基于Ansoft/ RMxprt的大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱公棟，王益軒，高 丹,陳榮榮

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048)

基于Ansoft/ RMxprt的大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱公棟，王益軒，高 丹,陳榮榮

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048)

介紹了為提高發(fā)電機(jī)的材料利用率以達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輕量化設(shè)計(jì)的目的，通過利用Ansoft/ RMxprtc參數(shù)化功能優(yōu)化了發(fā)電機(jī)的定子外徑、定子內(nèi)徑及轉(zhuǎn)子外徑尺寸后，再優(yōu)化永磁體尺寸。再用Ansoft/ Maxwell 2D軟件對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行電磁場有限元分析，得到電機(jī)的性能仿真曲線，無需經(jīng)過樣機(jī)制造及實(shí)機(jī)試驗(yàn)，縮短了周期且節(jié)省了費(fèi)用，為永磁發(fā)電機(jī)性能的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

永磁同步發(fā)電機(jī)； Ansoft/ RMxprt；參數(shù)優(yōu)化； 有限元分析

0 引言

大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般都采用增速機(jī)構(gòu)將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速提高后再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。然而，采用多級(jí)齒輪的機(jī)械傳動(dòng)，不僅增加了振動(dòng)和噪聲，而且由于潤滑系統(tǒng)和機(jī)械磨損需要定期維護(hù)，增速機(jī)構(gòu)成為風(fēng)電機(jī)組故障率較多的薄弱環(huán)節(jié)。目前現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢是無刷化和采用取消增速機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)直驅(qū)低速發(fā)電機(jī)。其中最典型的是直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。然而，永磁材料造價(jià)昂貴，永磁發(fā)電機(jī)隨著輸出功率增大，使得發(fā)電機(jī)的尺寸和質(zhì)量也在不斷增加，給運(yùn)輸和安裝造成很大的不便，使發(fā)電機(jī)可靠性降低，因此必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到輕量化的目的[1]。

近二十年來，隨著電機(jī)優(yōu)化方法的深入研究和優(yōu)化理論的進(jìn)一步發(fā)展，電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)正朝著可靠、高效率和智能化的方向發(fā)展。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)可選的優(yōu)化變量多、變量之間的關(guān)系復(fù)雜、技術(shù)性能指標(biāo)差異大、電機(jī)設(shè)計(jì)理論不成熟、電磁性能校核計(jì)算復(fù)雜、經(jīng)驗(yàn)積累不足等，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)較為困難。在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中,永磁材料的尺寸確定是非常重要的。永磁體的設(shè)計(jì)包括永磁材料的種類、形狀、擺放位置和尺寸大小的確定。文獻(xiàn)[2]用ANSYS 軟件對(duì)一種隱極永磁電機(jī)的磁路進(jìn)行有限元分析,計(jì)算出磁路的主要漏磁系數(shù),再由磁路計(jì)算,得到永磁電機(jī)所需的永磁體大小。但該方法計(jì)算時(shí)間較長，不適合對(duì)不同功率和結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。Ansoft/ RMxprt參數(shù)化計(jì)算支持多參數(shù)同時(shí)計(jì)算，以圖形和表格形式輸出結(jié)果，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到優(yōu)選方案[2]。

筆者利用Ansoft軟件基于磁路法模塊Rmxprt對(duì)2 MW凸極形式的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子和永磁體尺寸進(jìn)行參數(shù)化的優(yōu)選，設(shè)計(jì)出永磁電機(jī)合理的定轉(zhuǎn)子尺寸、極弧系數(shù)Emb、鐵心長度L和永磁體厚度hm。得到優(yōu)選方案后，將該方案導(dǎo)入到電磁場計(jì)算模塊Ansoft /Maxwell 2D中進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證所選設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

1 RMxprt定轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)化分析

2 MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式可參考圖5，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[3]，通過經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)選一組發(fā)電機(jī)參數(shù),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

