大型双定子直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真

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1、 大型双定子直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真 大型双定子直驱永磁风力发电 机电磁设计与仿真 0 引言 1 双定子直驱永磁发电机的初始设计 1.1 等效磁路法简介 1.2 电磁计算软件编写 1.3 初步电磁方案 2 基于Ansoft的有限元分析仿真 2.1 有限元分析软件 Ansoft 2.2 双定子直驱永磁风力发电机的电机仿真模 型、边界条件、激励源 电机模型 边界条件 激励源 2.3 主要仿真波形 3总结 内容小标题 18号字 加粗 在主流风电机组中，基于变速运行、变浆距调节、低转速、高效率、高功率 因数的直驱永磁风力发电机组已成为未来的发展趋势。 国、内外直驱永磁风力发电机组，其低速永磁同

2、步发电机一般都是采用内转 子或外转子的单定子电机结构，定、转子尺寸大，由此带来一个大电机的运 输困难问题和成本问题，限制了大容量的直驱永磁风力发电机在风电领域的 使用。 采用双定子直驱永磁风力发电机，可以有效地提高发电机功率密度、空间及 材料利用率，能有效地解决大型直驱永磁风力发电机的运输问题和成本问题， 从而使直驱永磁风力发电机组的成本大幅降低，大大提高直驱永磁风力发电 机组的经济性和竞争能力。 国、内外对双定子低速永磁直驱发电机的研究刚刚起步，但从市场前景看， 随着直驱永磁风力发电机组在风电市场中所占比例不断提升，市场必将对永 磁直驱发电机的需求也越来越高。永磁直驱发电机的技术、结构转型，

3、为中 国企业提供了技术跨越、赶超世界先进水平的机会。 本文将分数槽集中绕组用于永磁双定子直驱永磁风力发电机设计，在单定子 永磁直驱发电机的软件基础上，编制了双定子永磁直驱发电机的电磁设计软 件，并借助于Maxwell 专用电磁仿真软件，对初步电磁方案进行了磁场仿真 分析和优化设计，最后得到了精确分析结果。 0 引言 等效磁路法是最常用也是最基本的电机设计方法。等效磁路法是最常用也是最基本的电机 设计方法，“等效磁路”即所谓的“场化路”的方法将空间实际存在的不均匀分布的 磁场转化为等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度分布均匀，同时 使用一些系数来修正各段磁路的磁压降，使之等于对

4、应实际磁场中的磁压降，通过这样的 处理，就把复杂的磁场计算转化为简单的磁路计算。 使用等效磁路法，可以快速的进行电机的初始设计，分析电机的一些基本的参数性能，如 各段磁路的磁场分布情况，空载、负载或者短路时电机的工作状况，电机损耗、材料的使 用量和效率的大小。 在进行等效磁路法分析时，通常假定电机内的磁场为恒定磁场，定转子相对静止，计算磁 路依次取定子齿、定子轭、定子齿、气隙、转子磁极、转子轭、转子磁极、气隙和定子齿。 设L1j ， L1t， Lg， L2t,，L2j，Lg， L1j， L1t分别为外定子轭、外定子齿、第一气隙、转子 齿、转子轭、第二气隙、内定子轭、内定子齿的长度，hmp为转子

5、内永磁体总的高度。 根据全电流定律，磁场强度沿闭合回路的线积分等于该回路所包围的电流和。使用等效磁 路法时，在各段磁路中的磁压降可用该磁路中的磁场强度和长度的乘积来表示，于是 H1j*L1j+H1t*L1t+Hg*Lg+H2t*L2t+H2j*L2g+Hg*Lg+H1t*L1j+H1j*L1j=H*hmp(1-1) 其中，H1j、H1t、Hg、H2t、H2j、Hg、H1t 、H1j、H分别外定子轭、外定子齿、第一气隙、 转子齿、转子轭、第二气隙、内定子齿、内定子轭的磁感应强度，H为转子永磁体的磁感 应强度。 1 双定子直驱永磁发电机的初始设计 1.1 等效磁路法简介 工程中有一些现有的根据等效

6、磁路法编制的程序， 但这些程序的应用性不是很广泛。由于双气隙永 磁直驱风力发电机电磁关系复杂、磁饱和严重， 电磁设计变得更加困难，单纯的手算几乎不能完 成。随着计算机语言的发展，双气隙永磁直驱风 力发电机的计算机辅助设计得以实现。本文在总 结了单气隙永磁发电机手算程序的基础上，利用 等效磁路法，采用Visual Basic 6.0 编制成计算机 程序，以可执行文件的形式发布，实现了商业软 件所具有的功能。该程序具有商业软件具有的常 规界面和主要功能，具有友好的人机界面，同时 具有较高的计算精度。 双气隙永磁直驱风力发电机设计软件系统主要包 括输入主要数据，定转子基本尺寸参数计算，空 载磁路计算

