永磁同步风力发电机的设计

1 哈哈尔尔滨滨工工业业大大学学 交流永磁同步电机理论交流永磁同步电机理论 课程报告课程报告 题题 目 永磁同步风力发电机的设计目 永磁同步风力发电机的设计 院院 系系 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 科科 电气工程电气工程 授授 课课 教教 师师 学学 号号 研研 究究 生生 二二 一四年六月一四年六月 2 第 1 章 小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低 体积小 一般没有减速机构 多为直驱型 发电机型式多种多样 有直流发电机 电励磁交流发电机 永磁电机 开关磁 阻电机等 其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用 1 1 小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系 永磁发电机可分为径向 式 切向式和轴向式 1 径向式永磁发电机 径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙 磁通轴线一致且离气隙较近 漏磁系数较切向结构小 径向磁化结构中的永磁 体工作于串联状态 只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通 因此气 隙磁密相对较低 这种结构具有简单 制造方便 漏磁小等优点 径向磁场永磁发电机可分为两种 永磁体表贴式和永磁体内置式 表贴式 转子结构简单 极数增加容易 永磁体都粘在转子表面上 但是 这需要高磁 积能的永磁体 如钕铁硼等 来提供足够的气隙磁密 考虑到永磁体的机械强 度 此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套 内置式转子机械强度较高 但制造工艺相对复杂 制造费用较高 径向磁场电机用作直驱风力发电机 大多为传统的内转子设计 风力机和 永磁体内转子同轴安装 这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好 温度 低 定子外形尺寸小 也有一些外转子设计 风力机与发电机的永磁体外转子 直接耦合 定子电枢安装在静止轴上 这种结构有永磁体安装固定 转子可靠 性好和转动惯量大的优点 缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利 永磁体转 子直径大 不易密封防护 安装和运输 1 表贴式和径向式的结构如图 1 1 a 所 示 3 a 径向式结构 b 切向式结构 1 永磁体2 硅钢片3 轴4 隔磁套5 紧固套 图 1 1 径向式 切向式永磁电机结构图 2 切向式永磁发电机 结构如图 1 1 b 所示 切向式转子磁路结构中 永磁体磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远 其漏磁比轴向式结构 径向式结构要大 但是 在切向式结构中永磁体并联作用 有两个永磁体截面 对气隙提供每极磁通 可提高气隙磁密 尤其在极数较多的情况下更为突出 因此适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机 2 3 轴向式永磁发电机 轴向磁通发电机绕组物理位置被转移到端面 电机的轴向尺寸相对较短 与径向磁场电机相比 轴向磁通电机的磁路长度要 短些 电机中导体电流呈径向分布 这样有利于电枢绕组散热 可取较大电负 荷 其中双定子中间转子盘式结构用得较多 结构如图 1 2 所示 它具有结构 紧凑 转动惯量大 通风冷却效果好 噪声低 轴向长度短 可多台串联等优 点 便于提高气隙磁密 提高硅钢片利用率 缺点是直径大 永磁材料用量大 结构稳定性差 在永磁体结构轴向不对称时 存在单边磁拉力 如果磁路设计 不合理 漏磁通大 在等电磁负荷下 效率略低 1 定子 1 2 转子 3 定子 2 图 1 2 盘式永磁电机定 转子结构图 永磁发电机用于风力发电可以省去电励磁发电机的电刷 滑环等装置 结 构简单 但也需要满足一些特殊的要求 风力发电要求起动风速低 这就要求 永磁电机的定位力矩要尽量小 因此设计时要尽量减小齿槽转矩 另外直驱式 风力发电机工作转速低 极数多 考虑到风力发电机的工作环境 在保证电机 性能的条件下 体积应设计的尽量小 所以定位力矩和性能体积比成为该电机 在设计上的两个主要问题 减小齿槽转矩的方法 大体可以分为两类 采用新型结构电机 如无槽 电机 磁悬浮电机等 在传统结构上进行参数优化 如合理地选取极弧系数 4 采用合适的极槽配合 改变槽开口宽度 或使用磁性槽楔 采用斜槽 斜极 添加辅助槽 磁极偏移等措施 1 2 本文的主要研究内容 本设计主要按照任务书中的要求进行三相永磁同步风力发电机的结构设计 在此基础上进行仿真和优化 选取最佳的设计方案 利用有限元软件分析 探 讨不同参数对电机性能 空载特性 负载特性 齿槽转矩等 的影响 设计的技术要求如下 1 基本参数 额定功率 500 额定功率因数 0 9 