浅谈小型永磁式风力发电机的设计
本文根据自己长期小型发电设备设计经验，结合现有小型永磁式风力发电机的特点，介绍了目前对永磁同步电机设计在电机结构和优化设计等方向的研究，提出了永磁同步发电机在定子硅钢片、转子外壳、轴等结构上进行改进的设计和计算方法。
我国社会经济发展迅速，对于能源的依赖较多。而能源对我国环境污染严重，需要大力开发清洁能源，加上国家地形复杂，人口又多，居住分散，小型风力发电系统因为属清洁能源，对环境无污染而被广泛利用。
目前的小型风力发电系统中，主要采用的是永磁发电机，由于永磁直流发电机换向装置易出现故障，寿命低，造成了风力发电维护难度，直接影响到其度电成本，因此，除了对电压波形有严格要求的系统之外，一般都使用永磁同步电机。
虽然，永磁同步电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，无需换向装置，具有效率高、寿命长等优点。但是由于其励磁不能调节，从而使得电压调整率较高，输出电压波动范围较大。传统的全桥式调整依然会存在一些电压尖刺，对蓄电池的寿命影响很大。因此，需要对永磁同步电机进行设计改进，使其具有结构简单、重量轻、高性能的特点，以满足小型风力发电的实际需要。
1.永磁同步电机改进研究方向
1.1.电机结构方面
永磁电机的结构随着其技术发展，已有多种形式，主要有：永磁同步电机、永磁无刷直流电机，另外还有永磁盘式电机、永磁无轴承电机等特种电机。它们的设计准则都是利用稀土永磁体的高矫顽力，增加磁通、减小电枢反应、高速运行提高电磁效率。
1.2.优化设计方面
在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，考虑如何合理地选择水磁体的工作点，使之在满足电机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电机的成本最低或体积最小。修改电机内部机构尺寸的参数，保证在同等电机性能下，电机的结构更合理，体积最小。
1.3.磁场分析计算和数值方法的研究
传统的电机性能分析方法为等效磁路法，这种分析方法，减少了计算所需要的时间，在初始估算、设计方法比较时比较适用，由于永磁电机内部结构越来越多样化，磁场分布也变得更加复杂，仅依靠这种分析方法已难以描述电机内部磁场的真实情况。
永磁电机设计中，除了电机新结构的发明创造外，最重要的发展是用有限元方法进行磁场分析。为了充分发挥永磁材料的优异性能，永磁电机的结构和传统电机有很大的差别。永磁电机结构复杂，永磁材料的磁特性为各向异性等，这些都给磁场分析带来了新的课题。对于一些复杂的磁场环境，除了需要进行一维分析外，还需要进行二维分析，除了静态分析外，还需要进行瞬态分析。
2.永磁同步发电机结构改进的设计
2.1.同步发电机结构
同步电机作为交流电机的一种，其最大的优点是转速与频率间有严格不变的关系n=60f/p，即当电源频率恒定时，电动机转速不变，且与电源频率成正比。异步电机则没有这个优点。而且，同步电机定、转子两方磁场是相互独立、可控的。由于永磁电机不需要直流励磁电源，对于交流同步电机来说省去了励磁机、自励系统等。
2.2.同步发电机结构改进设计
发电机结构上改进设计主要有：定子硅钢片、转子外壳、轴的和轴承等方面设计。
2.2.1.定子硅钢片设计
电机选用硅钢片时需要注意几个要点：低铁损、高磁导率、硬度合适、耐蚀性能良好等。发电机采用牌号为DW360—50的无取向冷轧硅钢片，其厚度为0.5mm。冷轧硅钢片的叠压系数能够达到0.98，比热轧约高3％，考虑到加工工艺，预选取叠压系数为0.93。选择定子槽的槽型，在小功率永磁电机中，常用的电枢槽型有梨形槽、半梨形槽、矩形槽、半闭口矩形槽等，在尺寸特别小的时候还采用圆形槽结构。冲片数量根据电枢计算所得到的定子长度来确定，通过冲片压板将冲片压装在定子支承轴上，并采用斜槽结构，斜槽的扭转宽度正好等于一个槽距。
2.2.2.转子外壳设计
