小型永磁同步风力发电机电磁设计及仿真

爆电机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＭＡｃＨＩＮＥ）　第４９　薯　期）　小型永磁同步风力发电机电磁设计及仿真　张胜男，张东宇　（佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯１５４００２）　摘要介绍了小型风力发电系统总体结构和工作原理，列举了３ｋＷ永磁同步风力发电机　的主要技术参数。并对发电机的空载特性、负载特性进行了仿真计算分析，尤其是对定子是否采　用斜槽时发电机的空载特性进行了对比仿真分析。　关键词永磁同步风力发电机；电磁设计；仿真分析；斜槽　ＤＯＩ：１０．３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．１００８－７２８１．２０１４．０６．０３　中图分类号：ＴＭ３１３文献标识码：Ａ文章编号：１００８．７２８１（２０１４）０６４３００７－００４　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ－Ｓｉｚｅｄ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｗｉｎｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｅｎｇｎａｎ　ａｎｄ　Ｚｈａｎｇ　Ｄｏｎｇｙｕ　（Ｊｉａｍｕｓｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｍｕｓｉ　１５４００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ・ｓｉｚｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ａ　３ｋＷ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｎｏ－ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｍａｄｅ　ｔｏ　ｎｏ—　ｌｏａｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｋｅｗ　ｓｌｏｔ　ｓｔａｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｋｅｗ　ｓｌｏｔ　Ｏ　引言　作为一种价格低廉、运行可靠、无温室气体排　从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分　组成：其一是风力机，它的功能是将风能转换为机　械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为　电能　。　放的新型发电系统，风力发电系统的安装容量正　在以每年超过３０％的增长率在世界范围得到日　益广泛的应用，已经形成了年产值超过５０亿美元　的全球性产业。目前，风力发电领域中普遍采用　大功率、并网型供电系统，但往往前期投入巨大。　随着我国对“三农”投入力度加大，经济持续快速　发展，广大农、牧、渔民对改善生活环境，提高生活　质量，解决生活用电的迫切要求，采用小型风力发　电系统为局部负载提供电力，不仅可以减少一次　性巨额投资，还可以免除火力发电系统的温室气　体排放，改善环境和农村地区的能源结构，有益于　可持续性发展　ｌ２］。　小型风力发电系统结构如图１所示。它一般　由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。常　规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁同　步发电机加ＡＣ／ＤＣ变换器、蓄电池、逆变器组　成　４　Ｊ。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力　能转变成了机械能（转速＋扭矩）。风轮的轮毂　固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴　的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。　风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和　电压也随之变化。