淺談小型永磁式風力發電機的設計

周利堅

摘要：本文根據自己長期小型發電設備設計經驗，結合現有小型永磁式風力發電機的特點，介紹了目前對永磁同步電機設計在電機結構和優化設計等方向的研究，提出了永磁同步發電機在定子硅鋼片、轉子外殼、軸等結構上進行改進的設計和計算方法。

關鍵詞：發電機；永磁式；設計；風力；小型；

前言

我國社會經濟發展迅速，對于能源的依賴較多。而能源對我國環境污染嚴重，需要大力開發清潔能源，加上國家地形復雜，人口又多，居住分散，小型風力發電系統因為屬清潔能源，對環境無污染而被廣泛利用。

目前的小型風力發電系統中，主要采用的是永磁發電機，由于永磁直流發電機換向裝置易出現故障，壽命低，造成了風力發電維護難度，直接影響到其度電成本，因此，除了對電壓波形有嚴格要求的系統之外，一般都使用永磁同步電機。

雖然，永磁同步電機采用永磁體勵磁，無需外加勵磁裝置，無需換向裝置，具有效率高、壽命長等優點。但是由于其勵磁不能調節，從而使得電壓調整率較高，輸出電壓波動范圍較大。傳統的全橋式調整依然會存在一些電壓尖刺，對蓄電池的壽命影響很大。因此，需要對永磁同步電機進行設計改進，使其具有結構簡單、重量輕、高性能的特點，以滿足小型風力發電的實際需要。

1.永磁同步電機改進研究方向

1.1.電機結構方面

永磁電機的結構隨著其技術發展，已有多種形式，主要有：永磁同步電機、永磁無刷直流電機，另外還有永磁盤式電機、永磁無軸承電機等特種電機。它們的設計準則都是利用稀土永磁體的高矯頑力，增加磁通、減小電樞反應、高速運行提高電磁效率。

1.2.優化設計方面

在稀土永磁材料價格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇水磁體的工作點，使之在滿足電機性能指標前提下，使所用的永磁材料最少，即電機的成本最低或體積最小。修改電機內部機構尺寸的參數，保證在同等電機性能下，電機的結構更合理，體積最小。

1.3.磁場分析計算和數值方法的研究

傳統的電機性能分析方法為等效磁路法，這種分析方法，減少了計算所需要的時間，在初始估算、設計方法比較時比較適用，由于永磁電機內部結構越來越多樣化，磁場分布也變得更加復雜，僅依靠這種分析方法已難以描述電機內部磁場的真實情況。

永磁電機設計中，除了電機新結構的發明創造外，最重要的發展是用有限元方法進行磁場分析。為了充分發揮永磁材料的優異性能，永磁電機的結構和傳統電機有很大的差別。永磁電機結構復雜，永磁材料的磁特性為各向異性等，這些都給磁場分析帶來了新的課題。對于一些復雜的磁場環境，除了需要進行一維分析外，還需要進行二維分析，除了靜態分析外，還需要進行瞬態分析。

2.永磁同步發電機結構改進的設計

2.1.同步發電機結構

同步電機作為交流電機的一種，其最大的優點是轉速與頻率間有嚴格不變的關系n=60f/p，即當電源頻率恒定時，電動機轉速不變，且與電源頻率成正比。異步電機則沒有這個優點。而且，同步電機定、轉子兩方磁場是相互獨立、可控的。由于永磁電機不需要直流勵磁電源，對于交流同步電機來說省去了勵磁機、自勵系統等。

2.2.同步發電機結構改進設計

發電機結構上改進設計主要有：定子硅鋼片、轉子外殼、軸的和軸承等方面設計。

2.2.1.定子硅鋼片設計

電機選用硅鋼片時需要注意幾個要點：低鐵損、高磁導率、硬度合適、耐蝕性能良好等。發電機采用牌號為DW360—50的無取向冷軋硅鋼片，其厚度為0.5mm。冷軋硅鋼片的疊壓系數能夠達到0.98，比熱軋約高3%，考慮到加工工藝，預選取疊壓系數為0.93。選擇定子槽的槽型，在小功率永磁電機中，常用的電樞槽型有梨形槽、半梨形槽、矩形槽、半閉口矩形槽等，在尺寸特別小的時候還采用圓形槽結構。沖片數量根據電樞計算所得到的定子長度來確定，通過沖片壓板將沖片壓裝在定子支承軸上，并采用斜槽結構，斜槽的扭轉寬度正好等于一個槽距。

