6 MW级半直驱风力发电机电磁设计及仿真研究.pdf
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1、 级半直驱风力发电机电磁设计及仿真研究周 翔张 宙戴 玥(上海电气集团上海电机厂有限公司上海)摘 要:结合半直驱永磁风力发电机特殊的技术要求及结构特点研究了 半直驱永磁风力发电机的主要电磁参数和尺寸 借助 有限元软件建立二维有限元模型对发电机磁极偏心及斜槽做了优化设计及对比分析对比研究双绕组发电机在不同绕组分配容错运行工况下的波形特性最后对发电机三相、两相短路工况的退磁情况进行了计算校核 本文研究的设计过程、方式方法及故障分析为后续半直驱产品开发提供了一定的经验借鉴关键词:风力发电机电磁设计容错运行短路退磁中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言经历陆上风电“抢装潮”后国内风电
2、整机价格开始“腰斩”并持续下探 但随着碳中和时代大幕拉开受当下形势驱使高可靠性、高功率密度、高集成化、低成本的风力发电技术路线已成为当下研究热点中高速半直驱风力发电机迎来了崛起的机遇特别是风电市场趋向更大兆瓦级风机的发展趋势平价市场的挑战及稀土原材料的疯涨促进了大兆瓦级发电机与齿轮箱进行一体化设计的发展 将发电机的轴承部分集成到齿轮箱上使齿轮箱高速端端盖与发电机后端盖集成为一体使得整体传动结构紧凑占用空间缩小传动连接更为合理 其中半直驱风力发电机因具有结构紧凑整机传动效率.级半直驱风力发电机电磁设计及仿真研究设计与研究高较直驱具有明显的成本竞争优势而受到国内外大多数龙头整机厂的青睐 目前已有多
3、家公司对多款不同功率等级的半直驱风电机组展开布局本文以一台 级半直驱风力发电机电磁设计为例重点研究发电机设计关键参数对谐波抑制带来的作用探讨容错运行工况及短路工况下发电机的性能特点并通过有限元分析验证该方案设计的合理性 电磁设计基本参数的选取.设计目标及主要尺寸的选择从电机电磁设计的基本思路出发首要任务是明确用户技术性能指标 表 为该半直驱风力发电机设计需求表 级半直驱风力发电机性能指标参数数值发电机额定功率 额定转速 /相数双三相()额定电压 额定频率 参数数值额定点效率.功率因数.转子形式内转子高温退磁率重量 确定发电机额定参数后需对主要尺寸发电机的电枢直径 和定子铁心的有效长度 做选择发
4、电机的主要尺寸与电机的容量、同步转速、气隙磁通密度等参数的参考公式.()式中:额定转速 单位为/计算功率 单位为电负荷 单位为/气隙磁密 单位为 发电机的主要尺寸在很大程度上和选取的电磁负荷、有关 电磁负荷越高电机的尺寸就越小 由于发电机转速偏高磁负荷不可选取过高否则会增加铁耗使得效率降低 电负荷过大会使得铜耗增加绕组温升增高 电磁负荷选取的适当与否又与冷却方式息息相关不同的冷却方式设计搭配不同的绝缘结构共同影响发电机设计方案 功率等级的半直驱风力发电机的定子直径一般在 .极槽配合的选择发电机极数按照下式()确定:()转速确定后极对数 与发电机频率 成正比由于该半直驱项目转速较常规半直驱发电机
5、更高达 /而发电机频率又受到变流器能力影响上限频率要求不高于 且过高的频率将影响发电机定子绕组涡流系数导致发电机交流铜耗过高直接影响发电机效率及发热 为抑制谐波采用特殊的短距绕组设计从而降低谐波损耗 综合电机性能参数特点及成本因素发电机设计最终采用 极合适的极槽配合选取可抑制转矩脉动也可相应减少感应电势谐波含量 根据项目定子外径需求及发电机整数槽性能偏好将槽数的选取范围缩小到二选一即 槽或 槽经综合评估本项目设计选取 槽 极的整数槽方案每极每相槽数 取 定子采用斜极方式抑制转矩脉动.磁钢及磁极结构的设计在确定永磁体尺寸前需先设计好极弧系数大小 极弧系数的大小会对永磁风力发电机的电压波形、转矩脉
6、动以及漏磁系数造成影响一般极弧系数设计考虑在.永磁体尺寸主要包括长度、宽度 及磁化方向长度 一般等于或略小于铁心轴长因此只要设计好磁化方向长度 和宽度 即可本文采用类凸极永磁转子结构通过不均匀气隙磁极设计调节发电机气隙处磁密波形正弦性可有效减小波形畸变率及振动噪声 图 为磁极偏心距示意图磁极内外径所对应的圆心间的距离即为磁极偏心距设计与研究上海大中型电机.图 磁极偏心距示意图 有限元仿真对比分析.设计方案参数及软件建模本文采用 有限元仿真软件对半直驱风力发电机进行建模仿真分析 样机的主要参数见表 表 半直驱永磁风力发电机样机主要电磁参数参数数值槽数频率/.定子内径/定子外径/参数数值极对数 绕
7、组类型双层短距铁心长度/磁钢牌号 就结构对称性而言(不考虑多套绕组设计)发电机模型可简化为/单元电机模型及其剖分见图 图 /单元电机模型剖分.考虑磁极偏心及斜槽对发电机空载性能的影响图、图 分别为采用不同磁极偏心距所得到的空载线电压谐波分解对比图及电压谐波含量趋势图可见随着磁极偏心距越来越大发电机空载电压波形越正弦电压谐波含量越小图 磁极偏心对空载电压影响对比图 磁极偏心 电压谐波含量对比考虑到极弧系数和极靴高度因素磁极偏心距需适当选取 极靴高度过小影响机械强度极靴高度过大会降低励磁性能图 为采用斜槽前后发电机齿槽转矩对比图图 斜槽前后齿槽转矩对比可见斜槽前后齿槽转矩大幅度降低由原先的 降低到
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