ANSOFT在直驱式永磁风力发电机设计中的应用
张岳
(辽宁科技学院，辽宁本溪117022)
摘要：根据风力发电系统中永磁发电机转速低、极数多、体积大的特点，为了充分利用发电机的胜能，在发电机体积相同的情况下，利用ANsOFT软件，合理选择发电机定子槽数和极数，为永磁发电机的性能指标优化提供依据。
关键词：永磁同步发电机；电磁设计；风力发电机
O引 言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越被人们所关注，风力发电更是受到人们的重视。大型风力发电系统一般都采用增速机构将风力机的转速提高后再驱动发电机，然而，采用多级齿轮的机械运动，不仅增加了振动和噪声，而且由于润滑系统和机械磨损需要定期维护，增速机构成为风电机组故障率较多的薄弱环节。目前现代风力发电技术的发展趋势是无刷化和采用取消增速机构的风力机直驱低速发电机，其中最典型的是直驱式永磁风力发电机。永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，因而效率高，同时由于永磁体可提高气隙磁通密度，因而可提高电机的功率密度。虽然发电机成本增加，但对于降低机组的振动噪声和提高运行可靠性有着重要意义。本文以1. 5 Mw直驱式永磁风力发电机为例，提出几种定子槽数和极数配置的设计方案，给出该种电机****设计方案，为今后系统参数优化奠定基础。
1控制策略
1．1系统描述
直驱式永磁风力发电系统示意图如图1所示。变浆距风轮机直接耦合永磁同步发电机的转子，发电机输出由不可控整流后，由电容滤波，再经逆变器将能量馈送给电网。由于采用不可控整流，所以恒频恒压输出的任务完全通过逆变器完成。由于直接耦合，永磁发电机的转速非常低，这样发电机体积较大、成本较高。因此其发电机的外形有别于传统电机细长的外形，为直径大而轴向长度短的结构。
1 2设计方案的确定
RM xpn是Ansoft软件中的一个模块，它是旋转电机设计软件，用于单相和三相感应电机、直流永磁无刷电动机、永磁同步电动机、永磁调速同步电动机、直流永磁发电机、开关磁阻电机和三相同步发电机、永磁同步发电机、交直流两用电机、全压起动永磁同步电动机等11种电机的设计，通过它可以快速从多种设计方案中，找出比较满意的电机设计方案和初始尺寸。
本文首先根据同类规格电机的参数初步选定设计方案，在RM xprt的集成用户界面中输入定子、转子和铁心的几何形状、绕组结构、材料特性和机械负荷数据，程序运行后便得到了电机在稳态、无负荷、堵转、故障、额定电流、转矩和效率等曲线和参数。根据这些参数和曲线评估设计方案的优劣后再次返回用户界面进行调整设计，如此反复，最后得到了一个较满意的设计方案。
1 3设计参数的选定
本文所讨论1．5 Mw的直驱式永磁同步发电机的转速要求为20 r／min，转速很低，风力发电机的频率应不低于20 Hz，从频率与极数的关系式，f=pn/60中可知，频率与极数成正比，选取合适的极数，可以缩小发电机的体积，减轻其重量，综合考虑选择120～150极之间进行没计。
又因电机转速低、极数多，电机外径不能太大，定子槽数有限，需要采用适当的极数和槽数配合，故定子采用分数槽绕组，这样既减少定子外径尺寸，缩小永磁发电机的体积，又削弱由非正弦波分布的磁场感应电势中的谐波分量和齿谐波电势。
本文采用三相径向式永磁体多极多槽分数槽的电磁设计方案，利用RM xprt软件分析设计。表1给出了在相同极数条件下的槽满率、齿密、轭密、负载线电压、输出功率基本符合设计要求时，各极数与定子槽数不同匹配对系统性能的影响。从表中可看出，当极数相同时随着槽数的增加铜耗随之增加而效率随之减少；当槽数相同时随着极数的增加铜耗随之增加，而效率随之减少。
在表l中极数为120、槽数为378时，发电机的铜耗、效率、齿槽转矩相对比较合理，又满足功率输出，应该为一个****可行的极数和槽数配置。图2～图5给出此时由RM xpr[生成的设计方案的性能曲线.
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