永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)交流永磁同步電機(jī)理論課程報告題 目：永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其功率低，體積小，一般沒有減速機(jī)構(gòu)，多為直驅(qū)型。發(fā)電機(jī)型式多種多樣，有直流發(fā)電機(jī)、電勵磁交流發(fā)電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。其中永磁電機(jī)因其諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。1.1小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)可分為徑向式、切向式和軸向式。（1）徑向式永磁發(fā)電機(jī) 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(jī)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(diǎn)。徑向磁場永磁發(fā)電機(jī)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(jī)械強(qiáng)度，此種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時還需轉(zhuǎn)子護(hù)套。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度較高，但制造工藝相對復(fù)雜，制造費(fèi)用較高。徑向磁場電機(jī)用作直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大多為傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。風(fēng)力機(jī)和永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸安裝，這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)定子繞組和鐵心通風(fēng)散熱好，溫度低，

3、定子外形尺寸小；也有一些外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)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(diǎn)，缺點(diǎn)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(hù)、安裝和運(yùn)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(jī)結(jié)構(gòu)圖（2）切向式永磁發(fā)電機(jī) 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(yuǎn)，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(jī)2。（3）軸向式永磁發(fā)電機(jī) 軸向磁通發(fā)電機(jī)繞組物理位置被轉(zhuǎn)移到端面，電機(jī)的軸向尺寸相對較短。與徑向磁場電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)的磁路長度要短些。電機(jī)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(fù)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(diǎn)，便于提高氣隙磁密、提高硅鋼片利用率。缺點(diǎn)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(jì)不合理，漏

5、磁通大，在等電磁負(fù)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(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖永磁發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電可以省去電勵磁發(fā)電機(jī)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(jī)的定位力矩要盡量小，因此設(shè)計(jì)時要盡量減小齒槽轉(zhuǎn)矩。另外直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速低，極數(shù)多，考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境，在保證電機(jī)性能的條件下，體積應(yīng)設(shè)計(jì)的盡量小。所以定位力矩和性能體積比成為該電機(jī)在設(shè)計(jì)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(jī)，如無槽電機(jī)、磁懸浮電機(jī)等。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)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(jì)主要按照任務(wù)書中的要求進(jìn)行三相永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真和優(yōu)化，選取最佳的設(shè)計(jì)方案。利用有限元軟件分析，探討不同參數(shù)對電機(jī)性能（空載特性、負(fù)載特性、齒槽轉(zhuǎn)矩等）的影響。設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)的電磁設(shè)計(jì)2.1 引言永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同傳統(tǒng)的永磁同步發(fā)電機(jī)一樣，在設(shè)計(jì)時要重點(diǎn)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(jī)，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(jī)的功率密度和減小定位力矩是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。由于有限元法開發(fā)周期較長，所以目前永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)仍較多采用磁路法。通過磁路計(jì)算，初步確定電機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)，編寫計(jì)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(jī)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(jī)的各部分尺寸和結(jié)構(gòu)。2

8、.2 發(fā)電機(jī)主要尺寸的確定本電機(jī)設(shè)計(jì)采用表貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于電機(jī)的電磁負(fù)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(jī)的磁負(fù)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(jī)的轉(zhuǎn)軸上不存在交變磁場，只需要提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度即可，因此材料選為10號鋼。機(jī)殼材料選用密度較小的鋁，以減輕電機(jī)重量。電樞銅線對電機(jī)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(jī)的主要尺寸是電樞直徑(定子內(nèi)徑)Di1和軸向計(jì)算長度Li，與傳統(tǒng)電機(jī)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(jì)算電磁功率Pi和轉(zhuǎn)速n)，或是變化范圍不大的(計(jì)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(fù)荷來確定電機(jī)尺寸。但在本設(shè)計(jì)中，因技術(shù)要求中給定了電機(jī)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(jī)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(jī)的氣隙長度是很重要的參數(shù)，它不僅影響電機(jī)的裝配工藝和雜散損耗，同時對電機(jī)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(jī)的振動和噪聲和便于電機(jī)裝配，永磁電機(jī)的氣隙長度通常比同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)的氣隙大。設(shè)計(jì)時可參照同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)的氣隙長度

10、，并做適當(dāng)修改。本設(shè)計(jì)中，氣隙長度=0.5mm。2.3 永磁體設(shè)計(jì)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(jī)的直軸電抗進(jìn)而影響電機(jī)的許多性能。hM應(yīng)使永磁體工作于最佳工作點(diǎn)，hM過大會造成材料浪費(fèi)，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(jì)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(jì)算得到，bM=

