永磁同步风力发电机的设计

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1、哈尔滨工业大学交流永磁同步电机理论课程报告题 目：永磁同步风力发电机的设计院（系）电气工程及其自动化学科 电气工程授课教师学号研 究生二O四年六月第 1 章 小型永磁发电机的基本结构小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发 电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电 机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。1.1 小型永磁风力发电机的基本结构按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式 切向式和轴向式。（1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向

2、磁化结构中的永磁体 工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁 密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转 子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能 的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此 种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造 工艺相对复杂，制造费用较高。径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永 磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低， 定

3、子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦 合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转 动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大， 不易密封防护、安装和运输1。表贴式和径向式的结构如图1-1 a）所示。a）径向式结构b）切向式结构1永磁体 2硅钢片 3轴 4隔磁套 5紧固套图 1 -1 径向式、切向式永磁电机结构图(2) 切向式永磁发电机结构如图1-1 b)所示。切向式转子磁路结构中， 永磁体磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比轴向式结构、 径向式结构要大。但是，在切向式结构中永磁体并联作用，有两

4、个永磁体截面对 气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此 适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机2。(3) 轴向式永磁发电机轴向磁通发电机绕组物理位置被转移到端面， 电机的轴向尺寸相对较短。与径向磁场电机相比，轴向磁通电机的磁路长度要短 些。电机中导体电流呈径向分布，这样有利于电枢绕组散热，可取较大电负荷， 其中双定子中间转子盘式结构用得较多，结构如图 1-2 所示。它具有结构紧凑、 转动惯量大、通风冷却效果好、噪声低、轴向长度短、可多台串联等优点，便于 提高气隙磁密、提高硅钢片利用率。缺点是直径大、永磁材料用量大、结构稳定 性差。在永磁体结构轴向不对称时，

5、存在单边磁拉力，如果磁路设计不合理，漏 磁通大，在等电磁负荷下，效率略低。1定子 12转子 3定子 2图 1 -2 盘式永磁电机定、转子结构图 永磁发电机用于风力发电可以省去电励磁发电机的电刷、滑环等装置，结构 简单，但也需要满足一些特殊的要求。风力发电要求起动风速低，这就要求永磁 电机的定位力矩要尽量小，因此设计时要尽量减小齿槽转矩。另外直驱式风力发 电机工作转速低，极数多，考虑到风力发电机的工作环境，在保证电机性能的条 件下，体积应设计的尽量小。所以定位力矩和性能体积比成为该电机在设计上的 两个主要问题。减小齿槽转矩的方法，大体可以分为两类：采用新型结构电机，如无槽电 机、磁悬浮电机等。在

6、传统结构上进行参数优化，如合理地选取极弧系数，采 用合适的极槽配合，改变槽开口宽度(或使用磁性槽楔)，采用斜槽、斜极、添 加辅助槽、磁极偏移等措施。1.2 本文的主要研究内容本设计主要按照任务书中的要求进行三相永磁同步风力发电机的结构设计， 在此基础上进行仿真和优化，选取最佳的设计方案。利用有限元软件分析，探讨 不同参数对电机性能（空载特性、负载特性、齿槽转矩等）的影响。设计的技术要求如下：（1）基本参数额定功率：PN = 500W额定功率因数：cos申=0.9额定频率： f= 50Hz额定转速： nN = 200rpm额定线电压最大值： Ullmax = 30V（Y 接）电压波形：正弦波定位

7、力矩：TS0.2Nm（2）结构参数最大外径： Dmax 155mm电机长度：L 240mm转子永磁体采用表贴式结构第 2 章 永磁同步风力发电机的电磁设计2.1 引言永磁同步风力发电机，同传统的永磁同步发电机一样，在设计时要重点考虑 固有电压调整率、电压波形畸变率和功率密度等性能。同时，作为直驱式风力发 电机，也需要根据其自身的工作特性考虑其特殊的性能要求，如相电流较大、定 位力矩较小等。如何提高电机的功率密度和减小定位力矩是本次设计的难点。由于有限元法开发周期较长，所以目前永磁电机电磁设计仍较多采用磁路法 通过磁路计算，初步确定电机的各部分结构和参数，编写计算程序，并核算其性 能。本章的内容

8、就是给出永磁同步发电机的主要结构和关键参数的选取和确定方 式，初步确定电机的各部分尺寸和结构。2.2 发电机主要尺寸的确定本电机设计采用表贴式内转子结构，由于电机的电磁负荷较大，初选永磁体 牌号为N38。硅钢片分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片。冷轧硅钢片磁饱和性能比热 轧硅钢片好，因电机的磁负荷比较高，极槽数多，考虑到齿部的饱和问题，选用 冷轧硅钢片，牌号为DW315-50。电机的转轴上不存在交变磁场，只需要提供足 够的机械强度即可，因此材料选为 10 号钢。机壳材料选用密度较小的铝，以减 轻电机重量。电枢铜线对电机的性能影响不大，选择常用材料即可。2.2.1 主要尺寸基本关系式永磁同步发电机的主要