发出的电经过控制器的整流，　１　小型风力发电系统总体结构及工　作原理　风力发电机组是将风能转化为电能的机械。　由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄　电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过　逆变器后变成交流电，供给用户使用。　７　第卷（总第　１８　期）期）　第４９　１６（ＥＸＰＬＯＳ　ＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ　一　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＭＡＣＨＩＮＥ））　爆＇Ｉｌ　龟机　ｂ　图１　独立运行小型风力发电机系统　２主要技术参数　额定功率：Ｐ＝３０００Ｗ；额定电压（直流侧）：　Ｕ＝５６Ｖ；额定转速：ｎ＝３００ｒ／ｍｉｎ；额定频率：　ｆ￣＞４０Ｈｚ。　３　电磁设计及仿真分析　３．１磁路法设计步骤　（１）发电机极对数确定。根据ＧＢ／Ｔ　１０７６０．１　规定，发电机额定运行时，其输出交流电压的频率　不小于２０Ｈｚ，而６０ｆ＝ｎｐ，这里选取电机极对数　为８（Ｐ为极对数）。　（２）定转子外径的确定。参考同规格异步电　机，定子外径２１０，定子内径１４８，转子外径１４６，气　隙为１，同时选取定子槽数为４８，为减小定位力　矩，定子采用斜槽。　（３）确定电枢长度、线规及定子槽尺寸等。　根据ＧＢ／Ｔ　１０７６０．１规定，发电机在６５％额定转　速下，其空载电压不低于额定电压。电机额定转　速下的空载电压为５６／０．６５＝８６．２Ｖ，再由三相不　可控整流的公式２．４５Ｕ２＝８６．２Ｖ，可知电机额定　转速时相空载反电势８６．２／２．４５＝３５．２Ｖ，线空载　反电势为６１Ｖ。　最后结合定子齿、轭磁密及槽满率和电流密　度等因素，就可以确定每项线圈的匝数、电枢长度　及线规等。　３．２有限元仿真分析　设计采用有限元仿真软件Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ对电机　的空载特性和负载特性进行仿真分析。Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ有限元不仅可以对电机性能做出准确的仿真计　算，还可以很方便的搭建负载整流模型。图２是　Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ仿真采用的电机十六分之一模型。　８　图２　Ｍａｘｗｅｌｌ有限元仿真模型　３．２．１空载特陛仿真分析　空载特性是发电机的基本特性之一，通过空　载特性我们可以了解到电机的磁路设计的是否合　理，从空载特性上我们可以看出电机磁路的饱和　趋势及电机输出电压的大小；通过空载磁场分析，　可以计算出电机的空载电动势及空载漏磁系数　等，因此对发电机的空载特性进行分析是十分有　必要的。　仿真时分别对定子采用斜槽和没有采用斜槽　的空载特性做了对比分析，图３是没有考虑斜槽　时空载反电势的仿真波形，可以看出空载反电势　接近方波，各次谐波含量很高。　图３　无斜槽时空载反电势波形　对其进行傅里叶分解，提取各次谐波含量，如　图４和表１所示。基波幅值为５１．５Ｖ，基波有效　值为３６．４Ｖ，满足６５％额定转速下空载电压的要　求，但是谐波含量较大。图５是没有斜槽情况下　齿槽转矩波形，幅值为２３Ｎｍ。　谐波幅值　■　一　一　一　图４无斜槽时空载反电势傅里叶级数分解　爆＇龟　（ＥｘＰＬｏｓ１０Ｎ—ＰＲ００Ｆ　ＥＬＥｃＴＲＩｃ　ＭＡｃＨＩＮＥ）　第４９　盏雾　期）　２　０以培坞｛３　表１　无斜槽时空载反电势谐波含量　＂　表２斜槽后空载反电势谐波含量　５１．５２９２０ｏ　１１．２４６２６０　１．１４８２６１　０．２８７００９　０．９８８６８５　１．８７９８２９　图５无斜槽时齿槽转矩波形　斜槽后电机的空载反电势波形如图６所示。　从图中可以看出，反电势波形非常接线正弦波形，　而且非常平滑。对其进行傅里叶分解，提取各次　谐波含量，如图７和表２。可以看到斜槽后基波　和各次谐波幅值都有所减少，基波幅值下降到　４９．４Ｖ，基波有效值为３５Ｖ，基本满足６５％额定转　速下空载电压要求。但谐波含量大大减少。　图６斜槽后空载反电势波形　谐波幅值　＿　图７斜槽后空载反电势傅里叶级数分解　１　４９．４００　３　６．０２０　５　０．１５６　７　０．１５７　９　０．４２８　１１　０．１６０　图８是斜槽后齿槽转矩波形，齿槽转矩幅值　为０．