11、8.59mm。2.4 定子繞組和鐵心設(shè)計(jì)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(jī)的成本和發(fā)熱13。在電機(jī)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?jǐn)?shù)。但直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，極數(shù)較多，q取整數(shù)會使電機(jī)定子槽數(shù)過多，這不僅使電機(jī)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩很大。與此相比，分?jǐn)?shù)槽繞組(q取分?jǐn)?shù)，本設(shè)計(jì)中取q<1)不僅能使電機(jī)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(jì)中定子繞組采用雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組。2.4.2 極槽數(shù)的確定永磁電機(jī)中，極槽數(shù)的設(shè)計(jì)對電機(jī)的性能有很大的影響。合理的極槽配合可以保證電機(jī)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(jī)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(xiàn)9，為保證集中式繞組的繞組因數(shù)大于0.95，q的范圍為0.2773-0.4178，電機(jī)的槽數(shù)Z可取17-37。根據(jù)文獻(xiàn)14，為滿足三相對稱和短距的要求，選取Z=36。即電機(jī)的極槽數(shù)為30極36槽。經(jīng)驗(yàn)證，該極槽配合能實(shí)現(xiàn)較高的繞組系數(shù)和較小的齒槽轉(zhuǎn)矩。2.5 電

13、機(jī)的路算結(jié)果按以上原則選取電機(jī)的主要參數(shù)后確定電機(jī)結(jié)構(gòu)并核算性能，得到電機(jī)的路算結(jié)果見表2-12-4。表2-1電機(jī)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(jī)主要電磁負(fù)荷表 表2-4 電機(jī)性能參數(shù)表電流密度A/mm24.148電負(fù)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

14、.142每相繞組漏抗0.282永磁體空載工作點(diǎn)0.855/0.145永磁體負(fù)載工作點(diǎn)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%72.40412第3章 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)中確定的方案建立電機(jī)的二維電磁場分析模型，對電機(jī)的靜態(tài)磁場和瞬態(tài)磁場進(jìn)行分析。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)沿軸向是對稱的，因此只建立二維模型進(jìn)行分析。按幾何對稱性，電機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為若干個周期。本電機(jī)為30極36槽，可分為6個周期。為了縮短Maxwel

15、l 2D運(yùn)行時間，本文對電機(jī)的2個周期進(jìn)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(jī)有限元仿真模型圖3.2 靜態(tài)場分析圖3-2為電機(jī)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(yuǎn)，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

16、此，更多的磁力線沿著磁阻小的路徑進(jìn)入定子齒， 而進(jìn)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(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨(dú)建立，通過空載特性我們可以了解到電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)的是否合理。圖3-4為電機(jī)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(jì)算器中得到線電壓波形并進(jìn)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(jī)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

17、波形的正弦度并不好，畸變率7.41%。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(jī)中永磁體提供的總磁通與進(jìn)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(jī)是徑向結(jié)構(gòu)電機(jī)，漏磁系數(shù)可通過下式進(jìn)行計(jì)算： (3-1)式中A1、A2、A3、A4分別為圖3-6中節(jié)點(diǎn)1、2、3、4處的磁矢位。圖3-6 電機(jī)沖片圖根據(jù)該方法求得電機(jī)的漏磁系數(shù)=1.06687。利用Maxwell 2D 軟件的場計(jì)算器還可以得到額定轉(zhuǎn)速時空載氣隙磁密以及定

18、、轉(zhuǎn)子齒和軛的磁密，甚至電機(jī)內(nèi)部任意一點(diǎn)的磁場參數(shù)。結(jié)果見表3-1。3.3.2 負(fù)載磁場分析電機(jī)負(fù)載運(yùn)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(jī)負(fù)載運(yùn)行時的分析結(jié)果?？梢缘玫诫姍C(jī)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(fù)載下，該直驅(qū)永磁同步風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)能夠輸出額定的電壓及功率值。 發(fā)電機(jī)負(fù)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(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖圖3-8 額定負(fù)載相反電勢波形圖3-9 額定負(fù)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(fù)載負(fù)載線電壓最大值(V)3131.225負(fù)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(jī)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(zhǔn)確。總 結(jié)本文對一臺直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，主要內(nèi)容如下：用磁路法對電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，給出了各部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選取