9、尺寸是电枢直径（定子内径屮泡和轴向计算长度Li，与 传统电机一样，主要尺寸的基本关系式：D Ln6.1x 104ii i =P a AB K Kii & dp（2-1丿式中有的量是技术要求给定的（计算电磁功率耳和转速n）,或是变化范围不大 的（计算极弧系数J，气隙磁场波形系数和绕组系数Kdp）,可以通过初选电磁 负荷来确定电机尺寸。但在本设计中，因技术要求中给定了电机的直径和长度范 围，因此可直接按照给定的外形尺寸来确定电机的主要尺寸。初定定子外径 148m m，内径110m m，轴向长度170mm。2.2.2 气隙长度的选择永磁电机的气隙长度是很重要的参数，它不仅影响电机的装配工艺和杂散损

10、耗，同时对电机的交、直轴同步电抗有影响。为减小过大的杂散损耗，降低电机 的振动和噪声和便于电机装配，永磁电机的气隙长度通常比同规格的感应电机的 气隙大。设计时可参照同规格的感应电机的气隙长度，并做适当修改。本设计中，气隙长度6 = 0.5mm。2.3 永磁体设计永磁体尺寸包括永磁体轴向长度LM，磁化方向长度hM和宽度bM。轴向长度 LM取与铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度。磁化方向长度hM的选取影响 着电机的直轴电抗进而影响电机的许多性能。hM应使永磁体工作于最佳工作点, hM过大会造成材料浪费，增加成本；hM过小会使永磁体易于退磁，而且加工难 度大，废品率增加。宽度bM的选取关系到每极磁

11、通的大小，bM的大小与极弧系 数ap有关，而ap对电压波形、漏磁系数和齿槽转矩等有重要影响。在本设计中预取永磁体磁化方向长度hM = 4mm，极弧系数ap = 0.77，永磁 体宽度bM按转子外径和极弧系数计算得到，bM = 8.59mm。2.4 定子绕组和铁心设计2.4.1 绕组形式的确定定子绕组的形式有分布式和集中式。集中式绕组的线圈直接绕在一个齿上， 节距y=l。与分布式绕组相比，不仅降低了绕线的难度，而且端部短，电阻小， 铜耗低，可以有效的降低电机的成本和发热13。在电机极数和相数一定的情况下，定子槽数由每极每相槽数q决定。q可以 为整数也可以是分数。但直驱式风力发电机中，由于电机转速

12、较低，极数较多， q 取整数会使电机定子槽数过多，这不仅使电机外径增大，还使加工成本增加， 绝缘材料用量增大，降低槽利用率。更重要的是使电机齿槽转矩很大。与此相比， 分数槽绕组(q取分数，本设计中取ql)不仅能使电机槽数减少，而且能有效的 减小齿槽转矩。基于以上考虑，本设计中定子绕组采用双层分数槽集中绕组。2.4.2 极槽数的确定永磁电机中，极槽数的设计对电机的性能有很大的影响。合理的极槽配合可 以保证电机具有较高的绕组因数，能够改善电压波形和减小齿槽转矩。在给定转速和频率的情况下，电机的极对数可由公式(2-2)确定60fPn(2-2)定子槽数由每极每相槽数 q 来确定。根据文献9，为保证集中

13、式绕组的绕 组因数大于0.95, q的范围为0.2773-0.4178,电机的槽数Z可取17-37。根据文 献14,为满足三相对称和短距的要求，选取Z=36。即电机的极槽数为30极36槽。经验证，该极槽配合能实现较高的绕组系数和较小的齿槽转矩。2.5电机的路算结果按以上原则选取电机的主要参数后确定电机结构并核算性能，得到电机的路算结果见表2-12-4。表2-1电机重要尺寸表（mm）转子外径110定子外径148定子内径111气隙长度0.5轴径40转子铁心长度170定子铁心长度170表2-3电机主要电磁负荷表电流密度A/mm24.148电负荷Acm139.981气隙磁密T0.809齿磁密T1.77

14、7定子轭磁密T1.564转子轭磁密T0.305永磁体磁密T0.993每相绕组电阻0.142每相绕组漏抗0.282极弧系数0.77每极每相槽数0.4绕组因数0.933绕组每相串联匝数60每槽导体数10并联支路数1槽满率64.9表2-4电机性能参数表永磁体空载工作点0.855/0.145永磁体负载工作点0.843/0.157空载励磁电势（线max）V41.392输出电压（线max） V31.225定子铁耗W51.263绕组铜耗W75.556总损耗W185.81输出功率W541.682效率72.404表2-2主要结构参数表第 3 章 永磁同步风力发电机的有限元分析3.1 分析模型的建立根据第 2 章

15、电磁设计中确定的方案建立电机的二维电磁场分析模型，对电机 的静态磁场和瞬态磁场进行分析。由于电机结构沿轴向是对称的，因此只建立二维模型进行分析。按几何对称 性，电机的结构可分为若干个周期。本电机为30极 36 槽，可分为6 个周期。为 了缩短Maxwell 2D运行时间，本文对电机的2个周期进行建模分析。所建立模 型如图3-1 所示。图 3 -1 永磁同步发电机有限元仿真模型图3.2 静态场分析图 3-2 为电机的磁力线分布图。显然，磁力线对称且径向分布。相邻磁极间 的磁力线构成磁流通路径，相邻两个磁极间有一定的漏磁，但由于极弧系数不是 很大，磁极间距比较远，漏磁较少。图 3 -2 有限元分析

