永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)交流永磁同步電機理論課程報告題 目：永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計院 (系) 電氣工程及其自動化 學(xué) 科 電氣工程 授 課 教 師 學(xué) 號 研 究 生 二一四年六月第1章 小型永磁發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)小型風(fēng)力發(fā)電機因其功率低，體積小，一般沒有減速機構(gòu)，多為直驅(qū)型。發(fā)電機型式多種多樣，有直流發(fā)電機、電勵磁交流發(fā)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機等。其中永磁電機因其諸多優(yōu)點而被廣泛采用。1.1小型永磁風(fēng)力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)按照永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，永磁發(fā)電機可分為徑向式、切向式和軸向式。（1）徑向式永磁發(fā)電機 徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(shù)

2、較切向結(jié)構(gòu)小，徑向磁化結(jié)構(gòu)中的永磁體工作于串聯(lián)狀態(tài)，只有一塊永磁體的面積提供發(fā)電機每極氣隙磁通，因此氣隙磁密相對較低。這種結(jié)構(gòu)具有簡單、制造方便、漏磁小等優(yōu)點。徑向磁場永磁發(fā)電機可分為兩種：永磁體表貼式和永磁體內(nèi)置式。表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、極數(shù)增加容易、永磁體都粘在轉(zhuǎn)子表面上，但是，這需要高磁積能的永磁體（如釹鐵硼等）來提供足夠的氣隙磁密?？紤]到永磁體的機械強度，此種結(jié)構(gòu)永磁電機高轉(zhuǎn)速運行時還需轉(zhuǎn)子護套。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機械強度較高，但制造工藝相對復(fù)雜，制造費用較高。徑向磁場電機用作直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，大多為傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計。風(fēng)力機和永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸安裝，這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機定子繞組和鐵心通風(fēng)散熱好，溫度低，

3、定子外形尺寸?。灰灿幸恍┩廪D(zhuǎn)子設(shè)計。風(fēng)力機與發(fā)電機的永磁體外轉(zhuǎn)子直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上，這種結(jié)構(gòu)有永磁體安裝固定、轉(zhuǎn)子可靠性好和轉(zhuǎn)動慣量大的優(yōu)點，缺點是對電樞鐵心和繞組通風(fēng)冷卻不利，永磁體轉(zhuǎn)子直徑大，不易密封防護、安裝和運輸1。表貼式和徑向式的結(jié)構(gòu)如圖1-1 a)所示。a)徑向式結(jié)構(gòu) b)切向式結(jié)構(gòu)1永磁體2硅鋼片3軸4隔磁套5緊固套圖1-1 徑向式、切向式永磁電機結(jié)構(gòu)圖（2）切向式永磁發(fā)電機 結(jié)構(gòu)如圖1-1 b)所示。切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、徑向式結(jié)構(gòu)要大。但是，在切向式結(jié)構(gòu)中永磁體并聯(lián)作用，有兩個永磁體截面對氣隙

4、提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多的情況下更為突出。因此適合于極數(shù)多且要求氣隙磁密高的永磁同步發(fā)電機2。（3）軸向式永磁發(fā)電機 軸向磁通發(fā)電機繞組物理位置被轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)子盤式結(jié)構(gòu)用得較多，結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動慣量大、通風(fēng)冷卻效果好、噪聲低、軸向長度短、可多臺串聯(lián)等優(yōu)點，便于提高氣隙磁密、提高硅鋼片利用率。缺點是直徑大、永磁材料用量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。在永磁體結(jié)構(gòu)軸向不對稱時，存在單邊磁拉力，如果磁路設(shè)計不合理，漏

5、磁通大，在等電磁負荷下，效率略低。1定子1 2轉(zhuǎn)子 3定子2圖1-2盤式永磁電機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖永磁發(fā)電機用于風(fēng)力發(fā)電可以省去電勵磁發(fā)電機的電刷、滑環(huán)等裝置，結(jié)構(gòu)簡單，但也需要滿足一些特殊的要求。風(fēng)力發(fā)電要求起動風(fēng)速低，這就要求永磁電機的定位力矩要盡量小，因此設(shè)計時要盡量減小齒槽轉(zhuǎn)矩。另外直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速低，極數(shù)多，考慮到風(fēng)力發(fā)電機的工作環(huán)境，在保證電機性能的條件下，體積應(yīng)設(shè)計的盡量小。所以定位力矩和性能體積比成為該電機在設(shè)計上的兩個主要問題。減小齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，大體可以分為兩類：采用新型結(jié)構(gòu)電機，如無槽電機、磁懸浮電機等。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進行參數(shù)優(yōu)化，如合理地選取極弧系數(shù)，采用合適的極槽配

