 永磁体性能特点

发电机转子永磁体采用烧结钕铁硼，型号42SH，20 ℃时磁力特性如下：

(1) 剩磁感应强度：1.28～1.32 T；

(2) 矫顽力(Hcb)≥987 kA/m(≥12.4 kOe)；

(3) 内禀矫顽力(Hcj)≥1 600 kA/m(≥20 kOe)；

(4) 最大磁能积(BHm)：40～43 MGOe；

(5) 温度系数： αBr=-0.12%/C; αjHc=-0.55%/C；

(6) 退磁曲线：100 ℃下的退磁曲线成为一条直线，无拐点；

永磁体防腐采用喷涂环氧树脂工艺，厚度10～30 μm。

发电机转子轴向布置两块大永磁体，每块永磁体由5片小永磁体用丙烯酸酯胶水黏结形成。永磁体上端两尖角进行45°倒角处理，使永磁体和齿槽旋转交错时变化缓和，这样能使磁转矩幅度变化连续而平稳，有利于减少波形畸变和噪声。

2.3 永磁体布置结构特点

本文低速永磁发电机采用表面突出式永磁体安装方式，漏磁系数小，永磁体用量少，经济性好。

永磁发电机需要尽可能的降低齿槽转矩。降低齿槽转矩的一般方法为斜极或斜槽。斜极和斜槽其实是等效的，转子斜极可以看成定子斜槽的相对等效。根据电机原理，转子斜极机械角度计算=360°/(定子槽数和极数的最小公倍数)，此时从理论上可以完全消除齿槽转矩。

而本文发电机定子采用集中绕组，定子槽数少、铁心较短，在工艺制造上实现斜极或斜槽都较为困难。发电机永磁体布置采用偏极的形式来削弱齿槽转矩，永磁体布置结构如图3所示。

图3 永磁体尺寸

发电机转子共30极，每5个极为一组，一组内每极间偏移0.8机械角度，即由原来的每极之间12°减小到11.2°。每组磁极之间对称。通过ANSYS有限元分析软件进行对比分析计算，偏极处理前后，齿槽转矩波形对比如图4所示。

2.4 有限元仿真分析

根据第2节设计的永磁发电机相关电磁数据和参数，在ANSYS有限元软件中建立几何模型。建立的模型如图5所示。

图4 齿槽转矩波形对比图

图5 电磁模型

模型建立好后，对模型的相关区域进行赋予材料参数并添加边界条件。在进行网格剖分时，在磁场变化剧烈的位置对网格进行加密剖分，可以提高计算精度。最后对程序进行求解计算。

对发电机空载磁密和空载反电势结果进行计算和分析，结果如图6和图7。

图6 发电机空载磁密图

图7 75 ℃时空载电势

对发电机齿槽转矩进行计算和分析，计算值为56.8 N·m，满足技术条件小于0.5%的额定转矩的要求。

3 机械结构设计

发电机的主要组成部件有定子、转子、轴承、端盖等。发电机外形为扁平圆柱形状，采用成熟的外定子内转子结构。发电机总体结构如图8所示。

发电机机座为薄壁铸件，外表面带有散热筋，机座上有法兰孔与机舱连接。机座与定子铁心之间采用热套过盈配合。定子铁心整圆由5片定子扇形片交错叠压组成，每层冲片之间拼缝错开。定子冲片固定采用螺杆紧固，为了避免螺杆中产生涡流损耗，定子铁心紧固螺杆需包扎聚芳纤维纸，并额外加垫了2层绝缘垫圈。

发电机转轴为锻钢空心轴，轴头采用法兰与轮毂连接，轴尾通过螺纹与刹车连接装置。发电机轴伸端轴承采用单列圆锥滚子推力轴承，非轴伸端采用圆柱滚子轴承。为避免有磁性的转子影响装配，永磁体安装在定转子穿转及端盖安装之后。永磁体通过端盖处的缺口，采用专门的永磁体安装工装进行安装，如图9所示。

图9 永磁体安装示意图

4 绝缘系统设计

低速永磁发电机绝缘系统采用先进的H级少胶绝缘技术体系。少胶绝缘体系在同样的耐压情况下，尺寸比中胶绝缘体系要薄，可以提高槽空间的铜线利用率。本文低速永磁发电机同时采用了VPI真空压力整浸技术。发电机经过VPI工艺处理后，绝缘性能大幅提升，机械强度变强，可以防止短路故障，提高防潮能力，延长电机的使用寿命。

5 试验测试

发电机制造完成后，对发电机的齿槽转矩进行了测试，实测齿槽转矩为61.2 N·m，小于70 N·m。

发电机参照GB 755—2008《旋转电机 定额和性能》和GB/T 25389.2—2010《低速永磁同步发电机 试验方法》进行了型式试验。发电机主要试验数据见表2～表5。永磁发电机测试数据均满足国家标准以及技术条件要求。

表2 发电机空载测试

表3 发电机额定负载测试

表4 发电机温升测试

表5 发电机轴承及噪声测试

6 结论

通过此次160 kW低速永磁同步发电机项目的研制，我公司研究了采用集中绕组结构的永磁同步发电机的设计特点。同时也对降低永磁发电机齿槽转矩的方案进行了研究，并着重研究了磁极偏极的计算分析。采用集中绕组结构的发电机，功率密度较高，用在海上大功率风力发电机上时，可以显著降低发电机重量，同时还可以设计为分块结构，便于制造浸漆和运输。此次160 kW低速永磁同步发电机的研制成功，提升了我公司永磁同步发电机的设计和制造水平，为我公司研制大功率海上永磁直驱风力发电机打好了基础。