16、磁力线图图3-3为1个周期（5 极6槽）内磁通密度沿圆周方向分布曲线，最大磁密为1.0727T，平均磁密0.7881T。与路算的结果（0.809T）相比，误差2.7%，在10%以内。由于定子开槽形的影响,导致了气隙磁阻不均匀,经过定子齿部路径 的磁阻要小于经过槽部路径的磁阻,因此,更多的磁力线沿着磁阻小的路径进入 定子齿, 而进入槽的磁力线就相对要少得多。由此导致了气隙磁密在接近齿的 地方幅值高,接近槽的地方幅值低。Q-5Q-5Q10001-)T(B0 20 40 60 80 100 120Distance（mm）图 3 -3 圆周方向气隙磁密曲线3.3 瞬态场分析3.3.1 空载磁场分析空载

17、运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立 通过空载特性我们可以了解到电机的磁路设计的是否合理。图 3 - 4 为电机额定转速下空载反电势相电压波形曲线。分析其波形畸变率， 在后处理计算器中得到线电压波形并进行傅立叶分解，得到各次谐波含量和大小 如图所示。可以看出电机空载感应线电压基波幅值为27.5V,有效值为19.45V。路算结果18.37V,与场算误差5.6%。但是电压波形的正弦度并不好,畸变率7.41%。图 3 -4 额定转速下空载反电势波形图齿槽转矩波形如图3-5所示，齿槽转矩最大值1.91N m。)mN(CT050505050211000112图 3 -5 齿槽转

18、矩波形图漏磁系数是指电机中永磁体提供的总磁通与进入电枢的气隙主磁通的比值， 它反应的是永磁体向外电路提供的总磁通的有效利用程度，漏磁通相对较大时永 磁体的利用率就差。该永磁风力同步发电机是径向结构电机，漏磁系数可通过下 式进行计算：|A - Ab =m 二 _1 A Aa 1、5 I 34(3-1)式中A、A2、A3、A4分别为图3-6中节点1、2、3、4处的磁矢位。图 3 -6 电机冲片图根据该方法求得电机的漏磁系数。=1.06687。利用 Maxwell 2D 软件的场计算器还可以得到额定转速时空载气隙磁密以 及定、转子齿和轭的磁密，甚至电机内部任意一点的磁场参数。结果见表 3-1。3.3

19、.2 负载磁场分析电机负载运行时，绕组中电流不再为零，电枢绕组电流产生的电枢磁动势会 影响气隙磁场的分布和大小。图3-73-9为发电机负载运行时的分析结果。可 以得到电机平均转矩34.34Nm,额定输出相电流基波幅值为19.885A,额定电压 31V，平均输出功率为533.818W。在额定负载下，该直驱永磁同步风力同步发 电机能够输出额定的电压及功率值。 发电机负载性能的场算结果与路算结果对表 3-1 路算与场算结果对比场算结果路算结果空 载气隙磁密(T)0.78810.809定子齿磁密(T)1.7541.777定子轭磁密(T)1.5261.564空载线电压基波最大值(V)40.6641.39

20、2负 载负载线电压最大值(V)3131.225负载相电流最大值(A)19.88520.031平均功率W533.818541.682效率()74.272.404可以看出，电机的场算结果和路算结果接近，在允许误差范围内，说明路算 结果较为准确。th幺t总结本文对一台直驱式永磁同步风力发电机进行了结构设计和性能分析，主要内 容如下：用磁路法对电机进行了结构设计和参数计算，给出了各部分结构和参数 的选取和确定原则，初步确定了电机的基本电磁结构和各部分尺寸。并用有限元 法对磁路法计算出的电机模型进行仿真分析，与路算结果进行对比。当然，一个 完整的电机本体设计还包括很多文章中未提及的细节和内容，比如利用电

21、磁场有 限元仿真软件，还可以对电机的主要性能进行分析并在结构上进行优化设计。例 如本文中极弧系数和定子内径对电机齿槽转矩和输出电压有影响，磁极偏移和分 段斜极这两种方法可以减小齿槽转矩，从而提升电机的总体性能。由于篇幅有限， 在此没有一一介绍。参考文献1 T. F. Chan，L. L. Lai. An Axial -Flux Permanent -Magnet Synchronous Generator for a Direct-Coupled Wind-Turbine System. IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1)：86-94.2 唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京：机械工业出版社.2010:74.3 刘婷. 直驱永磁同步风力发电机的设计研究.湖南大学硕士学位论文. 2009：60-63.4 花为，张淦.新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析J电力科学与技术学报. 2009, 24(3):27-32.5 黄舒淳.交流发电机分数槽绕组设计J电机技术.2009 (6)： 4-8.6 贵献国永磁伺服电动机优化设计分析J.微特电机,2007,35 (7):8-9,54.