直驱式永磁同步风力发电机性能研究

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1、直驱式永磁同步风力发电机性能研究沈阳鼓风机集团风电有限公司辽宁沈阳110869摘要：现代风力发电技术的发展趋势为一是无刷化，二是采用取消增速机构的风力机肓接驱动低速发电机，其中最典型的是肓接驱动永磁风力发电机。木文以输出功率1.5MW,转速为20r/min,120极378槽的内置式直驱永磁风力发电机为例，通过场路结合法分析了发电机在空载、额定负载、短路情况下的运行性能。最后比较和分析了极弧系数、负载变化以及每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响，为今后电机参数优化提供理论依据。关键词：直驱式；永磁同步风力发电机；性

2、能刖S永磁直驱同步风力发电机是由风力直接驱动发电机进行发电，亦称无齿轮风力发电机。这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和易过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的宜驱式风力发电机，具备高效率、低噪声、高寿命、体积小、维护成木低等诸多优点。一、永磁同步风力发电机运行性能分析采用RMxprt软件对功率为1.5MW的直驱式永磁风力发电机进行设计，确定电机尺寸为：定子外径3620mm,定子内径3324mm,转子外径3182mm,铁心长度1140mm

3、,永磁体材料为Nd-FeB,永磁体厚度25mm,气隙长度6mmoRMxprt软件得到的永磁风力发电机的性能指标列于表1。1、空载特性图1给出用Maxwell2D软件得到的转速为20r/min时的空载相电压波形，其空载线电压为1194.9V,而用RMxprt软件计算的空载基波感应电压为1021.9V,两者差值是由于其它次谐波所造成的。图2所示为空载电压的谐波分量分布情况，3次谐波为其谐波中最大，总谐波畸变THD为11.91%,可以采取优化永磁体形状等一些设计方案来降低THD。空载齿槽转矩如图3所示，表明120极378

4、槽设计方案的齿槽转矩脉动小，风机叶片的转速脉动也随之减小。图4给出了空载时的磁力线分布情况，可以看到磁力线合理地分布于定子齿部和转子觇部内，永磁体间漏磁很小，定子齿部磁密较大。2、额定负载特性为了分析风力发电机在额定状态下的运行性能，在用场路结合法进行分析时可以暂不考虑功率逆变器电路。仅考虑额定电阻性负载(0.3174Ψ)吋的电压方程。永磁发电机的电压方程为其中：Ra为每相电阻；LI为线圈端部漏电抗；Ea为每相绕组的反电动势，Rload为负载电阻；la为相电流；Rloadla是由永磁发电机产生的输出电压。将

5、负载电阻Rload与每相输出端相连，负载连接方式为星形。图5所示为额定负载时的相电压、相电流和输出功率波形。从图中可知输出功率接近系统所要求的指标。图6所示为额定负载时的电压谐波分量情况，与空载电压谐波分量对比可知，额定负载吋的3次谐波大大减少。图7给出了额定负载吋的磁力线分布，与空载情况相比，其磁力线在定子齿部和转子辘部内分布变形增大，永磁体间漏磁增大。3、短路特性发电机在额定运行时，在发电机绕组的电流密度允许范围内发电机可以有瞬间的短路电流发生。在短路故障发生时，电枢磁场就会对永磁体产生强烈的去磁效应，由于发电

6、机的极数较多，各磁极之间距离较近，所以，发电机突然短路，其短路电流的瞬间幅值Im可达额定电流值的20倍，三相短路吋的短路电流波形如图8所示。图9为短路时的磁力线分布情况，可以看到定子齿部磁密变大。4、每极每相槽数对输岀电压影响因为直驱式永磁风力发电机转速低、极数多，电机外径又不能太大,为了提高绕组占槽面积，又不宜采用太多的槽数，故定子釆用分数槽双层短距绕组，这样既减少永磁发电机的体积，又削弱由非正弦波分布的磁场感应电势中的谐波分量和齿谐波电势。分数槽绕组每极每相槽数可以表示为其中：Z为定子槽数；p为极数；m为相数。

7、下面分两种情况来讨论每极每相槽数q<l和q>l对输出电压谐波分量影响。第一种情况：当极数相同槽数不同时的q<l和q>l对输出电压影响。120极/378槽(q>l)与120极/342槽(q<l)的输出电压波形及其谐波分量对比分别如图10、图11所示。由图可见，对于极数相同槽数不同情况，它们的输出电压的波形和谐波分量几乎一样，这说明在槽满率、齿部密度、轨部密度以及每槽导体数基本相同的条件下，极数相同槽数不同时的q<l和q>；l对输出电压的影响具有相似性。第二种情况：当槽数相

8、同极数不同时的q<l和q>l对输出电压影响。120极/378槽(q>l)与144极/378槽(q<l)的输出电压波形及其谐波分量对比分别如图12、图13所示。由图可见，对于槽数相同极数不同情况,它们的输出电压的波形和谐波分量发生明显变化。由于极数发生变化，输出电压的周期发生变化，144极/378槽(q<l)中3次及3次以上谐波都