某型号永磁风力同步发电机设计可行性分析

张 俊，欧金生，张宇舟

应用研究

某型号永磁风力同步发电机设计可行性分析

张 俊1，欧金生2，张宇舟1

（1. 湖南高创新能源有限公司，长沙 410006；2. 湘潭电机股份有限公司海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南湘潭 411101）

本文以某型号永磁风力同步发电机为例，根据发电机技术参数要求设计出合理的冲片、定子绕组、气隙、转子磁路、永磁体等结构，并对电磁方案设计结果进行分析，最后还进行了电磁仿真分析研究，分析结果表明该电磁设计符合设计要求。另外本论文还对转子冲片强度进行了有限元分析，结果表明该转子冲片强度能够满足要求。

永磁同步风力发电机 电磁设计 Ansoft Maxwell2D 冲片强度

0 引言

随着世界能源资源的消耗，新能源的开发越发重要，风电能源的研究成为重点。我国风电资源充足，一直都将保持高速发展。风力发电机主要包括双馈型风力发电机、直驱式永磁风力发电机和半直驱式永磁风力发电机。我国的兆瓦级直驱和半直驱永磁风力发电机与国外任然存在一定的差距[1-3]。

国内很多人进行了较为深入的研究工作，本文以某型号永磁风力同步发电机为例，根据发电机技术参数要求设计冲片、定子绕组、气隙、转子磁路、永磁体等的结构，并对电磁方案设计结果进行分析。

1 电机技术方案

1.1 技术参数

该永磁同步发电机技术参数具体如表1所示。

表1 技术参数

1.2 定子冲片设计

定子冲片为扇形片，1/6整圆，192槽，冲片主要尺寸及槽型尺寸如图1所示。定子外径实际为2 165 mm，考虑冲片外圆布置有水冷管道轴向通孔，磁路计算时，取定子等效外径为2 145 mm。

图1 定子冲片图

1.3 定子绕组设计

定子采用6相双Y移30°绕组，16极，定子绕组的具体参数如表2。

表2 定子绕组参数

1.4 气隙值选取

在定子参数及定子尺寸确定的前提下，气隙值的选取主要考虑其对波形畸变率、电压调整率、同步电抗、漏磁系数、杂散损耗及永磁体用量的影响。本电机定子为开口槽，定子铁心未斜槽，定子绕组为整数槽，转子斜极在装配上较难实现。因此，定子齿谐波的控制只能靠增大气隙值和调节极弧系数的方法。气隙的增大可减小电机电枢反应，降低电压调整率。本电机定子绕组为多路并联，较大的气隙可降低气隙偏心造成的各支路反电势不平衡。气隙增大还可减小定、转子铁心表面高频涡流损耗。综合考虑上述因素，并参考同类型电机，本电机气隙值选取较大值7 mm。

1.5 转子磁路结构

转子磁路结构主要有表面式和内嵌式两种。就本电机来说，表面式结构的永磁体内会产生相对较大的涡流损耗，导致永磁体温度过高，磁性能下降，输出电压过低等问题。另外，本电机转子外径较大，表面式结构磁极的固定也较为困难。内嵌式结构的漏磁系数相对较大。但其转子极靴可有效保护永磁体，永磁体内产生涡流损耗相对很小。铁心采用叠片结构后，表面损耗可下降到较低的水平。内嵌式可分为径向式、切向式和混合式三种。考虑到磁极装配的工艺成熟性，本电机采用径向内嵌式结构，常用的径向内嵌式结构如图1所示。本电机转速相对较高，磁极离心力在隔磁桥处产生较大的应力，超过冲片材料允许的限值。为解决该问题，在磁极冲片永磁体槽中间位置增加了加强筋，如图3所示。该加强筋虽增大了电机的漏磁系数，但大大降低了隔磁桥处的应力水平。

图2 常用径向内嵌式结构

图3 改进径向内嵌式结构

1.6 永磁体

在电机转子基本尺寸已限定的前提下，永磁体的布置空间有限。因此永磁体选用高磁性能的钕铁硼材料，具体参数如下：

表3 永磁体参数

1.7 电磁方案设计结果分析

经空载、额定负载、损耗效率计算，从计算结果可以看出，发电机的输出性能、效率、电压调整率、最大电压值都能满足技术指标的要求。本发电机的负载形式为发电机经不可控整流、升压、逆变后输出，且发电机的功率因数（0.95）不可调节，此外电枢反应为去磁性，所以永磁体的空载工作点设计值相对较高（0.83），而该目的是提高发电机的抗去磁能力、过载能力和降低电压调整率。

