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摘要：现代风力发电技术的发展趋势为一是无刷化，二是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动永磁风力发电机。本文以输出功率1.5MW，转速为20r/min，120极378槽的内置式直驱永磁风力发电机为例，通过场路结合法分析了发电机在空载、额定负载、短路情况下的运行性能。最后比较和分析了极弧系数、负载变化以及每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响，为今后电机参数优化提供理论依据。
关键词：直驱式；永磁同步风力发电机；性能
前言
永磁直驱同步风力发电机是由风力直接驱动发电机进行发电，亦称无齿轮风力发电机。这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和易过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的直驱式风力发电机，具备高效率、低噪声、高寿命、体积小、维护成本低等诸多优点。
一、永磁同步风力发电机运行性能分析
采用RMxprt软件对功率为1.5MW的直驱式永磁风力发电机进行设计，确定电机尺寸为：定子外径3620mm，定子内径3324mm，转子外径3182mm，铁心长度1140mm，永磁体材料为Nd-FeB，永磁体厚度25mm，气隙长度6mm。RMxprt软件得到的永磁风力发电机的性能指标列于表1。
1、空载特性
图1给出用Maxwell2D软件得到的转速为20r/min时的空载相电压波形，其空载线电压为1194.9V，而用RMxprt软件计算的空载基波感应电压为1021.9V，两者差值是由于其它次谐波所造成的。图2所示为空载电压的谐波分量分布情况，3次谐波为其谐波中最大，总谐波畸变THD为11.91%，可以采取优化永磁体形状等一些设计方案来降低THD。空载齿槽转矩如图3所示，表明120极378槽设计方案的齿槽转矩脉动小，风机叶片的转速脉动也随之减小。图4给出了空载时的磁力线分布情况，可以看到磁力线合理地分布于定子齿部和转子轭部内，永磁体间漏磁很小，定子齿部磁密较大。
2、额定负载特性
为了分析风力发电机在额定状态下的运行性能，在用场路结合法进行分析时可以暂不考虑功率逆变器电路。仅考虑额定电阻性负载（0.3174Ψ）时的电压方程。永磁发电机的电压方程为
其中：Ra为每相电阻；Ll为线圈端部漏电抗；Ea为每相绕组的反电动势，Rload为负载电阻；Ia为相电流；RloadIa是由永磁发电机产生的输出电压。将负载电阻Rload与每相输出端相连，负载连接方式为星形。图5所示为额定负载时的相电压、相电流和输出功率波形。从图中可知输出功率接近系统所要求的指标。图6所示为额定负载时的电压谐波分量情况，与空载电压谐波分量对比可知，额定负载时的3次谐波大大减少。图7给出了额定负载时的磁力线分布，与空载情况相比，其磁力线在定子齿部和转子轭部内分布变形增大，永磁体间漏磁增大。
3、短路特性
发电机在额定运行时，在发电机绕组的电流密度允许范围内发电机可以有瞬间的短路电流发生。在短路故障发生时，电枢磁场就会对永磁体产生强烈的去磁效应，由于发电机的极数较多，各磁极之间距离较近，所以，发电机突然短路，其短路电流的瞬间幅值Im可达额定电流值的20倍，三相短路时的短路电流波形如图8所示。图9为短路时的磁力线分布情况，可以看到定子齿部磁密变大。
4、每极每相槽数对输出电压影响
因为直驱式永磁风力发电机转速低、极数多，电机外径又不能太大，为了提高绕组占槽面积，又不宜采用太多的槽数，故定子采用分数槽双层短距绕组，这样既减少永磁发电机的体积，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。分数槽绕组每极每相槽数可以表示为
其中：Z为定子槽数；p为极数；m为相数。下面分两种情况来讨论每极每相槽数q<1和q>1对输出电压谐波分量影响。第一种情况：当极数相同槽数不同时的q<1和q>1对输出电压影响。120极/378槽（q>1）与120极/342槽（q<1）的输出电压波形及其谐波分量对比分别如图10、图11所示。由图可见，对于极数相同槽数不同情况，它们的输出电压的波形和谐波分量几乎一样，这说明在槽满率、齿部密度、轭部密度以及每槽导体数基本相同的条件下，极数相同槽数不同时的q<1和q>1对输出电压的影响具有相似性。
第二种情况：当槽数相同极数不同时的q<1和q>1对输出电压影响。120极/378槽（q>1）与144极/378槽（q<1）的输出电压波形及其谐波分量对比分别如图12、图13所示。由图可见，对于槽数相同极数不同情况，它们的输出电压的波形和谐波分量发生明显变化。由于极数发生变化，输出电压的周期发生变化，144极/378槽（q<1）中3次及3次以上谐波都大于120极/378槽（q>1），这是因为发电机的极数增多，各磁极之间距离较近，流过电枢绕组的电流所产生的磁动势与永磁磁场相互作用强烈，使主磁通的磁路发生变化，导致主磁通减少，漏磁通增加。
5、负载变化及极弧系数对输出转矩的影响
若将永磁风力发电机电网侧电路等效成电阻性负载，则用RMxprt得到的永磁风力发电机的额定负载为0.3174Ψ，图14给出负载电阻值变化对发电机的输出转矩的影响。由图可见，随着负载阻值的不断增加，输出转矩也随着增加，当电阻值达到某一数值后，输出转矩反而减少，说明受电枢反应磁场等因素的影响，输出转矩或输出功率与外接负载的关系不再是简单的线性关系，而是非线性关系。图15给出了极弧系数对输出转矩影响的波形图，对于低速多极永磁风力发电机而言，极弧系数不能选择太小，如果极弧系数选择太小，那么磁场小，就有可能达不到所要求的力能输出特性，但不是说极弧系数选择的越大越好，因为极弧系数选择过大，漏磁大，所以视输出特性而定。以功率1.5MW、120极/378槽的永磁风力发电机为例，当极弧系数为0.76时，得到的输出转矩为5290kN·m；当极弧系数取0.815时，输出转矩为6340kN·m。
结束语
通过RMxprt软件设计了1.5MW直驱式永磁风力同步发电机的尺寸，并采用场路结合法分析了在空载、额定负载、短路情况下风力发电机的运行特性。最后比较和分析了极弧系数、负载变化以及每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响，这为分析极/槽不同配合对永磁同步发电机的运行特性提供一定的理论依据。
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