风电机组偏航交流变频电机的研制

周 哲，王耀锋，谢卫才 1，，颜渐德1，，彭 凡

（1.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104；2.湘潭电机股份有限公司，湘潭 411104；3.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104）

0 引言

伺服驱动电机的性能直接影响风电机组偏航系统的性能［1］.目前国内偏航驱动电机一般采用普通的工频交流电机，偏航控制精度不高，启动时机械冲击大，启动电流大，在频繁正反转的工况下故障率高，如偏航齿轮箱和偏航轴承打齿概率高、电机温升，导致电机使用寿命缩短，开关跳闸，偏航系统的可靠性亟待提高.文献［2］指出传统异步电机设计方法在变频调速异步电机设计中存在局限性，并提出了新的转子设计方法.本文主要针对国内某厂家对偏航伺服电机的要求进行设计，采用场路结合的设计方法，对交流变频偏航电机进行了优化设计，之后对偏航电机额定点性能、不同频率下电机特性、电机瞬态场特性进行仿真分析，仿真结果满足设计要求，并制作了一台样机验证其性能.

1 交流变频偏航电机电磁设计

1.1 电机设计参数

根据某型号风电机组对偏航系统驱动性能的要求，给出如下设计参数：额定功率3 kW，额定转速960 r/min，额定电压AC 400 V，额定频率52 Hz，额定电流7 A，制动电压DC 24 V，制动力矩34～46 N·m，绝缘的耐热等级F（155），工作制S2-30 min，绕组Y 连接.

1.2 主要尺寸确定

变频电机的主要尺寸是指定子内径和定子铁芯有效长度.变频电机的主要尺寸决定了电机的成本、电机的容量、同步转速、气隙磁通密度［3］.

根据异步电机自适应模型［4］，本次设计初定定子外径D1＝245 mm，内径Di1＝167 mm，转子外径D2＝166.2 mm，电枢铁芯有效长度Lef＝95 mm，气隙初取值为0.4 mm.

1.3 定转子槽型设计

对定子槽数做出以下的设计：参考与此相似的电机，每极每相槽数q1＝2，定子槽数Z1＝2m1pq1＝36.此外，转子做斜槽处理，能够有效地提升电机的效率［5］，同时也能够避免因槽数选择不当所导致的起动力矩的减小［6］.其中定子齿距t1＝0.01456 m，见式（1）：

具体的槽尺寸为：Hs0为0.8 mm，Hs1为1.7 mm，Hs2为 17 mm，Bs0为 3.8 mm，Bs1为 10 mm，Bs2为12 mm，槽肩角30°.已经从定子尺寸中得到了电机的主要设计尺寸，包括定子外径、定子内径和铁芯长度.转子设计的重点在于槽形和绕组形式，转子为绕线式转子，根据式（2）、式（3）和转子电动势值对转子绕组进行设计.

E1和E2分别为定转子感应电动势值；W1为定子每相串联匝数；W2为转子每相串联匝数；Kw1为定子绕组系数；Kw2为转子绕组系数；Cs2为转子每槽导体数；m2为转子相数；a2为转子并联支路数.因为转子每相串联匝数和每槽导体数必须为整数，在双层绕组中，Cs2还必须是偶数，所以在计算中需要对它们进行取整.

根据以上讨论分析，本次设计的转子槽数初定为33 槽，采用平底槽，槽口宽为1 mm，槽宽b1为11.8 mm，槽底宽b2为2.4 mm，槽口h1为0.5 mm，槽肩角30o，槽身高h2为18 mm.

1.4 定子绕组设计

在对定子绕组进行设计时，选择单层链式绕组，节距为：1～6.该设计具有以下的优势：不存在有层间绝缘，从而使槽的利用率更高［7］；所用到的线圈数量明显少于双层的，便于嵌线操作，同时依据以下公式设计定子绕组.

槽距角：

极距：

分布系数：

短距系数：

式中y 为绕组节距.

在绕组匝间的连接则使用全极方式，三相60°相带，并联支路数1，采用Y 接法.由此得到绕组的连接示意图如图1 所示.

图1 绕组连接图

2 偏航电机Maxwell仿真

将前文计算的电机参数导入ANSYS Maxwell的RMxprt 模块后，对偏航电机额定点性能、不同频率下电机特性、电机瞬态场特性进行仿真分析.

2.1 偏航电机额定点仿真结果与分析

频率为52 Hz 磁路仿真额定点的磁负荷数据如图2 所示，52 Hz 磁路仿真额定点的性能指标如图3所示.可以看出磁负荷分布数据均匀，电机输入功率约3700 W，输出功率达到3140 W，效率达到84.94%，功率因数达到0.81，扭矩为31.13 N·m，转速为963 r/min，基本符合预期目标.

