ANSOFT在直驅式永磁風力發(fā)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(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機轉速低、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)。
關鍵詞：永磁同步發(fā)電機；電磁設計；風力發(fā)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(fā)電更是受到人們的重視。大型風力發(fā)電系統(tǒng)一般都采用增速機構將風力機的轉速提高后再驅動發(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，增速機構成為風電機組故障率較多的薄弱環(huán)節(jié)。目前現(xiàn)代風力發(fā)電技術的發(fā)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(fā)電機，其中最典型的是直驅式永磁風力發(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直驅式永磁風力發(fā)電機為例，提出幾種定子槽數(shù)和極數(shù)配置的設計方案，給出該種電機****設計方案，為今后系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化奠定基礎。
1控制策略
1．1系統(tǒng)描述
直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。變漿距風輪機直接耦合永磁同步發(fā)電機的轉子，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完全通過逆變器完成。由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉速非常低，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(fā)電機、開關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(jù)同類規(guī)格電機的參數(shù)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(shù)據(jù)，程序運行后便得到了電機在穩(wěn)態(tài)、無負荷、堵轉、故障、額定電流、轉矩和效率等曲線和參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)和曲線評估設計方案的優(yōu)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(shù)的選定
本文所討論1．5 Mw的直驅式永磁同步發(fā)電機的轉速要求為20 r／min，轉速很低，風力發(fā)電機的頻率應不低于20 Hz，從頻率與極數(shù)的關系式，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)槽的電磁設計方案，利用RM xprt軟件分析設計。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、齒槽轉矩相對比較合理，又滿足功率輸出，應該為一個****可行的極數(shù)和槽數(shù)配置。圖2～圖5給出此時由RM xpr[生成的設計方案的性能曲線.
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