额定频率 50 额定转速 200 额定线电压最大值 Y 接 30 电压波形 正弦波 定位力矩 0 2 2 结构参数 最大外径 155 电机长度 240 转子永磁体采用表贴式结构 第 2 章 永磁同步风力发电机的电磁设计 2 1 引言 永磁同步风力发电机 同传统的永磁同步发电机一样 在设计时要重点考 虑固有电压调整率 电压波形畸变率和功率密度等性能 同时 作为直驱式风 力发电机 也需要根据其自身的工作特性考虑其特殊的性能要求 如相电流较 大 定位力矩较小等 如何提高电机的功率密度和减小定位力矩是本次设计的 难点 由于有限元法开发周期较长 所以目前永磁电机电磁设计仍较多采用磁路 法 通过磁路计算 初步确定电机的各部分结构和参数 编写计算程序 并核 5 算其性能 本章的内容就是给出永磁同步发电机的主要结构和关键参数的选取 和确定方式 初步确定电机的各部分尺寸和结构 2 2 发电机主要尺寸的确定 本电机设计采用表贴式内转子结构 由于电机的电磁负荷较大 初选永磁 体牌号为 N38 硅钢片分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片 冷轧硅钢片磁饱和性能 比热轧硅钢片好 因电机的磁负荷比较高 极槽数多 考虑到齿部的饱和问题 选用冷轧硅钢片 牌号为 DW315 50 电机的转轴上不存在交变磁场 只需要 提供足够的机械强度即可 因此材料选为 10 号钢 机壳材料选用密度较小的铝 以减轻电机重量 电枢铜线对电机的性能影响不大 选择常用材料即可 2 2 1 主要尺寸基本关系式 永磁同步发电机的主要尺寸是电枢直径 定子内径 和轴向计算长度 1 与传统电机一样 主要尺寸的基本关系式 2 1 dpii i KKABP nLD 4 1 i 101 6 式中有的量是技术要求给定的 计算电磁功率和转速 或是变化范围不 大的 计算极弧系数 气隙磁场波形系数和绕组系数 可以通过初选电 磁负荷来确定电机尺寸 但在本设计中 因技术要求中给定了电机的直径和长 度范围 因此可直接按照给定的外形尺寸来确定电机的主要尺寸 初定定子外 径 148mm 内径 110mm 轴向长度 170mm 2 2 2 气隙长度的选择 永磁电机的气隙长度是很重要的参数 它不仅影响电机的装配工艺和杂散 损耗 同时对电机的交 直轴同步电抗有影响 为减小过大的杂散损耗 降低 电机的振动和噪声和便于电机装配 永磁电机的气隙长度通常比同规格的感应 电机的气隙大 设计时可参照同规格的感应电机的气隙长度 并做适当修改 本设计中 气隙长度 0 5 2 3 永磁体设计 6 永磁体尺寸包括永磁体轴向长度 磁化方向长度和宽度 轴向长度 取与铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度 磁化方向长度的选取影响 着电机的直轴电抗进而影响电机的许多性能 应使永磁体工作于最佳工作点 过大会造成材料浪费 增加成本 过小会使永磁体易于退磁 而且加工难 度大 废品率增加 宽度的选取关系到每极磁通的大小 的大小与极弧系 数有关 而对电压波形 漏磁系数和齿槽转矩等有重要影响 在本设计中预取永磁体磁化方向长度 极弧系数 永 4 0 77 磁体宽度按转子外径和极弧系数计算得到 8 59 2 4 定子绕组和铁心设计 2 4 1 绕组形式的确定 定子绕组的形式有分布式和集中式 集中式绕组的线圈直接绕在一个齿上 节距 y 1 与分布式绕组相比 不仅降低了绕线的难度 而且端部短 电阻小 铜耗低 可以有效的降低电机的成本和发热 13 在电机极数和相数一定的情况下 定子槽数由每极每相槽数 q 决定 q 可 以为整数也可以是分数 但直驱式风力发电机中 由于电机转速较低 极数较 多 q 取整数会使电机定子槽数过多 这不仅使电机外径增大 还使加工成本 增加 绝缘材料用量增大 降低槽利用率 更重要的是使电机齿槽转矩很大 与此相比 分数槽绕组 q 取分数 本设计中取 q 1 不仅能使电机槽数减少 而 且能有效的减小齿槽转矩 基于以上考虑 本设计中定子绕组采用双层分数槽集中绕组 2 4 2 极槽数的确定 永磁电机中 极槽数的设计对电机的性能有很大的影响 合理的极槽配合 可以保证电机具有较高的绕组因数 能够改善电压波形和减小齿槽转矩 在给定转速和频率的情况下 电机的极对数可由公式 2 2 确定 2 2 n f p 60 定子槽数由每极每相槽数 q 来确定 根据文献 9 为保证集中式绕组的绕 7 组因数大于 0 95 q 的范围为 0 2773 0 4178 电机的槽数 Z 可取 17 37 根据文 献 14 为满足三相对称和短距的要求 选取 Z 36 即电机的极槽数为 30 极 36 槽 经验证 该极槽配合能实现较高的绕组系数和较小的齿槽转矩 2 5 电机的路算结果 按以上原则选取电机的主要参数后确定电机结构并核算性能 得到电机的 路算结果见表 2 1 2 4 表 2 1 电机重要尺寸表 mm 表 2 2 主要结构参数表 表 2 3 电机主要电磁负荷表 表 2 4 电机性能参数表 极弧系数0 77 每极每相槽数0 4 绕组因数0 933 绕组每相串联匝数60 每槽导体数10 并联支路数1 槽满率 64 9 转子外径110 