ANSOFT在直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中的應(yīng)用
張岳
(遼寧科技學(xué)院，遼寧本溪117022)
摘要：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多、體積大的特點，為了充分利用發(fā)電機的勝能，在發(fā)電機體積相同的情況下，利用ANsOFT軟件，合理選擇發(fā)電機定子槽數(shù)和極數(shù)，為永磁發(fā)電機的性能指標優(yōu)化提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機；電磁設(shè)計；風(fēng)力發(fā)電機
O引 言
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越被人們所關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電更是受到人們的重視。大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般都采用增速機構(gòu)將風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速提高后再驅(qū)動發(fā)電機，然而，采用多級齒輪的機械運動，不僅增加了振動和噪聲，而且由于潤滑系統(tǒng)和機械磨損需要定期維護，增速機構(gòu)成為風(fēng)電機組故障率較多的薄弱環(huán)節(jié)。目前現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢是無刷化和采用取消增速機構(gòu)的風(fēng)力機直驅(qū)低速發(fā)電機，其中最典型的是直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機。永磁發(fā)電機的優(yōu)點是不需要電勵磁，可實現(xiàn)無刷化，無勵磁損耗，因而效率高，同時由于永磁體可提高氣隙磁通密度，因而可提高電機的功率密度。雖然發(fā)電機成本增加，但對于降低機組的振動噪聲和提高運行可靠性有著重要意義。本文以1. 5 Mw直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機為例，提出幾種定子槽數(shù)和極數(shù)配置的設(shè)計方案，給出該種電機****設(shè)計方案，為今后系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
1控制策略
1．1系統(tǒng)描述
直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。變漿距風(fēng)輪機直接耦合永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機輸出由不可控整流后，由電容濾波，再經(jīng)逆變器將能量饋送給電網(wǎng)。由于采用不可控整流，所以恒頻恒壓輸出的任務(wù)完全通過逆變器完成。由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速非常低，這樣發(fā)電機體積較大、成本較高。因此其發(fā)電機的外形有別于傳統(tǒng)電機細長的外形，為直徑大而軸向長度短的結(jié)構(gòu)。
1 2設(shè)計方案的確定
RM xpn是Ansoft軟件中的一個模塊，它是旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計軟件，用于單相和三相感應(yīng)電機、直流永磁無刷電動機、永磁同步電動機、永磁調(diào)速同步電動機、直流永磁發(fā)電機、開關(guān)磁阻電機和三相同步發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機、交直流兩用電機、全壓起動永磁同步電動機等11種電機的設(shè)計，通過它可以快速從多種設(shè)計方案中，找出比較滿意的電機設(shè)計方案和初始尺寸。
本文首先根據(jù)同類規(guī)格電機的參數(shù)初步選定設(shè)計方案，在RM xprt的集成用戶界面中輸入定子、轉(zhuǎn)子和鐵心的幾何形狀、繞組結(jié)構(gòu)、材料特性和機械負荷數(shù)據(jù)，程序運行后便得到了電機在穩(wěn)態(tài)、無負荷、堵轉(zhuǎn)、故障、額定電流、轉(zhuǎn)矩和效率等曲線和參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)和曲線評估設(shè)計方案的優(yōu)劣后再次返回用戶界面進行調(diào)整設(shè)計，如此反復(fù)，最后得到了一個較滿意的設(shè)計方案。
1 3設(shè)計參數(shù)的選定
本文所討論1．5 Mw的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求為20 r／min，轉(zhuǎn)速很低，風(fēng)力發(fā)電機的頻率應(yīng)不低于20 Hz，從頻率與極數(shù)的關(guān)系式，f=pn/60中可知，頻率與極數(shù)成正比，選取合適的極數(shù)，可以縮小發(fā)電機的體積，減輕其重量，綜合考慮選擇120～150極之間進行沒計。
又因電機轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，電機外徑不能太大，定子槽數(shù)有限，需要采用適當?shù)臉O數(shù)和槽數(shù)配合，故定子采用分數(shù)槽繞組，這樣既減少定子外徑尺寸，縮小永磁發(fā)電機的體積，又削弱由非正弦波分布的磁場感應(yīng)電勢中的諧波分量和齒諧波電勢。
本文采用三相徑向式永磁體多極多槽分數(shù)槽的電磁設(shè)計方案，利用RM xprt軟件分析設(shè)計。表1給出了在相同極數(shù)條件下的槽滿率、齒密、軛密、負載線電壓、輸出功率基本符合設(shè)計要求時，各極數(shù)與定子槽數(shù)不同匹配對系統(tǒng)性能的影響。從表中可看出，當極數(shù)相同時隨著槽數(shù)的增加銅耗隨之增加而效率隨之減少；當槽數(shù)相同時隨著極數(shù)的增加銅耗隨之增加，而效率隨之減少。
在表l中極數(shù)為120、槽數(shù)為378時，發(fā)電機的銅耗、效率、齒槽轉(zhuǎn)矩相對比較合理，又滿足功率輸出，應(yīng)該為一個****可行的極數(shù)和槽數(shù)配置。圖2～圖5給出此時由RM xpr[生成的設(shè)計方案的性能曲線.
永磁體尺寸受轉(zhuǎn)子等其它結(jié)構(gòu) |
