1、哈爾濱工業大學交流永磁同步電機理論課程報告題目:永磁同步風力發電機的設計院彳系)電氣工程及其自動化學科電氣工程授課教師學號研究生。一四年六月第1章小型永磁發電機的基本結構小型風力發電機因其功率低，體積小，一般沒有減速機構，多為直驅型。發電機型式多種多樣，有直流發電機、電勵磁交流發電機、永磁電機、開關磁阻電機等。其中永磁電機因其諸多優點而被廣泛采用。1小型永磁風力發電機的基本結構按照永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，永磁發電機可分為徑向式、切向式和軸向式。徑向式永磁發電機徑向式轉子磁路結構中永磁體磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數較切向結構小，徑向磁化結構中的永磁體工作于串聯

2、狀態，只有一塊永磁體的面積提供發電機每極氣隙磁通，因此氣隙磁密相對較低。這種結構具有簡單、制造方便、漏磁小等優點。徑向磁場永磁發電機可分為兩種：永磁體表貼式和永磁體內置式。表貼式轉子結構簡單、極數增加容易、永磁體都粘在轉子表面上，但是，這需要高磁積能的永磁體（如教鐵硼等）來提供足夠的氣隙磁密。考慮到永磁體的機械強度，此種結構永磁電機高轉速運行時還需轉子護套。內置式轉子機械強度較高，但制造工藝相對復雜，制造費用較高。徑向磁場電機用作直驅風力發電機，大多為傳統的內轉子設計。風力機和永磁體內轉子同軸安裝，這種結構的發電機定子繞組和鐵心通風散熱好，溫度低，定子外形尺寸??；也有一些外轉子設計。風力機與發

3、電機的永磁體外轉子直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上，這種結構有永磁體安裝固定、轉子可靠性好和轉動慣雖大的優點，缺點是對電樞鐵心和繞組通風冷卻不利，永磁體轉子直徑大，不易密封防護、安裝和運輸。表貼式和徑向式的結構如圖1-1a）所示。a）徑向式結b）切向式結構1-永磁體2一硅鋼片3-軸4-隔磁套5一緊固套圖1-1徑向式、切向式永磁電機結構圖（2）切向式永磁發電機結構如圖1-1b）所示。切向式轉子磁路結構中，永磁體磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁比軸向式結構、徑向式結構要大。但是，在切向式結構中永磁體并聯作用，有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數較多的情況

4、下更為突出。因此適合于極數多且要求氣隙磁密高的永磁同步發電機2】。（3）軸向式永磁發電機軸向磁通發電機繞組物理位置被轉移到端面，電機的軸向尺寸相對較短。與徑向磁場電機相比，軸向磁通電機的磁路長度要短些。電機中導體電流呈徑向分布，這樣有利于電樞繞組散熱，可取較大電負荷，其中雙定子中間轉子盤式結構用得較多，結構如圖1-2所示。它具有結構緊湊、轉動慣雖大、通風冷卻效果好、噪聲低、軸向長度短、可多臺串聯等優點，便于提高氣隙磁密、提高硅鋼片利用率。缺點是直徑大、永磁材料用雖大、結構穩定性差。在永磁體結構軸向不對稱時，存在單邊磁拉力，如果磁路設訃不合理，漏磁通大，在等電磁負荷下，效率略低。1一泄子12一轉

5、子3一泄子2圖1-2盤式永磁電機泄、轉子結構圖永磁發電機用于風力發電可以省去電勵磁發電機的電刷、滑環等裝置，結構簡單，但也需要滿足一些特殊的要求。風力發電要求起動風速低，這就要求永磁電機的定位力矩要盡雖小，因此設訃時要盡雖減小齒糟轉矩。另外直驅式風力發電機工作轉速低，極數多，考慮到風力發電機的工作環境，在保證電機性能的條件下，體積應設計的盡雖小。所以定位力矩和性能體積比成為該電機在設計上的兩個主要問題。減小齒糟轉矩的方法，大體可以分為兩類：采用新型結構,5糟電機、磁懸浮電機等。在傳統結構上進行參數優化，如合理地選取極孤系數，采用合適的極糟配合，改變糟開口寬度（或使用磁性糟楔），采用斜糟、斜極、

