一種基于沖片結(jié)構(gòu)的MW級高速永磁風力發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、伴隨人類物質(zhì)生活和國民經(jīng)濟的提升，世界對能源的需求量日益增加。能源的消耗肯定會引起環(huán)境的污染，能源的極大消耗最終會制約人類經(jīng)濟的發(fā)展和進步。風力發(fā)電以清潔、儲量豐富、可再生等優(yōu)勢受到越來越多關(guān)注，而風力發(fā)電機的發(fā)展水平直接關(guān)系到風能的利用，當前永磁直接驅(qū)動風機和雙饋異步風機主導著風機類型。
　　永磁直接驅(qū)動風機在電網(wǎng)電壓較低時穿越此電壓能力較強且安全穩(wěn)定。由于永磁材料價格昂貴，導致電機成本較高；異步雙饋風機的齒輪箱、電刷和集電環(huán)為

2、易出現(xiàn)故障部件，導致系統(tǒng)的可靠性較低，另外其低電壓穿越能力較低，雖然發(fā)電成本低，但其發(fā)出的電能并網(wǎng)存在較大風險。本課題設(shè)計的高速永磁風機和永磁直接驅(qū)動風機具有一樣電磁特點，但其成本較低，與異步雙饋風機對比，其安全可靠，且其具有較高的設(shè)備置換性，即直接用永磁風機替換相同中心高的異步雙饋風機，而不需要更換配套設(shè)施，這樣可以降低成本，節(jié)省更換設(shè)備時間，并且該類型電機的低電壓穿越能力較強，并網(wǎng)的風險較低；又因永磁風機的功率密度相對異步雙饋風機高

3、，此2.1MW電機比1.5MW異步雙饋風機的重量輕300Kg。因此，目前一些風電發(fā)電機廠將視其為今后重點發(fā)展對象。為解決異步雙饋風機低電壓穿越能力低的問題，急需設(shè)計出具有機械置換性的高速永磁風力發(fā)電機，以上海電機廠獨立研發(fā)的項目為平臺，設(shè)計一臺高速永磁風力發(fā)電機，其功率為2.1MW，轉(zhuǎn)速是1800rpm。
　　在參考ABB公司相關(guān)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本課題對高速永磁風力發(fā)電機進行設(shè)計和研究。首先對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其采用沖片結(jié)構(gòu)，相對于

4、極靴結(jié)構(gòu)能夠極大降低渦流損耗、減輕電機散熱負擔；設(shè)計的磁橋為豎向結(jié)構(gòu)，而常規(guī)電機的磁橋為平向結(jié)構(gòu)，這樣在電機工作時產(chǎn)生豎向的風力，進入定子散熱孔，達到提高電機散熱能力的目的，且磁橋在外側(cè)邊角處設(shè)置圓倒角，這樣可以降低風摩損失；電機磁鋼采用分塊方式，為保證轉(zhuǎn)子的機械強度，需增加幾根加強筋；對轉(zhuǎn)子幾種磁路結(jié)構(gòu)形式進行分析，基于永磁風力發(fā)電機工作環(huán)境復(fù)雜、永磁工作點高的特點，確定轉(zhuǎn)子的磁路設(shè)計結(jié)構(gòu)。然后對定子電樞繞組進行設(shè)計，基于諧波最小化，

5、基波磁通最大化的分析，確定電樞繞組采用雙層短距分布式繞組，計算出其基波分布因數(shù)；最后對電機結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計，首先給出電機總的設(shè)計原則，在此基礎(chǔ)上確定電機設(shè)計的主要尺寸及氣隙的長度，根據(jù)設(shè)計原則確定永磁體的尺寸。
　　由于永磁同步電機本身特性，相比于異步雙饋電機，其在未通電時已存在齒槽轉(zhuǎn)矩，而齒槽轉(zhuǎn)矩能夠引起轉(zhuǎn)矩脈動，從而加劇電機的振動和噪聲，而本課題研究的電機氣隙取8mm，而一般的電機氣隙為3～5mm，這樣設(shè)計可以極大降低因齒、槽

6、間氣隙的不同引起的電機振動、噪聲以及諧波的干擾；另外采取永磁體分塊和非均勻氣隙來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，利用有限元仿真計算分析齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱情況，同時永磁體采用分塊方法能夠降低永磁體的安裝難度，但永磁體分塊會影響到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械特性，需在第四章中對轉(zhuǎn)子在超速旋轉(zhuǎn)時進行接觸應(yīng)力分析，確保電機的安全；利用有限元方法對電機的關(guān)鍵參數(shù)進行計算，包括電機的極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)、永磁體的工作點計算、空載電壓波形畸變率的分析；對永磁體進行抗去磁性能研究，采用穩(wěn)態(tài)

7、去磁電流來校核永磁體，利用Ansoft軟件對電樞三相繞組短路進行仿真，保證永磁體處于最壞條件下不會發(fā)生不可逆退磁；另外，本文設(shè)計的沖片結(jié)構(gòu)的電機與常規(guī)結(jié)構(gòu)的電機進行仿真對比分析，比較兩者的渦流損耗情況，得到?jīng)_片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機渦流損耗明顯降低。
　　本文利用有限元仿真軟件ANSYS對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力仿真分析，得到轉(zhuǎn)子加強筋在超速2400rpm時的應(yīng)力、應(yīng)變情況，確定是否在材料的屈服強度范圍內(nèi)，在此需要進行不同情況下的對比分析。首先保