一種基于沖片結(jié)構(gòu)的MW級高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)的提升，世界對能源的需求量日益增加。能源的消耗肯定會(huì)引起環(huán)境的污染，能源的極大消耗最終會(huì)制約人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電以清潔、儲(chǔ)量豐富、可再生等優(yōu)勢受到越來越多關(guān)注，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展水平直接關(guān)系到風(fēng)能的利用，當(dāng)前永磁直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和雙饋異步風(fēng)機(jī)主導(dǎo)著風(fēng)機(jī)類型。
　　永磁直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓較低時(shí)穿越此電壓能力較強(qiáng)且安全穩(wěn)定。由于永磁材料價(jià)格昂貴，導(dǎo)致電機(jī)成本較高；異步雙饋風(fēng)機(jī)的齒輪箱、電刷和集電環(huán)為

2、易出現(xiàn)故障部件，導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。本課題設(shè)計(jì)的高速永磁風(fēng)機(jī)和永磁直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)具有一樣電磁特點(diǎn)，但其成本較低，與異步雙饋風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)替換相同中心高的異步雙饋風(fēng)機(jī)，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(shí)間，并且該類型電機(jī)的低電壓穿越能力較強(qiáng)，并網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)較低；又因永磁風(fēng)機(jī)的功率密度相對異步雙饋風(fēng)機(jī)高

3、，此2.1MW電機(jī)比1.5MW異步雙饋風(fēng)機(jī)的重量輕300Kg。因此，目前一些風(fēng)電發(fā)電機(jī)廠將視其為今后重點(diǎn)發(fā)展對象。為解決異步雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力低的問題，急需設(shè)計(jì)出具有機(jī)械置換性的高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以上海電機(jī)廠獨(dú)立研發(fā)的項(xiàng)目為平臺(tái)，設(shè)計(jì)一臺(tái)高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。首先對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jī)散熱負(fù)擔(dān)；設(shè)計(jì)的磁橋?yàn)樨Q向結(jié)構(gòu)，而常規(guī)電機(jī)的磁橋?yàn)槠较蚪Y(jié)構(gòu)，這樣在電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生豎向的風(fēng)力，進(jìn)入定子散熱孔，達(dá)到提高電機(jī)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(fēng)摩損失；電機(jī)磁鋼采用分塊方式，為保證轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，需增加幾根加強(qiáng)筋；對轉(zhuǎn)子幾種磁路結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，基于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、永磁工作點(diǎn)高的特點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)子的磁路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。然后對定子電樞繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)算出其基波分布因數(shù)；最后對電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先給出電機(jī)總的設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上確定電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸及氣隙的長度，根據(jù)設(shè)計(jì)原則確定永磁體的尺寸。
　　由于永磁同步電機(jī)本身特性，相比于異步雙饋電機(jī)，其在未通電時(shí)已存在齒槽轉(zhuǎn)矩，而齒槽轉(zhuǎn)矩能夠引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而加劇電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，而本課題研究的電機(jī)氣隙取8mm，而一般的電機(jī)氣隙為3～5mm，這樣設(shè)計(jì)可以極大降低因齒、槽

6、間氣隙的不同引起的電機(jī)振動(dòng)、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(jì)算分析齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱情況，同時(shí)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(huì)影響到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性，需在第四章中對轉(zhuǎn)子在超速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行接觸應(yīng)力分析，確保電機(jī)的安全；利用有限元方法對電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，包括電機(jī)的極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)、永磁體的工作點(diǎn)計(jì)算、空載電壓波形畸變率的分析；對永磁體進(jìn)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(jìn)行仿真，保證永磁體處于最壞條件下不會(huì)發(fā)生不可逆退磁；另外，本文設(shè)計(jì)的沖片結(jié)構(gòu)的電機(jī)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)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(jī)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(jìn)行應(yīng)力仿真分析，得到轉(zhuǎn)子加強(qiáng)筋在超速2400rpm時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變情況，確定是否在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，在此需要進(jìn)行不同情況下的對比分析。首先保