6、添加輔助糟、磁極偏移等措施。2本文的主要研究內容本設計主要按照任務書中的要求進行三相永磁同步風力發電機的結構設計，在此基礎上進行仿真和優化，選取最佳的設計方案。利用有限元軟件分析，探討不同參數對電機性能（空載特性、負載特性、齒糟轉矩等）的影響。設計的技術要求如下：（1）基本參數額定功率：金=500W額定功率因數:cos（p=0.9額定頻率:f=50Hz額定轉速：nN=200rpm額定線電壓最大值：Ullmax=30V(Y接)電壓波形：正弦波定位力矩：T<0.2N-m(2)結構參數最大外徑：Dmax<155mm電機長度：L<240mm轉子永磁體采用表貼式結構第2章永磁同步風力發

7、電機的電磁設計2.1引言永磁同步風力發電機，同傳統的永磁同步發電機一樣，在設計時要重點考慮固有電壓調整率、電壓波形畸變率和功率密度等性能。同時，作為直驅式風力發電機，也需要根據其自身的工作特性考慮其特殊的性能要求，如相電流較大、定位力矩較小等。如何提高電機的功率密度和減小定位力矩是本次設計的難點。由于有限元法開發周期較長，所以LI前永磁電機電磁設計仍較多采用磁路法。通過磁路訃算，初步確定電機的各部分結構和參數，編寫計算程序，并核算其性能。本章的內容就是給出永磁同步發電機的主要結構和關鍵參數的選取和確定方式，初步確定電機的各部分尺寸和結構。2發電機主要尺寸的確定本電機設計采用表貼式內轉子結構，山

8、于電機的電磁負荷較大，初選永磁體牌號為N38。硅鋼片分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片。冷軋硅鋼片磁飽和性能比熱軋硅鋼片好，因電機的磁負荷比較高，極糟數多，考慮到齒部的飽和問題，選用冷軋硅鋼片，牌號為DW315-50。電機的轉軸上不存在交變磁場，只需要提供足夠的機械強度即可，因此材料選為10號鋼。機殼材料選用密度較小的鋁，以減輕電機重雖。電樞銅線對電機的性能影響不大，選擇常用材料即可。2.1主要尺寸基本關系式永磁同步發電機的主要尺寸是電樞直徑（定子內徑）Di】和軸向計算長度Li,與傳統電機一樣，主要尺寸的基本關系式：DuL,J?6.1X104PjcXiABAKAKdp（2-1）式中有的雖是技術要求給定

9、的（訃算電磁功率R和轉速n），或是變化范圍不大的（汁算極孤系數山，氣隙磁場波形系數K°和繞組系數Kdp），可以通過初選電磁負荷來確定電機尺寸。但在本設計中，因技術要求中給定了電機的直徑和長度范圍，因此可直接按照給定的外形尺寸來確定電機的主要尺寸。初定定子外徑148nmi,內徑11Omm,軸向長度17Omni。2.2.2氣隙長度的選擇永磁電機的氣隙長度是很重要的參數，它不僅影響電機的裝配工藝和雜散損耗，同時對電機的交、直軸同步電抗有影響。為減小過大的雜散損耗，降低電機的振動和噪聲和便于電機裝配，永磁電機的氣隙長度通常比同規格的感應電機的氣隙大。設計時可參照同規咯的感應電機的氣隙長度，并