6、合，改變槽開口寬度（或使用磁性槽楔），采用斜槽、斜極、添加輔助槽、磁極偏移等措施。1.2 本文的主要研究內(nèi)容本設(shè)計主要按照任務(wù)書中的要求進行三相永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進行仿真和優(yōu)化，選取最佳的設(shè)計方案。利用有限元軟件分析，探討不同參數(shù)對電機性能（空載特性、負載特性、齒槽轉(zhuǎn)矩等）的影響。設(shè)計的技術(shù)要求如下：（1）基本參數(shù)額定功率：PN=500W額定功率因數(shù)：cos=0.9額定頻率：f=50Hz額定轉(zhuǎn)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：T0.2Nm（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)最大外徑：Dmax<155mm電機長度：L240mm轉(zhuǎn)子

7、永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu) 第2章 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的電磁設(shè)計2.1 引言永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，同傳統(tǒng)的永磁同步發(fā)電機一樣，在設(shè)計時要重點考慮固有電壓調(diào)整率、電壓波形畸變率和功率密度等性能。同時，作為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機，也需要根據(jù)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(shè)計的難點。由于有限元法開發(fā)周期較長，所以目前永磁電機電磁設(shè)計仍較多采用磁路法。通過磁路計算，初步確定電機的各部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)，編寫計算程序，并核算其性能。本章的內(nèi)容就是給出永磁同步發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)的選取和確定方式，初步確定電機的各部分尺寸和結(jié)構(gòu)。2

8、.2 發(fā)電機主要尺寸的確定本電機設(shè)計采用表貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由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，極槽數(shù)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(zhuǎn)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，以減輕電機重量。電樞銅線對電機的性能影響不大，選擇常用材料即可。2.2.1 主要尺寸基本關(guān)系式永磁同步發(fā)電機的主要尺寸是電樞直徑(定子內(nèi)徑)Di1和軸向計算長度Li，與傳統(tǒng)電機一樣，主要尺寸的基本關(guān)系式： (2-1)式中有的

9、量是技術(shù)要求給定的(計算電磁功率Pi和轉(zhuǎn)速n)，或是變化范圍不大的(計算極弧系數(shù)i，氣隙磁場波形系數(shù)K和繞組系數(shù)Kdp)，可以通過初選電磁負荷來確定電機尺寸。但在本設(shè)計中，因技術(shù)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148mm，內(nèi)徑110mm，軸向長度170mm。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(shù)，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(guī)格的感應(yīng)電機的氣隙大。設(shè)計時可參照同規(guī)格的感應(yīng)電機的氣隙長度

10、，并做適當(dāng)修改。本設(shè)計中，氣隙長度=0.5mm。2.3 永磁體設(shè)計永磁體尺寸包括永磁體軸向長度LM，磁化方向長度hM和寬度bM。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。hM應(yīng)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；hM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(guān)系到每極磁通的大小，bM的大小與極弧系數(shù)p有關(guān)，而p對電壓波形、漏磁系數(shù)和齒槽轉(zhuǎn)矩等有重要影響。在本設(shè)計中預(yù)取永磁體磁化方向長度hM=4mm，極弧系數(shù)p=0.77，永磁體寬度bM按轉(zhuǎn)子外徑和極弧系數(shù)計算得到，bM=

11、8.59mm。2.4 定子繞組和鐵心設(shè)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(jié)距y=1。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(fā)熱13。在電機極數(shù)和相數(shù)一定的情況下，定子槽數(shù)由每極每相槽數(shù)q決定。q可以為整數(shù)也可以是分數(shù)。但直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機中，由于電機轉(zhuǎn)速較低，極數(shù)較多，q取整數(shù)會使電機定子槽數(shù)過多，這不僅使電機外徑增大，還使加工成本增加，絕緣材料用量增大，降低槽利用率。更重要的是使電機齒槽轉(zhuǎn)矩很大。與此相比，分數(shù)槽繞組(q取分數(shù)，本設(shè)計中取q<1)不僅能使電機槽數(shù)減少，而且能

12、有效的減小齒槽轉(zhuǎn)矩?；谝陨峡紤]，本設(shè)計中定子繞組采用雙層分數(shù)槽集中繞組。2.4.2 極槽數(shù)的確定永磁電機中，極槽數(shù)的設(shè)計對電機的性能有很大的影響。合理的極槽配合可以保證電機具有較高的繞組因數(shù)，能夠改善電壓波形和減小齒槽轉(zhuǎn)矩。在給定轉(zhuǎn)速和頻率的情況下，電機的極對數(shù)可由公式(2-2)確定 (2-2)定子槽數(shù)由每極每相槽數(shù)q來確定。根據(jù)文獻9，為保證集中式繞組的繞組因數(shù)大于0.95，q的范圍為，電機的槽數(shù)Z可取17-37。根據(jù)文獻14，為滿足三相對稱和短距的要求，選取Z=36。即電機的極槽數(shù)為30極36槽。經(jīng)驗證，該極槽配合能實現(xiàn)較高的繞組系數(shù)和較小的齒槽轉(zhuǎn)矩。2.5 電機的路算結(jié)果按以上原則選取

