畢業(yè)論文---基于ansoft的2kw永磁同步風力發(fā)電機電磁特性仿真分析

1、<p>　本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）題目：基于ansoft的2kw永磁同步風力發(fā)電機電磁特性 仿真分析學院：電氣工程與自動化學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級： 學號： 姓名： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來隨著永磁材料強磁性能的不斷提升和材料價格的不斷降低，加上永磁發(fā)電機的諸多優(yōu)點，

2、越來越多的領域應用了永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點，在節(jié)約能源和環(huán)境保護日益受到重視的今大，對其研究就顯得非常必要。</p><p>　　本文對稀土永磁同步發(fā)電機的結構和特性進行了詳細的分析，并結合實際情況選取了發(fā)電機的定轉子結構。轉子采用了徑向勵磁結構，使得發(fā)電機內部結構排列得更緊湊。永磁材料采用稀土欽鐵硼。本文從永磁發(fā)電機的內部結構和工作原理出發(fā)，分析影響電機輸出電壓的內部因素，即電樞

3、反應。為了減小電樞反應對發(fā)電機輸出電壓的影響，先優(yōu)化電機定子齒部的磁密工作點和電機結構，優(yōu)化電機的氣隙值，穩(wěn)定了永磁發(fā)電機的輸出電壓。</p><p>　　本文以有限元分析軟件Ansoft12.1為基礎對永磁發(fā)電機構建了幾何模型和二維模型，并在二維模型的基礎上進行了瞬態(tài)場仿真計算，仿真結果和實際運行結果吻合，表明可以借助有限元仿真的方法對電機進行優(yōu)化設計。通過瞬態(tài)場計算結果能直觀地看到磁力線和磁感應強度的分布情況

4、，和電樞反應對感應電動勢的影響，并以次為依據確定了發(fā)電機優(yōu)化后的結構參數(shù)及所用材料。</p><p>　　關鍵詞：永磁；風力；直驅式；發(fā)電機；結構設計；永磁同步發(fā)電機；ansoft；瞬態(tài)仿真。</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In recent years，with the improvement of

5、 the permanent magnet materials' magnetic properties，and the decreasing of the price of materials，coupled with the many advantages of permanent magnet generators，more and more field are using permanent magnet generat

6、or，Permanent magnet generator has the advantages of small size，low loss，high efficiency，when energy conservation and environmental protection are taken seriously increasingly in today，so it is very necessary to its resea

7、rch.</p><p>　　This Paper analyzed the structure and character of earth rare permanent magnet synchronous generator in detail，selected generator’s stator and rotor structure according to actual conditions. Th

8、e rotor adopted radial excitation structure that generator internal structure arranges more closely. Permanent magnetic material adopted NdFeB. This study started from the internal structure and working Principle of perm

9、anent magnet generator，analyzed internal factors which influence the generator’s output</p><p>　　This study constructed geometric model and the two-dimensional model on the basis of the finite element analys

10、is software Ansoft12.l，and calculated the transient field based on the two-dimensional model. Simulation results coincide with practice operation results，so this method can be used for generator’s optimization design. Th

11、rough the result of transient field calculating，we can observe distribution of magnetic line of force，besides the influence on generator’s output voltage.</p><p>　　Key Words：permanent magnet；wind power；direc

12、t-drive; motor；design；PMSG ；Ansoft ；Transient simulation.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　目

13、錄III</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究直驅風力發(fā)電機的意義1</p><p>　　1.2 直驅風力發(fā)電機技術的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 風力發(fā)電系統(tǒng)簡介4</p><p>　　1.3.1恒速恒頻風力

14、發(fā)電系統(tǒng)5</p><p>　　1.3.2變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5</p><p>　　1.3.3各類風力發(fā)電系統(tǒng)比較6</p><p>　　1.4課題研究主要內容6</p><p>　　第二章 永磁同步風力發(fā)電機結構和工作原理7</p><p>　　2.1直驅發(fā)電機的分類7</p><p

15、>　　2.1.1電勵磁發(fā)電機8</p><p>　　2.1.2徑向磁通永磁發(fā)電機8</p><p>　　2.1.3軸向磁通發(fā)電機9</p><p>　　2.1.4橫向磁通發(fā)電機9</p><p>　　2.2電機結構及工作原理10</p><p>　　2.2.1發(fā)電機和小型風力發(fā)電系統(tǒng)的結合10<

16、/p><p>　　2.2.2發(fā)電機內部結構設計11</p><p>　　2.2.3其他問題11</p><p>　　2.2.4工作原理12</p><p>　　2.3永磁材料的性能與選用13</p><p>　　第三章 永磁同步風力發(fā)電機的仿真15</p><p>　　3.1永磁同步風力發(fā)