10、做適當修改。本設計中，氣隙長度§0.5mm=。2.3永磁體設計永磁體尺寸包括永磁體軸向長度L”，磁化方向長度h”和寬度b”。軸向長度LM取與鐵心軸向長度相等或稍小于鐵心軸向長度。磁化方向長度hM的選取影響著電機的直軸電抗進而影響電機的許多性能。應使永磁體工作于最佳工作點,hM過大會造成材料浪費，增加成本；h”過小會使永磁體易于退磁，而且加工難度大，廢品率增加。寬度bM的選取關系到每極磁通的大小,bM的大小與極孤系數CXp有關，而ap對電壓波形、漏磁系數和齒糟轉矩等有重要影響。在本設計中預取永磁體磁化方向長度hM=4mm,極弧系數otp=0.77,永磁體寬度按轉子外徑和極弧系數訃算得到

11、，九=8.59mmo2.4定子繞組和鐵心設計2.4.1繞組形式的確定定子繞組的形式有分布式和集中式。集中式繞組的線圈直接繞在一個齒上，節距y=l。與分布式繞組相比，不僅降低了繞線的難度，而且端部短，電阻小，銅耗低，可以有效的降低電機的成本和發熱13o在電機極數和相數一定的情況下，定子糟數山每極每相糟數q決定。q可以為整數也可以是分數。但直驅式風力發電機中，由于電機轉速較低，極數較多，q取整數會使電機定子糟數過多，這不僅使電機外徑增大，還使加工成本增加，絕緣材料用雖增大，降低糟利用率。更重要的是使電機齒糟轉矩很大。與此相比，分數糟繞組（q取分數，本設計中取qVl）不僅能使電機糟數減少，而且能有效

12、的減小齒糟轉矩?；谝陨峡紤]，本設計中定子繞組采用雙層分數糟集中繞組。2.4.2極槽數的確定永磁電機中，極糟數的設訃對電機的性能有很大的影響。合理的極糟配合可以保證電機具有較高的繞組因數，能夠改善電壓波形和減小齒糟轉矩。在給定轉速和頻率的情況下，電機的極對數可山公式（2-2）確定n（2-2）定子糟數由每極每相糟數q來確定。根據文獻9,為保證集中式繞組的繞組因數大于0.95,q的范圍為0.2773-0.4178,電機的糟數Z可取17-37。根據文獻14,為滿足三相對稱和短距的要求，選取Z=36o即電機的極糟數為30極36糟。經驗證，該極糟配合能實現較高的繞組系數和較小的齒糟轉矩。2.5電機的路算

13、結果按以上原則選取電機的主要參數后確定電機結構并核算性能，得到電機的路算結果見表2-1?2-4o表2-1電機重要尺寸表（mm）表2?2主要結構參數表轉子外徑110定子外徑148.定子內徑111#氣隙長度0.5軸徑40勺轉子鐵心長度%1770148電負荷A/cm139.981氣隙磁密T0.809齒磁密T1.777定子軌磁密T1.564轉子軌磁密T0.305永磁體磁密T0.993每相繞組電阻a0.142每相繞組漏抗Q0.282極弧系數0.772?3每極每相槽數0.4繞組因數0.933表繞組每相串聯匝數60電每槽導體數10參并聯古路數1懈粉壬作點64ccu0.8j/O.Q永磁體負載工作點90.843

14、/0.157空載勵磁電勢（線max）V41.392輸出電壓（線max）V31.225定子鐵耗W51.263繞組銅耗w75.556總損耗w185.81輸出功率W541.682效率72.404第3章永磁同步風力發電機的有限元分析1分析模型的建立根據第2章電磁設計中確定的方案建立電機的二維電磁場分析模型，對電機的靜態磁場和瞬態磁場進行分析。由于電機結構沿軸向是對稱的，因此只建立二維模型進行分析。按兒何對稱性，電機的結構可分為若干個周期。本電機為30極36糟，可分為6個周期。為了縮短Maxwe112D運行時間，本文對電機的2個周期進行建模分析。所建立模型如圖3?1所示。圖3?1永磁同步發電機有限元仿真

