风速突变时永磁风力发电机磁钢受力分析_免费论文全文下载

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【摘要】基于永磁同步风力发电机组的工作原理， 在电力系统分析软件PSCAD中建立了金风62型（1.2MW）永磁同步风力发电机的仿真模型，并对其进行了仿真分析，得出了风速突变时风力发电机端的电流。根据电磁场原理建立了发电机的电磁场二维模型，给出了模型的基本假设和边界条件，以发电机的一对磁极为计算区域分析了风速突变条件下的电磁场，计算了磁钢受到的切向和径向的电磁力。计算结果表明：风速突变时，磁钢会受到去磁性质的电磁力作用。与粘接胶的额定数据进行比较，电磁力不足以使磁钢脱落。但随着风力发电机长时间的运行，磁钢经受长时间的受力作用，会有脱落的趋势。

【关键词】磁钢受力;风速突变;永磁风力发电机
永磁同步发电机以发电效率高、可靠性高、运行及维护成本低和电网接入性能优异等特点，在风力发电领域受到了越来越多的重视。它体积大、重量高、采用大量的永磁体（磁钢）作为磁极，价格昂贵。发电机在运行时，永磁体受到电流冲击和电枢磁场的斥力作用，并且风速越大越严重，必须保证粘接剂和粘接工艺使粘接的永磁体非常可靠。
随着各国对风力发电项目越来越重视，各国的风力发电机装机容量在快速增加，特别是美国、中国和欧洲一些国家。装机容量快速增加的同时，风力发电机的故障停机事故频发，为了不影响风力发电事业的发展，各国开始对风力发电机的研究是值得国内学习和借鉴的。国内许多高校、学者对磁钢脱落进行了一部分的研究，取得了较多的理论成果，但还待进一步的研究。
本文主要介绍金风62型永磁同步风力发电机。该发电机采用外转子内定子结构，磁钢贴在转子轭上，定子绕组位于内部。风速突变时，电枢磁场对磁钢会产生去磁的作用力，其可以被分解为沿切向电磁力Fx和沿径向的电磁力Fy。Fx对于磁钢的粘接效果非常重要，粘接胶的粘接力必须大于Fx，才能够保证磁钢不发生位移和脱落，因此实际工程中对粘接胶提出了较高的质量要求。
1.磁钢所受电磁力的分析
在风速突变瞬间，转子轭仍在转动，电枢磁场和磁钢磁场的相对位置会发生改变，所以必须计算磁钢可能受到的电枢的瞬间电磁力。某个瞬间Fx可能较小，Fy可能较大，这时电枢磁场对磁钢的切向斥力较小，因而主要应校核磁钢的抗压强度、粘接胶的肖氏硬度及剪切强度;当Fx相对较大，Fy相对较小，这时的电枢磁场对于磁钢的切向作用力较大，因而主要应校核粘接胶的拉伸强度;鉴于粘接胶的肖氏硬度和剪切强度较高，所以主要应校核拉伸强度。
电磁力主要的计算方法有：洛仑兹力法、麦克斯韦张量发和虚位移法。
其中，洛仑兹力法是直接源于电磁原理的算法，当受力物体仅为载流导体时，使用该方法十分便捷。基于二维磁场结果的洛仑兹力计算公式为：
（1）
式中：Fe为单元所受洛仑兹力;l为导条轴向长度;Se为单元面积;Je为单元电密;Be为单元磁密。
麦克斯韦张量法是一种电磁力张量概念，该方法利用作用在物体外表面的面密度电磁力来代表物体实际受到的体密度电磁力，通过对面密度积分得到力的大小。计算公式为：
（2）
式中：B1n、B2n为不同媒质交界面处的法向磁密值;B1t、B2t为切向磁密值;、为两种媒质的磁导率;s 代表物体的外表面。
虚位移法按虚功等效的原则建立由等效节点力进一步计算介质内部电磁力密度和不同介质交界面处电磁应力的数学模型，进而推导了二维平行平面场条件下的具体计算公式，与其它算法相比，该方法在相同剖分下具有较高的计算精度，且计算结果受剖分的影响较小。
本文用虚位移法计算磁钢受到的斥力。确定了计算区间的边界单元后，在软件里编制后处理程序，对所有的单元进行受力计算，并将这些单元力保存在实部解集里。选择所有的单元，将这些单元力移入到单元表中，再对单元表进行求和，就可以得到磁钢总的受力。
2.发电机端电流计算
在PSCAD软件下以金风62型永磁同步风力发电机为例建模，为计算方便，假设：①电机的转速保持不变;②电机的磁路不饱和（可以利用叠加原理）;③风速突变前发电机为空载状态。
2.1 风力发电机组建模
风力发电机额定功率PN为1.2MW，额定电压UN为690V。在PSCAD软件下建模如图1所示，包括风力机、发电机、控制系统等。
2.2 仿真结果与分析
当风速由12m/s突变到22m/s时，如图2所示，发电机端电流为6.5kA，如图3所示。
图2 风速突变示意图
图3 发电机端电流图
由图3可知，当风速突变瞬间，流过风力发电机定子绕组的电流瞬间变大。
3.金风62型永磁同步风力发电机的有限元计算
3.1 基本数据和瞬态电流计算
额定功率PN为1.2 MW，定子槽数Z为576，Y接，极对数Q为48，功率因数cos为0.85，额定电压UN为690V，额定转速nN为20 r/min，转子铁心外直径Do为4 600mm，转子铁心内直径Di为4486 mm。在带有较重的感性负荷情况下，发生风速突变时，对所建立的模型施加电流密度载荷（8.06×105A/m2），计算中间一块磁钢所受的电磁力。对绕组施加的瞬时电流密度如图4所示。
图4 瞬时电流密度图
图5为发电机风速突变时的磁密分布云图。
图5 磁密分布云图
3.2 计算结果与粘接胶数据的比较分析
ANSYS软件用虚位移法计算的磁钢受力结果见表1，中间的磁钢受到的切向斥力Fx为50370.7N/m2。一个磁极的面积为0.127×0.8m2=0.1016m2，换算后一个磁极受力为4.958×105N/m2=496psi 1 000 psi（1psi≈1000N/m2），而粘接胶的拉伸强度大于1 000 psi（见表2）;另外考虑到电枢磁场对磁钢径向的压力Fy为53809.3N/m2（相对于Fx还较大），磁钢本身对转子轭具有吸合力，更加之转子轭内表面已经打毛，和磁钢之间具有较大的摩擦力，都使磁钢不易发生移动。可见粘接胶的拉伸强度能够满足发电机在风速突变工况下的需要。
表1 ANSYS软件计算的磁钢受力
计算方法 Fx Fy
虚位移法 50370.7 53809.3
表2 粘接胶的粘接力数据
肖氏硬度 拉伸强度/psi 剪切强度/psi
50 1000 700
4.结论
本文建立了永磁同步风力发电机的电磁场模型，分析了发电机发生风速突变时的电枢磁场的性质，计算了电枢磁场对磁钢的电磁力Fx和Fy。结果表明，绕组在风速突变时，磁钢受到去磁性质的电磁力作用。根据产生的电磁力校核了粘接胶的粘接强度是可以满足需求的，可以为发电机的设计制造提供科学依据。
参考文献
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基金项目：本文系基于多源征兆和并网运行状态的大型风电机组早期故障诊断研究研究项目（项目编号：51367015）。
作者简介：
乔欣欣（1989―），女，硕士研究生，研究方向：风力发电机故障诊断技术。
张新燕（1964―），女，博士，教授，博士生导师，从事洁净能源的科研工作。

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