7、，空载磁通比较，定子绕组参数计算、 槽计算、负载磁路计算、电压调整率计算、短路 电流计算、损耗及效率计算，电磁计算结果文件 输出等几部分，软件整体结构图见图1。 1.2 电磁计算软件编写 1.3 初步电磁方案 额定功率额定功率3100kW调速范围调速范围614.3rpm 额定电压690V额定频率9.533 额定转矩2070KN.m相数3 绕组接线2Y极对数40 额定转速14.3绝缘等级H 防护等级IP55外定子外径4022mm 外定子内径3730mm内定子外径3538mm 内定子内经3232mm转子外径3724mm 转子内经3544mm极弧系数0.8 铁芯长度850mm并联支路数8 绕组形式分

8、数槽集中绕 组 永磁体牌号40Sh 内、外定子槽 数 96 Ansoft 是以电磁问题为核心的商业软件，提供从元件设计、分析、 优化到系统仿真在的的机电系统设计的全面解决方案，该解决方案是以 机电器件设计、电磁场分析、热分析、线路仿真、系统仿真等工具的有 力结合。Ansoft机电系统解决方案包括了机电元件设计、有限元分析和 系统分析等模块，其中有限元模块有：Maxwell 2D/3D、Maxwell 2D/3D Thermal、Maxwell 2D/3D Transient和EMSS。Maxwell 2D/3D 能精确的计算二维和三维直流、交流和瞬态电磁场；Maxwell 2D/3DTherm

9、al是基于二维和三维有限元分析技术的温度场分析软件； Maxwell 2D/3DTransient能利用非线性动态有限元分析的方法，对机械、 电子线路和电磁部件动态过程进行深入分析；EMSS是利用静态电磁场 分析提取参数，采用等效电路法进行耦合机电系统动态仿真分析的软件。 在本文里，利用了Maxwell 2D瞬态分析软件，分析了电机在不同运行状 态下的性能。 2 基于Ansoft的有限元分析仿真 2.1 有限元分析软件 Ansoft 2.2 双定子直驱永磁风力发电机的电机仿真模型、边界条件、激励源 图1：外电机仿真模型 图2：内电机仿真模型 图3：内、外电机合成仿真模型 图4：仿真外电路 2.

10、3 主要仿真波形 图10：电机负载电压输出 图9：内绕组带负载反电势 图8：外绕组带负载反电势 图6：内绕组空载反电势 图7：内外绕组合成反电势 图5：外绕组空载反电势 2.3 主要仿真波形 图11：电机负载电流输出 图13：外电机转矩输出 14：内电机转矩输出 图15：齿槽转矩仿真 外定子额定功外定子额定功 率率 1705kW内定子额定功内定子额定功 率率 1395kW 外定子空载电 势 297V内定子空载电 势 240V 外定子负载电 势 226V内定子负载电 势 185.3V 外定子电流2546A内定子电流2546A 外电机输出转 矩 1120kN.m内定子输出转 矩 960kN.m 电

11、机总输出电 压 399.6V电机输出转矩2080kN.m 仿真后分析 本文在总结单定子永磁发电机的电磁设计程序的基础上， 将分数槽集中绕组应用于双定子直驱永磁风力发电机，采用 Visual Basic 6.0编制了双定子永磁发电机的电磁计算程序， 采用等效磁路法，获得双定子直驱永磁发电机的电磁方案及 模型，然后利用电磁仿真软件Ansoft的Maxwell 2D瞬态分析 模块，对双定子直驱永磁发电机进行了建模、加载、求解和 后处理, 并对发电机的齿槽转矩进行了仿真计算, 计算结果与 设计性能指标相吻合, 证明了大型双定子直驱永磁发电机设 计思想、设计方法的正确性，也证明了场路耦合有限元分析 方法在双定子直驱永磁发电机设计过程中的重要性。 双定子直驱永磁风力发电机由于其高的功率密度、高的空间 及材料利用利用率、低的制造成本、低的定位转矩，使得在 大型直驱风力发电机中，会有很好的应用前景。 3 总结 谢谢！ 国电联合动力技术有限公司 肖珊彩