WM级永磁直驱风力发电机关键参数设计研究

刘志华 李志平 彭双光 陈倩如

摘要：永磁直驱风力发电机与双馈风力发电机相比没有增速齿轮箱故障率低，电机功率高，因此成为风力电机发展的趋势。结合大型永磁直驱风力发电机结构特点进行参数计算、定子齿槽和转子磁极结构选择。

关键词：永磁直驱;风力发电机;参数设计

0.引言

风能作为一种洁净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。风力发电机组是风电系统的核心，随着海上风电兴起，风电正朝着单机大容量方向发展[1]。按照励磁方式可分为交流励磁的双饋风力发电机和永磁风力发电机。当前主流的MW级风力发电机有两种：高速交流励磁的双馈风力发电机和低速直驱永磁同步风力发电机[2]。

1.永磁直驱风力发电机的优势

异步双馈风力发电机是高速交流双馈风力发电系统的核心部件，其定子绕组与电网相连，转子绕组通过变流器相连电网。电枢绕组通过变流器获取交流电流进行励磁，定转子均可向电网反馈电能。风力机的转速很低一般小于20r/min，双馈风力发电机的前面往往需要一个三级增速齿轮箱来将风力机的输出转速提高至1000r/min以上。永磁直驱风力发电机则是去掉了增速齿轮箱将风力机与发电机直接相连，同时使用永磁体作为磁源代替励磁绕组。 增速齿轮箱故作为复杂的机械传动系统故障率很高，一旦发生故障将影响整个风力发电机组的运行。增速齿轮箱需要定期润滑保养和维护，增加了整个风电系统的运维成本。永磁直驱式风电机组一方面无增速齿轮箱和励磁绕组，结构简单性能更加可靠维护成本低，另一方面，使用全功率变流器，输出电能谐波含量较少而且低压穿越能力较强。因此永磁化、直驱化是现在风力发电机发展的趋势，也是许多专家学者研究的重点。

2.WM级永磁直驱风力发电机关键参数设计

2.1定子内径和电枢铁芯长度

电机电枢的直径与长度是决定电机尺寸的两个参数。交流电机电枢直径是其定子内径[3]。电机电枢直径和长度确定后，电机的其他尺寸参数就基本可以确定了。其主要尺寸参数的计算公式可以参考水轮发电机为：。

P′为电机的电磁功率，电机的主要尺寸参数与，电磁功率有着密切的联系，在电机设计中一般将电机的电磁功率用其计算功率表示;KNm是电机气隙磁场的波形系数，是气隙磁场波形有效值和平均值得比。在进行电机设计计算时，假设双定子电机内外气隙磁场均为正弦波此时KNm=1.11; 是电机的计算弧极系数，是电机气隙磁密平均值与最大值的比值，当电机铁心饱和系数为无穷大时，气隙磁场磁密呈正弦波分布，在电机主要尺寸参数计算时一般考虑到电机铁心的饱和因素，将计算弧极系数定为0.64—.71左右;Kdp电机定子的绕组系数，一般可以用其基波绕组系数Kdp1表示。可以根据选定的电机绕组类型、槽数和节距计算出来。在进行绕组设计前，为方便进行尺寸参数计算，对于双层短距绕组其基波绕组系数可以设为0.92，单层绕组设为0.96左右;A是线负荷，是沿电枢圆周单位长度上的安培导体数。主要与电枢绕组的电流值和电枢绕组的总导体数有关;为电机气隙磁通磁密最大值;lef电机电枢铁心长度，D电机的定子内径。

确定了上述的一些电机参数值后，依据电机主要尺寸计算公式得出 的值，可以设计的电机外形结构确定尺寸比。将电机设计的细长则lef较大，D较小，可以使电机绕组端部变短，电机端部材料用量减少，提高了电机绕组的利用率，可以降低电机成本。由于电机端部长度减小，端部的漏抗会减小。电机的端部铜耗减少，电机的总损耗会减低，电机的效率将提升。但是由于电机细长，在使用强迫风冷分电机冷却方案时，冷却风路会变长导致冷却效果不佳，特别是在电机开轴向通风道时会使电机轴向温度分布不均匀。同时电机设计得细长，电机定转子铁心所需的冲片会增加，是电机冲片叠压和冲剪所需的工时增加，同时因为定子铁心直径小，下线难度增加。细长的电机转子的转动惯量和圆周速度小，这对于高速电机选用较小的主要尺寸比是非常有利的。但对于永磁直驱风力发电机，电机转速很低转子离心力较小。同时一般随电机极数的增加而增大，大型永磁直驱风力发电机转速很低，电机级速多，采用开轴向通风道的冷却方案电机轴向温度分布要求严格，应该设计成粗短的形状。对于大型永磁直驱风力发电机国内大多风电装备生产厂家一般取值为7-7.5。以一台额定功率为3.5WM 的永磁直驱风力发电机为例，经过上述计算后可以选取电机定子内径为3525mm，电机定子铁心长度值为1350mm。