為了得到性能優(yōu)良的2 MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)，需要對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。在預(yù)選方案的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Ansoft/RMxprt 軟件的參數(shù)化分析,在設(shè)定的電機(jī)參數(shù)變化范圍內(nèi)得到電機(jī)性能的變化趨勢。在參數(shù)化分析時(shí)，所選用的定子硅鋼片材料為DW360-50,磁鋼材料為NdFe35,其剩磁密度為1.23 T，矯頑力為960 kA/m,發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定維特為690 V。

表1 發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 定轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)化分析

表2為定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑的變化范圍，以發(fā)電機(jī)效率、輸出功率、發(fā)電機(jī)總重為輸出變量。因?qū)?個(gè)參數(shù)組合將使計(jì)算量增大很多，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，首先對(duì)其最大尺寸即定子外徑進(jìn)行優(yōu)選，圖1,圖2為定子外徑與效率和輸出功率的曲線。

表2 轉(zhuǎn)子定子內(nèi)外徑變化范圍 mm

圖1 定子外徑與效率關(guān)系

圖2 定子外徑與輸出功率

圖1中效率最大值出現(xiàn)在3 970 mm處,但從3 900 mm開始效率隨定子外徑的增加,上升很慢,但發(fā)電機(jī)的質(zhì)量會(huì)增加很多,因此選擇定子的內(nèi)徑為3 900 mm。外徑優(yōu)選確定后，繼續(xù)對(duì)定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑進(jìn)行優(yōu)選，因?yàn)槎咧苯佑绊懼姍C(jī)氣隙的大小，因此對(duì)他們進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化。表3為以效率降序排列的輸出數(shù)據(jù)。

表3 轉(zhuǎn)子外徑、定子內(nèi)徑參數(shù)計(jì)算

(續(xù)表)

考慮到氣隙過大會(huì)使電流過大，發(fā)電機(jī)容易過熱，因此將氣隙大于6 mm的尺寸組合去掉。通過綜合比較各參數(shù)的效率、輸出功率、發(fā)電機(jī)總重，選擇了第7組參數(shù)作為最優(yōu)方案。同樣對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算，最終選取定子外徑為3 900 mm，轉(zhuǎn)子外徑為3 472 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑3 480 mm，參照定子外徑的優(yōu)化方法，選擇轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為3 000 mm。

1.2 永磁體尺寸參數(shù)化分析

為了優(yōu)化永磁體的用量，即在保證發(fā)電機(jī)性能的前提下，減少永磁體的用量，所以選擇鐵心長度、磁鋼厚度和磁鋼極弧系數(shù)與永磁體總質(zhì)量密切相關(guān)的3個(gè)參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，他們的變化范圍如下表4。

表4 參數(shù)的變化范圍

圖3為參數(shù)化分析時(shí)效率隨不同參數(shù)變化的曲線圖。從圖中可以看出，參數(shù)從初始值向最終值變化時(shí)效率的變化趨勢。圖中(a)圖為極弧系數(shù)取0.75、永磁體厚度取20 mm時(shí)效率隨鐵心長度變化的曲線圖，(b)圖為極弧系數(shù)取0.8、鐵心長度取1 000 mm時(shí)效率隨永磁體厚度變化的曲線圖，(c)圖為鐵心長取1 000 mm、永磁體厚度取20 mm時(shí)效率隨極弧系數(shù)變化的曲線圖。

圖3 效率隨不同參數(shù)變化的曲線圖

經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后的參數(shù)如下表5。對(duì)比表1和表5，優(yōu)選方案發(fā)電機(jī)的總質(zhì)量大幅降低，且永磁體用量減少，節(jié)省了發(fā)電機(jī)的制造成本。根據(jù)表5的優(yōu)選參數(shù)，用RMxprt計(jì)算后得到的性能曲線如圖4。

表5 優(yōu)化后電機(jī)設(shè)計(jì)方案的參數(shù)