2.2.2.轉子外殼設計

為了便于安裝永磁體、便于對電機內部結構進行維護，電機所設計的轉子外殼分成三個部分，包括：轉子前殼、轉子后殼和轉子外殼，通過螺栓連接成一個整體。做成三個部分的好處是，各個部分都可以使用鋼材或鋼管車削而成。在加工過程中，可以根據需要，隨時將三個部分臨時進行組裝，組合起來進行精加工，可以保證整個設備的加工精度。轉子外殼用于安裝永磁鐵，需要在其內表面銑出凹槽。轉子前后殼需要安裝軸承，其結構根據軸承計算獲得尺寸設計。轉子后殼還需要和葉片連接。

2.2.3.軸的設計

電機的支承軸可以劃分成四個部分：兩個用于和軸承裝配的軸段，一個安裝定子矽鋼片的軸段，另一個安裝在基座上的軸段。軸的直徑首先由軸承計算所確定，再確定其余軸段的直徑。在設計軸的長度時，需要注意葉片于塔架之間的間距問題，因此在電機到基座之間，軸應該預留一段長度，并通過后續有限元分析，在保證結構強度的前提下，優化這段尺寸。

2.2.4.軸承的設計

軸承的選用和計算是很關鍵的一個部分，它的確定，是發電機中幾個主要結構尺寸確定的前提條件，如轉子前后殼、軸等。

2.2.5.設計時，除了這些主要零部件需要確定外，還需要考慮以下幾個方面的問題：

2.2.5.1.發電機整體的密封問題。在發電機的各個連接部分存在防水、防塵問題。如在轉子前后殼與轉子外殼連接部分做出凸臺、軸承蓋選用的密封件、轉子后殼的一端做成密封形式等。

2.2.5.2.轉子后殼二端螺孔問題。由于轉子后殼二端是密封的，為了方便維護安裝在這個附近的軸承，需要做一個螺孔，用于頂出軸承，并且在平時需要用螺栓將孔密封。

2.2.5.3.葉片葉柄表面保護問題。考慮到新型葉片材料采用的是玻璃鋼，為了防止安裝時，螺栓將葉片葉柄表面壓壞，需要設計一塊壓板墊在葉片與螺栓頭之間。

3.永磁同步發電機計算方法

永磁電機的計算有多種思路，著眼點不同，計算過程中的側重點也不相同。直接計算方法計算過程簡單，誤差較大，但在電機設計初步階段對計算要求不高的前提下，其設計計算的誤差尚可以接受，可以與后期的試驗分析相結合進行修改，最后得到結果。

在確定了永磁電機的類型、應用的環境以及所需要達到的設計指標后，通過電磁理論計算與電機外形結構計算相結合的方法對電機進行初步設計，然后，再通過后續的試驗分析修正所計算的結果，最后達到設計目的。

3.1.設計計算指標

電機的計算指標為：

額定功率PN=2KW；

相數m=3，Y型連接；

極數對P=6；

額定相電壓UN=50V；

額定轉速nN=300r/min；

額定頻率 =30Hz；

功率因數cos=0.9

3.2.主要尺寸設計計算

3.2.1.電樞繞組設計

首先確定電機的電樞繞組分配方案，包括電機中共使用多少對磁極、定子槽數、三相繞組的分配方式、采用單層還是雙層繞組等。確定了繞組的分配方式后，根據槽的面積選擇合適的槽滿率以及導線類型，求出繞組的基本數據，包括：每相串聯匝數N、電流密度J。

3.2.2.主要尺寸和參數計算

使用直接磁路計算法設計發電機結構的主要尺寸參數計算過程為：

3.2.2.1.根據小型永磁電機氣隙特點選擇永磁體的工作點，然后根據工作點選擇永磁體類型，得到其性能參數。

3.2.2.2.預取線負荷A，使A/Bδ足夠小以保證發電機有較好的外特性。

3.2.2.3.求解出轉子尺寸，包括轉子內徑和轉子外徑。然后預取合適的氣隙長度δ和長徑比λ，求出定子外徑和電樞長度。

3.2.2.4.永磁體尺寸計算，包括永磁體的磁化方向長bM、徑向長度LM、永磁體體積VM、截面積SM、寬hM以及氣隙長度修正和工作點氣隙磁感應強度有效值計算。

3.2.2.5.由最初選擇的繞線尺寸、電樞長度以及材料屬性求出定子繞組的電阻；求出所選擇的槽型的漏磁導數λS、齒和端部的漏磁導數λZ和λg，由這些導數求出基本漏抗X00和差漏抗Xov，最后求出整個電機的漏電抗Xσ。

3.2.2.6.根據所設計的轉子軛形狀，求出轉子的漏磁導A。

3.2.3.輸出特性

由空載磁通密度Φo、基波繞組系數KW一每相匝數N、額定頻率?、可以求的發電機的輸出空載電壓Eo和空載磁勢Fo。

3.2.4.參數修改

在直接計算法中，由于很多參數都是憑借經驗選取，最后造成的誤差可能較大，因此在計算完以后需要根據計算得到的結果修改所用到的參數，保證最后計算得到的結果達到預期目標。

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