定子外径148 定子内径111 气隙长度0 5 轴径40 转子铁心长度170 定子铁心长度170 电流密度 24 148 电负荷 A cm139 981 气隙磁密 T0 809 齿磁密 T1 777 定子轭磁密 T1 564 转子轭磁密 T0 305 永磁体磁密 T0 993 每相绕组电阻0 142 每相绕组漏抗0 282 永磁体空载工作点0 855 0 14 5 永磁体负载工作点0 843 0 15 7 空载励磁电势 线 max V 41 392 输出电压 线 max V31 225 定子铁耗 W51 263 绕组铜耗 W75 556 总损耗 W185 81 输出功率 W541 682 效率 72 404 8 第 3 章 永磁同步风力发电机的有限元分析 3 1 分析模型的建立 根据第 2 章电磁设计中确定的方案建立电机的二维电磁场分析模型 对电 机的静态磁场和瞬态磁场进行分析 由于电机结构沿轴向是对称的 因此只建立二维模型进行分析 按几何对 称性 电机的结构可分为若干个周期 本电机为 30 极 36 槽 可分为 6 个周期 为了缩短 Maxwell 2D 运行时间 本文对电机的 2 个周期进行建模分析 所建立 模型如图 3 1 所示 图 3 1 永磁同步发电机有限元仿真模型图 3 2 静态场分析 图 3 2 为电机的磁力线分布图 显然 磁力线对称且径向分布 相邻磁极 间的磁力线构成磁流通路径 相邻两个磁极间有一定的漏磁 但由于极弧系数 不是很大 磁极间距比较远 漏磁较少 图 3 2 有限元分析磁力线图 图 3 3 为 1 个周期 5 极 6 槽 内磁通密度沿圆周方向分布曲线 最大磁密 为 1 0727T 平均磁密 0 7881T 与路算的结果 0 809T 相比 误差 2 7 在 9 10 以内 由于定子开槽形的影响 导致了气隙磁阻不均匀 经过定子齿部路 径的磁阻要小于经过槽部路径的磁阻 因此 更多的磁力线沿着磁阻小的路径 进入定子齿 而进入槽的磁力线就相对要少得多 由此导致了气隙磁密在接近 齿的地方幅值高 接近槽的地方幅值低 020406080100120 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 B T Distance mm 图 3 3 圆周方向气隙磁密曲线 3 3 瞬态场分析 3 3 1 空载磁场分析 空载运行是同步发电机最简单的运行方式 其气隙磁场由转子磁势单独建 立 通过空载特性我们可以了解到电机的磁路设计的是否合理 图 3 4 为电机额定转速下空载反电势相电压波形曲线 分析其波形畸变率 在后处理计算器中得到线电压波形并进行傅立叶分解 得到各次谐波含量和大 小如图所示 可以看出电机空载感应线电压基波幅值为 27 5V 有效值为 19 45V 路算结果 18 37V 与场算误差 5 6 但是电压波形的正弦度并不好 畸变率 7 41 05101520 30 20 10 0 10 20 30 E0 V t ms 10 图 3 4 额定转速下空载反电势波形图 齿槽转矩波形如图 3 5 所示 齿槽转矩最大值 1 91 0246810 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 TC Nm deg 图 3 5 齿槽转矩波形图 漏磁系数是指电机中永磁体提供的总磁通与进入电枢的气隙主磁通的比值 它反应的是永磁体向外电路提供的总磁通的有效利用程度 漏磁通相对较大时 永磁体的利用率就差 该永磁风力同步发电机是径向结构电机 漏磁系数可通 过下式进行计算 3 1 43 21 m AA AA 式中 分别为图 3 6 中节点 1 2 3 4 处的磁矢位 1 2 3 4 图 3 6 电机冲片图 根据该方法求得电机的漏磁系数 1 06687 利用 Maxwell 2D 软件的场计算器还可以得到额定转速时空载气隙磁密以 及定 转子齿和轭的磁密 甚至电机内部任意一点的磁场参数 结果见表 3 1 3 3 2 负载磁场分析 11 电机负载运行时 绕组中电流不再为零 电枢绕组电流产生的电枢磁动势 会影响气隙磁场的分布和大小 图 3 7 3 9 为发电机负载运行时的分析结果 可以得到电机平均转矩 34 34N m 额定输出相电流基波幅值为 19 885A 额定 电压 31V 平均输出功率为 533 818W 在额定负载下 该直驱永磁同步风力同 步发电机能够输出额定的电压及功率值 发电机负载性能的场算结果与路算结 果对比见表 3 1 图 3 7 额定负载电机转矩图 图 3 8 额定负载相反电势波形 图 3 9 额定负载相电流波形 12 表 3 1 路算与场算结果对比 场算结果路算结果 气隙磁密 T 0 78810 809 定子齿磁密 T 1 7541 777 定子轭磁密 T 1 5261 564 空 载 空载线电压基波最大值 V 40 6641 392 负载线电压最大值 V 3131 225 负载相电流最大值 A 19 88520 031 平均功率 W533 818541 682 负 载 效率 74 272 404 可以看出 电机的场算结果和路算结果接近 在允许误差范围内 说明路 算结果较为准确 总 结 本文对一台直驱式永磁同步