ANSOFT在直驅式永磁風力發電機設計中的應用
張岳
(遼寧科技學院，遼寧本溪117022)
摘要：根據風力發電系統中永磁發電機轉速低、極數多、體積大的特點，為了充分利用發電機的勝能，在發電機體積相同的情況下，利用ANsOFT軟件，合理選擇發電機定子槽數和極數，為永磁發電機的性能指標優化提供依據。
關鍵詞：永磁同步發電機；電磁設計；風力發電機
O引 言
風能作為一種清潔的可再生能源，越來越被人們所關注，風力發電更是受到人們的重視。大型風力發電系統一般都采用增速機構將風力機的轉速提高后再驅動發電機，然而，采用多級齒輪的機械運動，不僅增加了振動和噪聲，而且由于潤滑系統和機械磨損需要定期維護，增速機構成為風電機組故障率較多的薄弱環節。目前現代風力發電技術的發展趨勢是無刷化和采用取消增速機構的風力機直驅低速發電機，其中最典型的是直驅式永磁風力發電機。永磁發電機的優點是不需要電勵磁，可實現無刷化，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直驅式永磁風力發電機為例，提出幾種定子槽數和極數配置的設計方案，給出該種電機****設計方案，為今后系統參數優化奠定基礎。
1控制策略
1．1系統描述
直驅式永磁風力發電系統示意圖如圖1所示。變漿距風輪機直接耦合永磁同步發電機的轉子，發電機輸出由不可控整流后，由電容濾波，再經逆變器將能量饋送給電網。由于采用不可控整流，所以恒頻恒壓輸出的任務完全通過逆變器完成。由于直接耦合，永磁發電機的轉速非常低，這樣發電機體積較大、成本較高。因此其發電機的外形有別于傳統電機細長的外形，為直徑大而軸向長度短的結構。
1 2設計方案的確定
RM xpn是Ansoft軟件中的一個模塊，它是旋轉電機設計軟件，用于單相和三相感應電機、直流永磁無刷電動機、永磁同步電動機、永磁調速同步電動機、直流永磁發電機、開關磁阻電機和三相同步發電機、永磁同步發電機、交直流兩用電機、全壓起動永磁同步電動機等11種電機的設計，通過它可以快速從多種設計方案中，找出比較滿意的電機設計方案和初始尺寸。
本文首先根據同類規格電機的參數初步選定設計方案，在RM xprt的集成用戶界面中輸入定子、轉子和鐵心的幾何形狀、繞組結構、材料特性和機械負荷數據，程序運行后便得到了電機在穩態、無負荷、堵轉、故障、額定電流、轉矩和效率等曲線和參數。根據這些參數和曲線評估設計方案的優劣后再次返回用戶界面進行調整設計，如此反復，最后得到了一個較滿意的設計方案。
1 3設計參數的選定
本文所討論1．5 Mw的直驅式永磁同步發電機的轉速要求為20 r／min，轉速很低，風力發電機的頻率應不低于20 Hz，從頻率與極數的關系式，f=pn/60中可知，頻率與極數成正比，選取合適的極數，可以縮小發電機的體積，減輕其重量，綜合考慮選擇120～150極之間進行沒計。
又因電機轉速低、極數多，電機外徑不能太大，定子槽數有限，需要采用適當的極數和槽數配合，故定子采用分數槽繞組，這樣既減少定子外徑尺寸，縮小永磁發電機的體積，又削弱由非正弦波分布的磁場感應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槽的電磁設計方案，利用RM xprt軟件分析設計。表1給出了在相同極數條件下的槽滿率、齒密、軛密、負載線電壓、輸出功率基本符合設計要求時，各極數與定子槽數不同匹配對系統性能的影響。從表中可看出，當極數相同時隨著槽數的增加銅耗隨之增加而效率隨之減少；當槽數相同時隨著極數的增加銅耗隨之增加，而效率隨之減少。
在表l中極數為120、槽數為378時，發電機的銅耗、效率、齒槽轉矩相對比較合理，又滿足功率輸出，應該為一個****可行的極數和槽數配置。圖2～圖5給出此時由RM xpr[生成的設計方案的性能曲線.
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