17、電機磁路結構15</p><p>　　3.1.1切向式轉子磁路結構15</p><p>　　3.1.2徑向式轉子磁路結構16</p><p>　　3.2ansoft軟件對發(fā)電機的磁場進行仿真分析17</p><p>　　3.2.1電機的主要參數(shù)17</p><p>　　3.2.2電機模型的建立18</

18、p><p>　　3.2.3應用Maxwell對電機進行2D分析21</p><p>　　3.3本章小結23</p><p>　　第四章 永磁電機磁路計算24</p><p>　　4.1永磁體尺寸計算24</p><p>　　4.2永磁體等效磁路25</p><p>　　4.3磁位差計算2

19、8</p><p>　　4.4轉子漏磁導計算29</p><p>　　4.5電樞反應折合系數(shù)29</p><p>　　4.6漏磁導系數(shù)30</p><p>　　4.7氣隙磁勢30</p><p>　　4.8發(fā)電機提高效率的途徑31</p><p>　　4.9本章小結31</p&

20、gt;<p>　　第五章 全文總結與展望32</p><p>　　5.1本文主要工作32</p><p>　　5.2后續(xù)工作展望32</p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p>&

21、lt;b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1研究直驅風力發(fā)電機的意義</p><p>　　穩(wěn)定、可靠和潔凈的能源供應是人類文明、經濟發(fā)展和社會進步的重要保障，煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀和20世紀近兩百年人類文明的進步和發(fā)展。然而，化石能源的大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時也感覺到環(huán)境惡化的威脅。21世紀是科技、經濟和社會快速發(fā)

22、展的世紀，也將是從化石燃料時代向具有持續(xù)利用能力的可再生能源時代過渡，如何實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，從而保持經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，已經成為世界各國必須解決的問題。</p><p>　　目前的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，主要采用的是永磁同步發(fā)電機，或者使用電機代替永磁同步發(fā)電機和整流器。但是不管是哪種都存在著一些不足?，F(xiàn)在作為占能源消耗首位的電能是二次能源，是由其他能源轉換而來的。目前世界各國電能產生主要是靠火力發(fā)電。火力發(fā)

23、電以碳氫化合物為主要成分的煤、重油等為燃料，燃燒后向大氣排放二氧化硫、二氧化碳等有害氣體及煙塵。二氧化硫形成酸雨，對農作物、森林、建筑物及金屬材料構成危害和腐蝕浪費；二氧化碳形成溫室效應，改變局部氣候，造成各種自然災害。</p><p>　　目前，中國已成為世界第二大能源消耗國，中國能源消耗排放的二氧化碳量占各種溫室氣體總排放量的80%。中國溫室氣體排放量約占全世界總排放量的13%，僅次于美國之后居世界第二位，國

24、際能源組織預計中國二氧化碳排放量有可能在2030年前后超過美國。隨著能源消耗量的增加而引起的溫室效應正引起全球的矚目。</p><p>　　從人類社會的長遠發(fā)展戰(zhàn)略來看，人類必須尋找一條發(fā)展可再生能源和清潔能源的道路。包括風能、水能、太陽能、地熱能、海洋能、氫能和核能等在內的新能源和可再生能源逐漸成為人們研究的熱點。風能是由太陽光照射地球表面，地球各處受熱不均，引起大氣的相對運動而形成的。它是太陽能的一種轉換形式

25、，取之不盡、用之不竭。</p><p>　　我國領土位于北半球中緯度上，幅員遼闊，海岸線長，風力資源相當豐富。據初步估算，全國平均風能密度為100瓦/平方米，風能總量為10億千瓦，其中陸地上的風能儲量約為2.53億千瓦，海上可開發(fā)和利用的風能儲量約為7.5億千瓦。我國風能資源主要分布在東南沿海及附近島嶼，內蒙和甘肅河西走廊，以及東北，西北，華北和青藏高原等部分地區(qū)。這些地區(qū)的有效風能密度在150瓦以上，每年風速在

26、3米/秒以上的時間近4000小時，一些地區(qū)年平均風速近6~7米/秒以上。由此可見，我國的風力資源非常豐富，風力資源的分布也相當廣泛，具有很大的開發(fā)價值，為解決我國的能源短缺問題和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了條件。</p><p>　　本文所設計的電機，針對永磁直流發(fā)電機的缺點，結合永磁同步電機的優(yōu)點，提出一種新型的外轉式永磁同步電機，具有結構簡單、重量輕、高性能的特點，滿足了小型風力發(fā)電的實際需要。</p>