圖4 發(fā)電機(jī)的性能曲線

2 發(fā)電機(jī)的二維有限元分析

將RMxprt磁路法分析所確定的電機(jī)設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入到Maxwell 2D中，分析電機(jī)在空載下的靜態(tài)磁場及空載和不同負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)磁場。根據(jù)磁場分析結(jié)果分析永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能。圖5左邊為Maxwell所產(chǎn)生的永磁同步發(fā)電機(jī)的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，由于整個(gè)電機(jī)的模型比較大，為了減少計(jì)算量采用如右圖的1/12模型。

2.1 空載穩(wěn)態(tài)磁場分析

通過后處理，可得到永磁同步發(fā)電機(jī)的磁力線、磁密分布等場圖。如圖6，其中圖(a)和圖(b)為永磁發(fā)電機(jī)磁力線和磁通密度云圖。圖(c)為一個(gè)單元下徑向氣隙磁密的分布圖。對(duì)徑向磁密進(jìn)行傅里葉分析如圖(d) ,可看出其基波幅值為1.120 T。

圖5 磁同步發(fā)電機(jī)的有限元模型

圖6 穩(wěn)態(tài)磁場分析結(jié)果

2.2 空載特性分析

空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一，通過空載特性可以了解到電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)的是否合理。從空載特性可以看出電機(jī)磁路的飽和趨勢及電機(jī)輸出電壓的大小，得到如圖7所示,(a)空載感應(yīng)電動(dòng)勢，(b)氣隙磁密波形。在后處理中，通過對(duì)氣隙磁密波形進(jìn)行傅立葉分析，可以得到(c)氣隙磁密FFT頻譜。

2.3 負(fù)載磁場分析

發(fā)電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子電樞繞組電流不再為零，電樞繞組電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢既影響氣隙磁場的分布和大小，又影響永磁體的工作狀態(tài)。下面對(duì)永磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載下的磁場進(jìn)行分析。通過分析，得到了額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的一些特性曲線，如圖8所示, (a)電樞繞組電流波形、將圖(a)經(jīng)過傅里葉變換后得到如圖(b)FFT繞組電流、(c)氣隙磁密波形和(d)氣隙磁密FFT頻譜。

對(duì)比空載和額定負(fù)載時(shí)的特性曲線圖，可以看出負(fù)載時(shí)，氣隙磁場、反電動(dòng)勢及電樞電流等波形較空載時(shí)發(fā)生了變化。這是因?yàn)樨?fù)載時(shí)電樞繞組中的電流產(chǎn)生了電樞反應(yīng)，使得氣隙磁場發(fā)生了畸變。從曲線圖上還可以看出，所設(shè)計(jì)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠輸出額定要求的電壓及功率值。

圖7 空載運(yùn)行時(shí)的一些特性曲線

圖8 額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的一些特性曲線

3 結(jié)語

大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸優(yōu)化方法是在保證永磁電機(jī)性能的情況下,利用Ansoft/RMprt參數(shù)化計(jì)算功能優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子尺寸和永磁體尺寸。用Ansoft/Maxwell 2D對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行電磁有限元分析,得到了電機(jī)的電磁性能仿真曲線。不再需要花費(fèi)大量的人力物力做樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)測試,從而極大地縮短了研發(fā)周期和制造成本,做到材料利用率最高,避免了浪費(fèi)。輕量化的設(shè)計(jì)不僅降低了成本，還極大的方便了電機(jī)的運(yùn)輸和安裝。筆者的方法為2 MW以上的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供重要的參考。

[1] 謝若初．直接驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué):2005：1～6.

[2] 趙強(qiáng),趙爭鳴,高徐嬌. 永磁電機(jī)中永磁體尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電機(jī)電器技術(shù).2001(3): 2～5.

[3] 張兆強(qiáng).MW級(jí)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué),2007:19～33.

[4] 趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

朱公棟，男，1990年生，西安工程大學(xué)碩士研究生，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)。