兆瓦级无刷双馈风力发电机的设计与电磁场研究

近年来,风力发电作为可再生的清洁能源在全球范围内受到了广泛关注,发展适用于风力发电的兆瓦级新型电机也越来越受到重视。兆瓦级无刷双馈发电机,不仅具有简单可靠的转子结构,取消了电刷和滑环,而且具有绕线式转子感应电机良好的起动性能和同步电机优良的运行性能；还可以通过调节励磁绕组侧电流的频率、幅值和相位,实现变速恒频发电,并可实现有功功率和无功功率的灵活控制；而且双馈运行时所需要的变频器容量较小,能较大降低系统的成本。本文首先介绍了兆瓦级新型径向叠片磁障式无刷双馈发电机(Radially Laminated Magnetic-Barrier-rotor Doubly-Excited Brushless Generator,简称RLMB-rotor DEBG)的特殊结构,以及无刷双馈风力发电机的变速恒频发电原理。并基于传统交流电机的设计原理及原则,针对无刷双馈发电机的特殊性,对一台1.5MW,转子极对数为(2+3)的径向叠片磁障式无刷双馈发电机进行了电磁设计。其次,针对实际应用中的需要,利用Ansoft有限元分析软件,分别建立了1.5MW内转子型和外转子型径向叠片磁障式无刷双馈发电机的二维电磁场模型。计算分析了电机空载运行时的电磁场分布、绕组磁链、气隙磁密、电压及负载同步运行时的转矩性能,效率等参数。并深讨了转子极数(两套定子绕组的极数配合)不同对内转子型电机各项性能的影响,为实际应用中电机转子的优化提供了理论依据。最后,由于大功率电机对振动和噪声要求较高,运用Ansoft有限元软件对内转子型和外转子型径向叠片磁障式无刷双馈发电机空载和负载两种工作状态分别进行了径向电磁力计算,同时对其进行了谐波分析。这些结果都为无刷双馈风力发电机的进一步研究奠定了理论基础。