13、電機的主要參數(shù)后確定電機結(jié)構(gòu)并核算性能，得到電機的路算結(jié)果見表2-12-4。表2-1電機重要尺寸表(mm) 表2-2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表極弧系數(shù)0.77每極每相槽數(shù)0.4繞組因數(shù)0.933繞組每相串聯(lián)匝數(shù)60每槽導(dǎo)體數(shù)10并聯(lián)支路數(shù)1槽滿率%64.9轉(zhuǎn)子外徑110定子外徑148定子內(nèi)徑111氣隙長度0.5軸徑40轉(zhuǎn)子鐵心長度170定子鐵心長度170表2-3 電機主要電磁負荷表 表2-4 電機性能參數(shù)表電流密度A/mm24.148電負荷A/cm139.981氣隙磁密T0.809齒磁密T1.777定子軛磁密T1.564轉(zhuǎn)子軛磁密T0.305永磁體磁密T0.993每相繞組電阻0.142每相繞組漏抗0.2

14、82永磁體空載工作點0.855/0.145永磁體負載工作點0.843/0.157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(fēng)力發(fā)電機的有限元分析3.1 分析模型的建立根據(jù)第2章電磁設(shè)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(tài)磁場和瞬態(tài)磁場進行分析。由于電機結(jié)構(gòu)沿軸向是對稱的，因此只建立二維模型進行分析。按幾何對稱性，電機的結(jié)構(gòu)可分為若干個周期。本電機為30極36槽，可分為6個周期。為了縮短Maxwell 2D運行時間，本文對電機的

15、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(fā)電機有限元仿真模型圖3.2 靜態(tài)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(gòu)成磁流通路徑，相鄰兩個磁極間有一定的漏磁，但由于極弧系數(shù)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槽）內(nèi)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(jié)果（0.809T）相比，誤差2.7%，在10%以內(nèi)。由于定子開槽形的影響，導(dǎo)致了氣隙磁阻不均勻，經(jīng)過定子齒部路徑的磁阻要小于經(jīng)過槽部路徑的磁阻，因此，更多的磁力線沿著磁阻小的路

16、徑進入定子齒， 而進入槽的磁力線就相對要少得多。由此導(dǎo)致了氣隙磁密在接近齒的地方幅值高，接近槽的地方幅值低。圖3-3 圓周方向氣隙磁密曲線3.3 瞬態(tài)場分析3.3.1 空載磁場分析空載運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)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(shè)計的是否合理。圖3-4為電機額定轉(zhuǎn)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，得到各次諧波含量和大小如圖所示?？梢钥闯鲭姍C空載感應(yīng)線電壓基波幅值為27.5V,有效值為 19.45V。路算結(jié)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.

17、41%。圖3-4 額定轉(zhuǎn)速下空載反電勢波形圖齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖3-5所示，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值1.91Nm。圖3-5 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖漏磁系數(shù)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(yīng)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(fēng)力同步發(fā)電機是徑向結(jié)構(gòu)電機，漏磁系數(shù)可通過下式進行計算： (3-1)式中A1、A2、A3、A4分別為圖3-6中節(jié)點1、2、3、4處的磁矢位。圖3-6 電機沖片圖根據(jù)該方法求得電機的漏磁系數(shù)=1.06687。利用Maxwell 2D 軟件的場計算器還可以得到額定轉(zhuǎn)速時空載氣隙磁密以及定、轉(zhuǎn)子齒和軛的磁密，甚至電機內(nèi)

18、部任意一點的磁場參數(shù)。結(jié)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(chǎn)生的電樞磁動勢會影響氣隙磁場的分布和大小。圖3-73-9為發(fā)電機負載運行時的分析結(jié)果。可以得到電機平均轉(zhuǎn)矩34.34N·m，額定輸出相電流基波幅值為19.885A，額定電壓31V，平均輸出功率為533.818W。在額定負載下，該直驅(qū)永磁同步風(fēng)力同步發(fā)電機能夠輸出額定的電壓及功率值。 發(fā)電機負載性能的場算結(jié)果與路算結(jié)果對比見表3-1。圖3-7 額定負載電機轉(zhuǎn)矩圖圖3-8 額定負載相反電勢波形圖3-9 額定負載相電流波形表3-1路算與場算結(jié)果對比場算結(jié)果路算結(jié)果空載氣隙磁密(T)0.78810.809定子齒磁密(T)1.7541.777定子軛磁密(T)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(jié)果和路算結(jié)果接近，在允許誤差范圍內(nèi)，說明路算結(jié)果較為準確?？?結(jié)本文對一臺直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析，主要內(nèi)容如下：用磁路法對電機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)計算，給出了各部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選取和