为了便于安装永磁体、便于对电机内部结构进行维护，电机所设计的转子外壳分成三个部分，包括：转子前壳、转子后壳和转子外壳，通过螺栓连接成一个整体。做成三个部分的好处是，各个部分都可以使用钢材或钢管车削而成。在加工过程中，可以根据需要，随时将三个部分临时进行组装，组合起来进行精加工，可以保证整个设备的加工精度。转子外壳用于安装永磁铁，需要在其内表面铣出凹槽。转子前后壳需要安装轴承，其结构根据轴承计算获得尺寸设计。转子后壳还需要和叶片连接。
2.2.3.轴的设计
电机的支承轴可以划分成四个部分：两个用于和轴承装配的轴段，一个安装定子矽钢片的轴段，另一个安装在基座上的轴段。轴的直径首先由轴承计算所确定，再确定其余轴段的直径。在设计轴的长度时，需要注意叶片于塔架之间的间距问题，因此在电机到基座之间，轴应该预留一段长度，并通过后续有限元分析，在保证结构强度的前提下，优化这段尺寸。
2.2.4.轴承的设计
轴承的选用和计算是很关键的一个部分，它的确定，是发电机中几个主要结构尺寸确定的前提条件，如转子前后壳、轴等。
2.2.5.设计时，除了这些主要零部件需要确定外，还需要考虑以下几个方面的问题：
2.2.5.1.发电机整体的密封问题。在发电机的各个连接部分存在防水、防尘问题。如在转子前后壳与转子外壳连接部分做出凸台、轴承盖选用的密封件、转子后壳的一端做成密封形式等。
2.2.5.2.转子后壳二端螺孔问题。由于转子后壳二端是密封的，为了方便维护安装在这个附近的轴承，需要做一个螺孔，用于顶出轴承，并且在平时需要用螺栓将孔密封。
2.2.5.3.叶片叶柄表面保护问题。考虑到新型叶片材料采用的是玻璃钢，为了防止安装时，螺栓将叶片叶柄表面压坏，需要设计一块压板垫在叶片与螺栓头之间。
3.永磁同步发电机计算方法
永磁电机的计算有多种思路，着眼点不同，计算过程中的侧重点也不相同。直接计算方法计算过程简单，误差较大，但在电机设计初步阶段对计算要求不高的前提下，其设计计算的误差尚可以接受，可以与后期的试验分析相结合进行修改，最后得到结果。
在确定了永磁电机的类型、应用的环境以及所需要达到的设计指标后，通过电磁理论计算与电机外形结构计算相结合的方法对电机进行初步设计，然后，再通过后续的试验分析修正所计算的结果，最后达到设计目的。
3.1.设计计算指标
电机的计算指标为：
额定功率PN=2KW；
相数m=3，Y型连接；
极数对P=6；
额定相电压UN=50V；
额定转速nN=300r/min；
额定频率=30Hz；
功率因数cosj=0.9
3.2.主要尺寸设计计算
3.2.1.电枢绕组设计
首先确定电机的电枢绕组分配方案，包括电机中共使用多少对磁极、定子槽数、三相绕组的分配方式、采用单层还是双层绕组等。确定了绕组的分配方式后，根据槽的面积选择合适的槽满率以及导线类型，求出绕组的基本数据，包括：每相串联匝数N、电流密度J。
3.2.2.主要尺寸和参数计算
使用直接磁路计算法设计发电机结构的主要尺寸参数计算过程为：
3.2.2.1.根据小型永磁电机气隙特点选择永磁体的工作点，然后根据工作点选择永磁体类型，得到其性能参数。
3.2.2.2.预取线负荷A，使A/Bδ足够小以保证发电机有较好的外特性。
3.2.2.3.求解出转子尺寸，包括转子内径和转子外径。然后预取合适的气隙长度δ和长径比λ，求出定子外径和电枢长度。
3.2.2.4.永磁体尺寸计算，包括永磁体的磁化方向长bM、径向长度LM、永磁体体积VM、截面积SM、宽hM以及气隙长度修正和工作点气隙磁感应强度有效值计算。
3.2.2.5.由最初选择的绕线尺寸、电枢长度以及材料属性求出定子绕组的电阻；求出所选择的槽型的漏磁导数λS、齿和端部的漏磁导数λZ和λg，由这些导数求出基本漏抗X00和差漏抗Xov，最后求出整个电机的漏电抗Xσ。
3.2.2.6.根据所设计的转子轭形状，求出转子的漏磁导A。
3.2.3.输出特性
由空载磁通密度Φo、基波绕组系数KW一每相匝数N、额定频率ƒ、可以求的发电机的输出空载电压Eo和空载磁势Fo。
3.2.4.参数修改
在直接计算法中，由于很多参数都是凭借经验选取，最后造成的误差可能较大，因此在计算完以后需要根据计算得到的结果修改所用到的参数，保证最后计算得到的结果达到预期目标。
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