３Ｎｍ，比起斜槽前大大减少。　图８斜槽后齿槽转矩波形　３．３负载特眭仿真及结果　离网型风力发电机的实际负载为蓄电池，但　是根据ＧＢ／Ｔ　１０７６０．２实验方法的规定，对此类电　机进行试验时，采用的负载是电阻，因此可以通过　在仿真中搭建一个如图９所示的外电路对发电机　的负载特性进行分析。图９中直流侧电阻阻值的　确定依据直流侧电压为额定电压（５６Ｖ）时，负载　功率为额定功率（３　０００Ｗ）确定。　Ｉ图９有限元仿真外电路　图１０为发电机带整流负载工作时的电磁转　矩波形；图１１是整流负载时电机三相感应反电势　波形。从图中可以看出相反应电势由空载时的矩　形波畸变成了阶梯状波形，这是由于整流负载特　殊电枢反应形成的。而线电压则如图１２所示，任　一时刻加在负载电阻上的电压为　（下转４７页）　９　。∞∞％∞∞　。　蛊　Ｄ　爆也机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＭＡＣＨＩＮＥ）　第４９卷２０　期）　设计制造和现场安装工作是成功的。　［２］　《水轮发电机设计与计算》．哈尔滨大电机研究所编　Ｏ　Ｏ　０　０　４　０　ＯⅢ　圳　Ｏ　０　０　ｍ　　０　需要说明的是，定子铁心磁化试验还能通过　著．　振动和发热使铁心下沉，达到仅仅加压所不能达　［３］　ＧＢ／Ｔ　２０８３５－－２００７《发电机定子铁心磁化试验导　到的进一步压紧定子铁心的目的。　则》．　本文介绍了定子铁心磁化试验的过程，对同　［４］　ＳＬ　６００－－２０１２《水轮发电机定子现场装配工艺守　类机组的定子铁心磁化试验具有参考价值。试验　则》．　中发生了放电事故的经验教训，对其它电站的定　子铁心磁化试验有警示作用。　作者简介：李兴邦男１９８０年生；毕业于兰州理工大　参考文献　学流体机械专业。现从事水轮发电机组现场安装技术指　［１］　ＧＢ／Ｔ　８５６４－－２００３中国人民共和国国家标准《水轮　导工作．　发电机组安装技术规范》．　收稿日期：２０１４－０７－２７　ｆ｜¨＂’　ｌ…－。　Ｔ｜¨　。　・Ｉ１一　’¨¨・・一　Ｈ¨　ｒ｜¨Ｉ＿’　－．‘　…・　Ｉ－・　‘　ｌ¨　¨“Ｃｆｈ　－　（上接９页）导通晶体管的电压之差，由于是两相　～ｌａ…ｌｂ……ｌｃ　电压之差，线电压中不含３及３的倍数次谐波。　＼／　、－／、　＾　、、，　、一　、　，、，　、，　负载电机电枢电流及直流侧电流如图１３所示，从　＼　、　．　｝　＾　相关图中可以看出，任一时刻都有三个晶体管同　、　　．ｒ　．　．，　Ｌ、　’．／　．．・　’，　时导通，也就是说每个晶体管在整个工作周期内　Ｖ　，　．　是全部导通的，这就正弦波电源供电的三相不可　＼、／、，　●●　●，’，　＼　，　、ｊ　’，．．　控整流电路是不同的。取一个周期直流侧电压电　流波形进行计算即可得到输出功率，为３　０００Ｗ　图１３线电流及直流侧电流波形　左右，满足设计要求。　４　结语　小型风力发电机作为农村能源的组成部分，　它的推广应用对于改善用电结构，特别是偏远山　区的生产、生活用能，推动生态环境建设诸领域的　八　＾＾　＾＾　＾　＾　＾　、　、』、．　、　、Ｊ、Ｊ、Ｊ、　发展将发挥积极作用，因此具有广阔的市场前景。　、．。　¨＼　Ｉ．　＼Ｊ　Ｉ　ｆ¨＼　Ｖ　Ｖ　Ｖ　Ｖ　Ｖ　ｖ　Ｖ　’　优化小型风力发电机电磁性能、提高发电机可靠　性及实现系统优化运行，对于小型风力风力发电　图１０电磁转矩波形　机的推广具有非常重要意义。　参考文献　［Ｉ】　张春友，田德，王海宽．我国小型风力发电机的发展　现状及趋势［Ｊ］．农村牧区机械化，２００８（２）：３８—３９．　［２］　李德孚．小型风力发电行业现状与发展趋势［Ｊ］．农　业工程技术，２００７（１）：４７－５０．　［３］　邓可蕴．户用小型风力发电机使用与维护［Ｍ］．北　图１１　负载三相反电势波形　京：农业出版社，２００６．　——Ｕａｂ—Ｕａｃ……Ｕｂｃ　Ｕｄｃ　［４］刘万琨．风能与风力发电技术［Ｍ］．北京：化学工业　，ｌ、　，、．．　、｝　＼　、　出版社，２００７．　Ｉ｝　Ｉ　ｊ　Ｊ　ｊ　ｆ　；　［５］　陈世坤．电机设计第二版．北京：机械工业出版社，　　ｌｌ　ｌ｛　Ｊ　ｊ　ｌ　；　．　。‘　、ｌ～　－　／，　一Ｊ＾…ｊ、一　１　一　一７　】９９７　７　—Ｊ，　，ｌ　ｊ　ｉ　ｌ　ｉ　ｌ　ｊ　ｌ　Ｉ　；　８　ｊ　ｌ　ｉ　ｌ　—～／　Ｌ一、　／、　／　＼＾　作者简介：张胜男　男　１９８２年生；毕业于佳木斯大　学电机专业，现从事电机及发电机研发设计工作．　图１２线电压及直流侧电压　收稿日期：２０１４－０６．１１　４７