2 电机电磁场仿真分析

2.1 空载工况的电磁场仿真分析

根据电磁设计方案结果，在Ansoft Maxwell2D软件中的瞬态场建立了电机仿真模型，对电机空载工况下电磁场及输出性能进行了仿真分析。根据对称性，建立发电机1/16仿真(模型如图4)。以额定转速410 r/min为例，进行空载工况的电磁场仿真分析[4-6]，其结果如图5～8所示。

图4 空载仿真模型图

图5 一极距下气隙磁密波形

图6 空载相电压波形

图7 空载线电压波形

图8 空载相电压波形分解频谱

由图5空载气隙磁密波形可以看出定子开槽对气隙磁密波形影响较大，其主要是原因为发电机的定子槽口尺寸与气隙的比值偏大。由图6可看出空载相电压基波幅值为658 V，有效值为465 V，空载线电压基波有效值为805 V，与电磁计算结果一致，验证了磁路计算的准确性。从图7、8可以看出，相电压波形中谐波主要为3次及3的倍数次、23次和25次。本文电机定子绕组为“Y”接法，3次及3的倍数次谐波在线电压波形中可消除。23次和25次为齿谐波，对空载线电压的波形畸变率影响较大，经计算可得空载线电压的波形畸变率为4.4%（实际值一般比计算值略高，经验估计在4.8%左右），但仍满足技术参数中≤5%的要求。

2.2 额定负载工况下的输出性能仿真分析

发电机经不可控六相桥式整流后输出。根据发电机的负载形式，建立了负载仿真电路（如图9），对额定负载工况下发电机的输出性能进行了仿真分析，分析结果如图10～16所示。

图9 发电机负载电路图

图10 发电机整流后直流电流波形

图11 发电机整流后直流电压波形

图12 发电机负载相感应电压波形

从图10、图11中可以得出：直流侧电压为920 V，电流为3 450 A，输出功率为3 200 kW，达到了发电机额定输出功率，达到了发电机额定输出功率。

图13 发电机负载线感应电压波形

从图12、图13中可以得出：发电机额定负载时相感应电压基波有效值为407 V，线感应电压基波有效值为705 V，符合设计要求。

图14 定子铁心损耗

图15 永磁体涡流损耗

从图14、图15中可以得出：发电机额定负载时定子铁心损耗为10.5 kW，永磁体内涡流损耗为1.5 kW，符合设计要求。

从图16中可以得出，发电机额定负载的转矩脉动约为2.4%，略高于技术指标2%的要求，但不影响电机的性能。

2.3 电磁仿真结果分析

空载工况的电磁场仿真分析和额定负载工况下的输出性能仿真分析可看出本电机电磁方案设计合理，电机各性能指标（除转矩脉动略有超标外）均能满足使用要求。

图16 发电机额定负载转矩波形图

3 转子冲片机械强度计算

本文电机转速相对较高，磁极离心力在隔磁桥处产生较大的应力，为了分析该应力是否超过材料极限值，本文对转子冲片结构进行有限元分析。采用实体建模，取转子铁心的1/16（一个磁极模型），轴向厚度为55 mm的模型进行计算，模型包括永磁体和磁极冲片，如图17所示，计算时按最高转速491 r/min进行，计算结果如图18所示。

图17 计算模型图

从图18中可以得出：冲片最大应力为185 MPa，为局部应力，且为压应力；冲片加强筋处的最大应力为113 MPa，隔磁桥处的最大应力为142.5 MPa，均为拉应力。冲片材料的抗拉强度为380 MPa，满足使用要求。

图18 磁极应力分布图

4 小结

本文对某型号永磁风力同步发电机的电磁设计方案进行了深入的分析研究。从仿真分析计算的结果来看，除转矩脉动略有超标外（但不影响电机性能），发电机能够达到技术要求规定的各项性能指标要求，另外本论文还对转子冲片强度进行了有限元分析，结果表明该转子冲片强度能够满足要求。

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Feasibility analysis of permanent magnet synchronous wind generator design

Zhang Jun1, Ou Jinsheng2, Zhang Yuzhou1

( 1. Hunan High Innovation Energy Co. LTD, Changsha 410006, Hunan, China; 2. Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiangtan Electric Manufacturing Corporation Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China )

TM351

A

1003-4862（2022）07-0019-05

2022-04-07

湖南省科技创新计划项目（项目编号：2021GK2019）

张俊（1985-），男，硕士研究生，研究方向：机械结构设计及其仿真分析。E-mail: 448637393@qq.com