图2 频率52 Hz额定点的磁负荷数据图

图3 频率52 Hz额定点的性能指标图

2.2 不同频率下电机特性仿真

如图4 所示，在频率52 Hz 转速与输出功率的仿真曲线中，随着转速的增大，功率不断上升，在转速达到960 r/min 的时候，功率大约为3000 W，符合电机设计的额定参数.如图5 所示，在频率52 Hz 输出转矩与转速的仿真曲线中，可以看出电机在额定转速附近能够保持恒定转矩输出，结合图4～图7 仿真曲线来看，仿真结果符合设计要求，达到设计预期目标，误差较小.

图4 频率52 Hz转速与输出功率的仿真曲线图

图5 频率52 Hz输出转矩与转速的仿真曲线图

如图6 所示，频率为26 Hz 的转矩与输出功率仿真曲线，在速度不变时，输出转矩明显和输出功率成正比关系.如图7 所示，频率为26 Hz 的转矩与转速仿真曲线中，可以看出该电机在基频以下运行过程中，当转速达到480 r/min 时，转矩仍然可达到37 N·m，完全有能力保持额定转矩下的恒转矩运转.

图6 频率26 Hz转矩与输出功率仿真曲线图

图7 频率26 Hz输出转矩与转速仿真曲线图

图8 频率为75 Hz 转矩与转速仿真曲线，图9 为频率75 Hz 相电流与转速仿真曲线.可以看出在基频以上运行过程中，转速上升的同时相电流在额定电流附近呈减小趋势，输出转矩能力明显降低，电机处于恒功率运行模式，符合设计要求.

图8 频率75 Hz转矩与转速仿真曲线图

图9 频率75 Hz相电流与转速仿真曲线图

2.3 电机瞬态场特性曲线分析

图10 是额定转速点瞬态电磁转矩与时间变化曲线图，图11 为额定转速点瞬态相电流曲线.在转矩曲线中看到计算开始的瞬间，电磁转矩有一个负向转矩冲击，因软件所给的工况是转子在0 时刻前已经被拖至额定转速，然后在0 时刻突然加电.实际中的电机均为从静止升速至额定转速.该计算方法仅以稳定后的转矩数值做参考，前半段计算无真实工况与之对应.

图10 额定转速点瞬态电磁转矩曲线图

图11 额定转速点瞬态相电流曲线图

图12 为瞬态磁场磁感应强度（磁密）分布图，从图中可以看出电机在齿部磁密较高，颜色较深，磁密分布基本合理.图13 为瞬态磁场磁力线分布图，从图中可以看出定转子磁力线分布主要集中在轭部和齿部，相对来说漏磁是比较少的，磁力线的分布基本合理.

图12 瞬态磁场磁密分布图

图13 瞬态磁场磁力线分布图

将RMxprt 的磁路计算结果与有限元分析的结果作横向对比，可以发现在RMxprt 中额定工作点下电机的输出机械扭矩与Maxwell 2D 中转矩曲线最后一个电周期的电磁转矩相比较，扣除风磨损耗和机械损耗（该数值取自RMxprt 设计单），与计算结果接近，能够相互验证，满足设计要求.

3 风电机组交频偏航电机的试验研究

本次试验是依据GB/14711-2004 中小型旋转电机安全通用要求、GB/T 22670-2008 由变频器供电的电动机试验方法标准、GB/T 1032-2005 三相异步电动机试验方法、JB/T9616 Y 系列（IP44）三相异步电动机技术条件、JB/T8680 Y2 系列63-250三相异步电动机和JB-T 56105-1999 三相异步电动机可靠性试验方法［8］，并结合风电偏航电机实际运行工况进行的.

3.1 试验项目与数据

本次试验项目包括：（1）空载特性试验；（2）调速试验；（3）负载试验；（4）可靠性试验.

（1）空载特性试验数据如表1 所示.

表1 空载特性试验数据

（2）变频偏航电机不同频率额定负载下的转矩响应试验：考虑到变频电源对电机的影响，本次测试主要考核了频率在26 Hz、52 Hz、75 Hz 下电机转矩的响应情况，如表2 所示.

表2 变频偏航电机不同频率额定负载下的转矩响应

（3）负载试验：采用直接负载法，以定子电流作为参考来调节负载的大小.试验中保持电压为额定值400 V，电源由电网通过调压器供给.负载试验数据如表3 所示.

表3 负载试验数据

（4）电机可靠性试验：电机在额定负载情况下，进行300 个循环，每个循环过程接通5 min 后，停止2 min.可靠性试验后，电机仍然能正常工作和制动，达到设计要求.

4 结论

根据试验数据以及特性曲线，发现在空载电压为400 V时，电机空载电流为3.23 A，转速达到995 r/min，空载损耗也在允许范围内，符合预期要求；堵转电压为401 V 时，堵转电流为27.8 A，堵转转矩达到64.3 N·m，基本达到设计目标；同时，在负载试验中，当达到额定转矩30 N·m 时，电机转速为905 r/min，功率因数为0.8 左右，表现出优良的负载特性；温升符合F（155）级绝缘要求；在高压和高频工况下，电机转速转矩响应平稳，试验结果与设计计算结果有一定误差，但是在误差允许的范围内满足风力发电机组偏航驱动的要求.