15、？模型圖2靜態場分析圖3-2為電機的磁力線分布圖。顯然，磁力線對稱且徑向分布。相鄰磁極間的磁力線構成磁流通路徑，相鄰兩個磁極間有一定的漏磁，但山于極孤系數不是很大，磁極間距比較遠，漏磁較少。圖3?2有限元分析磁力線圖圖3?3為1個周期(5極6糟)內磁通密度沿圓周方向分布曲線，最大磁密為1.0727T,平均磁密0.7881T。與路算的結果(0.809T)相比，誤差2.7%,在10%以內。由于定子開糟形的影響，導致了氣隙磁阻不均勻，經過定子齒部路徑的磁阻要小于經過糟部路徑的磁阻，因此，更多的磁力線沿著磁阻小的路徑進入定子齒,而進入糟的磁力線就相對要少得多。III此導致了氣隙磁密在接近齒的地方幅值高

16、，接近糟的地方幅值低。DAtance圖3?3圓周方向氣隙磁密曲線3.3瞬態場分析3.3.1空載磁場分析空載運行是同步發電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場山轉子磁勢單獨建立，通過空載特性我們可以了解到電機的磁路設計的是否合理。圖3-4為電機額定轉速下空載反電勢相電壓波形曲線。分析其波形畸變率，在后處理計算器中得到線電壓波形并進行傅立葉分解，得到各次諧波含雖和大小如圖所示。可以看出電機空載感應線電壓基波幅值為27.5V,有效值為19.45VO路算結果18.37V,與場算誤差5.6%。但是電壓波形的正弦度并不好，畸變率7.41%o"6UJ圖34額立轉速下空載反電勢波形圖齒糟轉矩波形如圖3-5

17、所示，齒糟轉矩最大值1.91N?mo...021.1.O.O.O.1.1.2圖3-5齒槽轉矩波形圖漏磁系數是指電機中永磁體提供的總磁通與進入電樞的氣隙主磁通的比值，它反應的是永磁體向外電路提供的總磁通的有效利用程度，漏磁通相對較大時永磁體的利用率就差。該永磁風力同步發電機是徑向結構電機，漏磁系數可通過下式進行計算：%|4-A4|(3-1)式中A】、A2>A3、A4分別為圖3-6中節點1、2、3、4處的磁矢位。圖3-6電機沖片圖根據該方法求得電機的漏磁系數1.06687。利用Maxwell2D軟件的場計算器還可以得到額定轉速時空載氣隙磁密以及定、轉子齒和轆的磁密

18、，棋至電機內部任意一點的磁場參數。結果見表3-1。3.3.2負載磁場分析電機負載運行時，繞組中電流不再為零，電樞繞組電流產生的電樞磁動勢會影響氣隙磁場的分布和大小。圖37?3-9為發電機負載運行時的分析結果。可以得到電機平均轉矩34.34N?m,額定輸出相電流基波幅值為19.885A,額定電壓；平均輸出功率為533.818Wo在額定負載下，該直驅永磁同步風力同步發電機能夠輸出額定的電壓及功率值。發電機負載性能的場算結果與路算結果對比見表3-1o-10*15EZ-20-25-30-L/WWW40r-1T,1I*1T1r1r*1i1p1|*1fI'J*J*2024681012141618202t(ms)圖3?7額左負載電機轉矩圖刑05101520I(ms)圖3?8額上負載相反電勢波形圖3-9額怎負載相電流波形表34路算與場算結果對比場算結果|路算結果空載氣隙磁密0.78810.809定子齒磁密1.7541.777定子輒磁密1.5261.564空載線電壓基波最大值(V)40.6641?392負載負載線電壓最大值(V)3131.225負載相電流最大值(A)19.88520.031平均功率w533.818541.682效率(%)74.272.404可以看出，電機的場算結果和路算結果接近，在允許誤差范圍內，說明路算結果較為準確?？偨Y本文對一臺直驅式永磁同步風力發電機進行了結構設計和性