2.2定子槽和绕组的设计

在电机的极数和相数确定了后，电机定子的槽数就主要有每极每相槽数q来决定。每极每相槽数对电机的损耗、温升、绝缘材料的使用量都有影响。对于永磁直驱风力发电机的多极多槽的大型电机，考虑到减少电势波形的谐波提高波形正弦度和降低齿槽转矩一般使用分数槽。大型风力发电机因为功率很大，线圈的主绝缘在下线一起就要用绝缘胶布包扎好并经过了浸烘处理对绝缘要求很高，所以使用开口槽。对于大型交流电机一般使用双层绕组，WM级风力发电机使用双层短距叠绕组的定子绕组类型，叠绕组可以减小电机绕组端部长度节约材料，同时采用分数槽来削弱齿谐波电动势。选择短距可以有效的削弱定子绕组中的某一次谐波，三相电机中仅含有奇次谐波，电机定子绕组采用星型连接方式在电机负载后定子绕组中的3次谐波将会相互抵消，因此定子绕组中最大的是5、7次谐波，使用短距绕组可以有效的减少绕组中的5、7次谐波分量。

2.3电机的气隙和电磁负荷

2.3.1气隙

电机气隙的长度大小对电机气隙磁密有着直接的影响。如果气隙值设计得太大就会使电机漏磁系数变大，使永磁体的利用率降低，提高电机的效率。较小的气隙值，可以提高电机永磁体的抗去磁能力，降低电机的空载电流提高功率因数。但气隙也不能太小，小的气隙会增加电机生产和装配的工艺难度，对电机的机械可靠性也会有影响，使电机气隙谐波含量增加，导致电机谐波转矩和附加损耗增多，造成电机的温升增加噪音增大。

2.3.2电磁负荷

电机电磁负荷主要指其气隙磁密和线负荷A的值，电磁负荷值得选取影响电机的永磁体、铜线等材料的使用量，进一步影响电机的生产成本，同时还对电机的性能参数和运行性能有影响。当气隙磁密值不变，电机定子绕组线负荷A取值增大。可以减小电机的体积与尺寸，节约材料。电机定子铁心变小在气隙磁密一定时可以减小电机的铁耗。但是线负荷变大会导致电机定子绕组匝增加，用铜量增多，同时会使电机铜耗变大，提高定子绕组温升。当线负荷A的值不变，提高电机气隙磁密时，电机的尺寸和电枢铁心的重量将会变小，因为电机单位重量铁心的损耗与气隙磁密的平方成正比，随着气隙磁密的增加，电机铁耗增加的速度比定子铁心重量减小的速度要快，因此电机铁耗会增加，效率降低，在电机冷却条件不变的情况下，电机发热变大。对于永磁直驱风力发电机使用变速恒频的控制方式，线负荷A和气隙磁密的比值应该取较大值，这样可以使电机的特性变软，有利于进行调速控制。3.5WM的永磁直驱风力发电机为例线负荷A取625A/cm左右气隙磁密取1.15T较为合适。

2.4电机的转子结构

永磁同步发电机与电励磁同步发电机转子结构相似，主要区别在于永磁同步发电机使用永磁体代替励磁绕组作为磁源。永磁同步电机的转子结构多种多样，有很多不同的分类方法。按照永磁体在电机转子上安放的位置不同，可以分为表面式和嵌。

表面式转子磁极结构永磁体直接面对空气，永磁体将直接受到电枢反应去磁作用的影响，对永磁体的磁稳定性要求较高。但是表面式转子磁极结构可以提高电机气隙磁密，而且永磁体加工工艺简单安装方便，永磁体抗离心力能力较差在高速时可能会造成永磁体脱离转子铁心，因此这种结构适合用于低速电机。嵌入式结构将永磁体放置在转子铁心内部，其抗去磁和离心力作用能力较强，但电机的漏磁较大，加工制造工艺比较复杂，一般用于中高转速电机。

3.结束语

本文介绍了电机主要尺寸参数之间的关系和电磁负荷的选择;以一台3.5WM的电机为例计算设计了电机定子内径、电机铁芯长度、气隙;选定了合适的定子槽形、电枢绕组和转子结构完成了电机初步的电磁设计。对大型永磁永磁直驱风力电机的设计有一定的参考作用。

参考文献

[1]王秀强.风电行业发展图鉴：跌宕起伏十年，行稳致远[J].能源，2018，45（6）：136-141

[2]唐西胜，苗福丰，齐智平，等.风力发电的调频技术研究综述.中国电机工程学报[J].2014，34（5）：4303—4311

[3]王凤翔.永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向.电工技术学报[J].2012，27（3）：12—22

基金项目：湖南铁路科技职业技術学院科研项目（编号：HNTKY-KT2021-5）

作者简介：刘志华（1992—）男，湖南益阳，硕士，研究方向：特种电机设计及其控制。