3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析

摘要：本文阐述了3.6MW半直驱高压永磁同步发电机的优点、电磁方案，并对电磁方案中参数进行空载、负载、短路进行有限元分析。

关键词：3.6MW 半直驱 高压 永磁 同步发电机 电磁有限元分析

永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。而半直驱高压永磁同步发电机又是风力发电机的发展方向之一。我公司成功开发了3.6MW半直驱高压永磁风力发电机。该电机在设计结合高压电机和永磁电机设计的原则，既具备“高效、节能、降耗”的特点，又有着“科学、绿色、低碳”的环保优势，符合国家能源政策和环保政策的要求，同时该产品解决了无低电压穿越问题，更容易并网，是风力发电机未来发展的必然趋势和方向。

一、永磁同步发电机的基本原理、技术特点、适用场合

（1）基本原理

永磁同步风力发电的基本原理，就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动永磁同步发电机的转子旋转，实现发电。永磁同步风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，不需外部提供励磁电源，提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把永磁同步发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

（2）技术特点

在过去的几十年里，由于永磁材料性能和电力电子装置的改善，永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。采用永磁同步发电机的风力发电系统具有以下特点：

1）永磁同步发电机系统不需要励磁装置，具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点；

2）变速运行范围宽，即可超同步运行也可以亚同步运行；

3）转子无励磁绕组，磁极结构简单、变频器容量小，可以做成多极电机；

4）同步转速降低，使风轮机和永磁发电机可直接耦合，省去了风力发电系统中的齿轮增速箱，减小了发电机的维护工作并降低噪声，使直驱永磁风力发电机系统。

（3）适用场合

1）在电力设施匮乏、交通不便、缺乏常规燃料，但风力资源丰富的地区，可以解决 部分用电问题，如为高速公路照明设备提供电源等；

2）在单机容量比较小的风场，永磁同步发电系统能够高效并网发电；

3）为农村、牧区、边防哨所、气象台站等偏远、负载较轻的用户，提供交流或直流电源。

3 、3.6MW半直驱高压永磁同步发电机的开发

永磁同步风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的又一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐开始投入使用。采用高压又使永磁同步发电机的效率提升一步，我公司和整机用户、控制柜用户一同进行开发，下面以此为例进行分析说明。

4 、3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁方案

基本参数

电机型号 3.6MW

极数 16

相数 3

效率设计值 % 97

功率因数设计值 0.95

电路类型 1-三相星形

线电压 V 3000

正弦波频率 Hz 46.6667

电机工况参数

视在功率 kw 3630

工作温度 cel 115

定子铁芯

定子外径 cm 143

定子内径 cm 115.7

铁芯长度 cm 115

定子槽数 144

定子绕组

定子绕组形式 双层叠绕组

相带形式 60度

节距（槽数） 8

并联支路数 8

转子磁极参数

转子类型 第五类

转子铁芯材料 50W350

磁钢材料 N38SH的副本

5、3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析

5.1 电机模型

考虑温度对磁钢的影响，磁钢剩磁大约1.18T，矫顽力890kA/m。铁心有效长度是1150mm。

5.2 空载计算

5.2.1 空载磁力线分布

得到空载漏磁系数约1.16

5.2.2 空载气隙磁密及磁场分布

气隙磁密大约在0.8T

5.2.3 负载计算3.3.1 负载磁力线分布

5.2.4 三相短路计算

短路电流：1555A，折算得到短路电流倍数为2.2

通过对3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析，电机的各项参数达到风力发电机标准要求，特别是效率，能搞达到97%以上，大大的提高了电机效能，真正做到高效，同时能够满足客户的各项性能指标要求。

因该电机属高压型电机，其变流控制部分安川电机（中国）有限公司在设计中，目前该项目已完成电磁计算分析，结构设计及分析，并完成了图纸设计。希望能尽快有样机试制，以便进一步验证分析结果，并进行改进。如能及时投放市场，应有良好的前景。

参考文献：

[1]陈世坤.电机设计.机械工业出版社，1987

[2]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解.中国水利水电出版社，2010