27、<p>　　1.2直驅風力發(fā)電機技術的研究現(xiàn)狀</p><p>　　能源困局不是中國獨特的問題，美國、日本、歐洲和印度都是如此。面對化石燃料日益枯竭的威脅，人們都在討論后續(xù)能源的續(xù)接問題。美國的氫技術、日本的陽光計劃、歐盟2050年可再生能源50%的戰(zhàn)略目標，都是破解能源困局的思路。在各種各樣的選擇中，風電也許是最值得考慮的選擇。歐盟風能協(xié)會和綠色和平組織《風力12：關于2020年風電達到世界電力總量

28、12%的藍圖》中的觀點，也許過于樂觀，但是它畢竟給人們提出了一種可能。也許僅僅依靠風電不能完全解決這些問題，但是它可能是解決問題的主要技術選擇之一。19世紀末，丹麥首先開始探索風力發(fā)電，研制出風力發(fā)電機組，直到20世紀70年代以前，只有小型充電用風力機達到實用階段。美國20世紀30年代還有許多電網未通達的地方，獨立運行的小型風力發(fā)電機組在實現(xiàn)農村電氣化方面起了很大的作用。20世紀70年代到80年代中期，美國、英國和德國等國政府投入巨資開

29、發(fā)單機容量1000kW以上的風力機組，承擔課題的都是著名大企業(yè)如美國波音公司研制了2500kW和3200kW的機組，風輪直徑約為100m，塔高為80m，安裝在夏威夷的瓦胡島；英國的宇航公司和德國MAN公司分別研制了3000k</p><p>　　風電繼續(xù)呈現(xiàn)地區(qū)發(fā)展多樣化的特點。到2006年底，風電發(fā)展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長態(tài)勢。風電裝機超過100萬千瓦的國家已由2005年的11個增加到13個，其中8個歐

30、洲國家（德國、西班牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙、法國）、3個亞洲國家（印度、中國、日本）和2個美洲國家（美國、加拿大）。歐洲繼續(xù)保持其領先地位，亞洲正成為全球風電產業(yè)發(fā)展的新生力量，預計在不遠的將來還有更大的增長。與此同時，世界前五位風電市場的德國、西班牙、美國、印度以及丹麥風電裝機占世界份額呈下滑趨勢，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份額由79%降至53%。我國在20世紀50年代，就有過研制風力發(fā)電機組的活動。

31、但有實用價值的新型風力機研制到60~70年代才開始起步。70年代以后發(fā)展較快，在裝機容量制造水平及發(fā)展規(guī)模上都居于世界前列。近年來，和光伏電池配合的風—光互補系統(tǒng)，容量可達數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦，能完成給農牧民家庭以及海島、邊防站、通訊臺站、輸油管道站點等重要設施的獨立供電任務，已逐步得到越來越廣泛的重視和應用。為了扶持風電技術和產業(yè)的發(fā)展，中國政府采取了一系列的國家行動，并制定出臺了一系列的</p><p>　　我國

32、幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富，發(fā)展風電的條件很好。據中國氣象科學研究院估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量約322.6萬MW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有25.3萬MW，海上可開發(fā)和利用的風能儲量有75萬MW，居世界首位。中國沿海，特別是東南沿海及附近島嶼擁有非常豐富的風力資源。我國海岸線約為1800千米，島嶼6000多個，海上風速高，很少有靜風期，可以有效利用風電機組發(fā)電容量。一般估計海上風速比平原高20

33、%，發(fā)電量增加70%?！笆濉逼陂g，中國的并網風電機組得到迅速發(fā)展。2006年，中國風電累計裝機容量已經達到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。2007年我國風電產業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài)勢，截至2007年底全國累計裝機約600萬千瓦，提前三年實現(xiàn)國家2010年的目標。2008年8月，中國風電裝機總量已經達到700萬千瓦，占中國發(fā)電總裝機容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。中國

34、政府原定風力發(fā)電2020年將達到3000萬千瓦的目標將在2010年提前十年完成?，F(xiàn)政府已經將2020年的風電裝機容量</p><p>　　1.3風力發(fā)電系統(tǒng)簡介</p><p>　　風能是一種清潔、資源豐富、不產生溫室氣體的自然可再生能。在當前礦石能源面臨枯竭、環(huán)境日益惡化的情況下，無論從經濟上或是技術上都是一項可以首選的替代能源。全球均在對其加速開發(fā)和利用。</p><

35、;p>　　風是具有能量的，平日里，微風就能帶動玩具風車飛速旋轉，在狂風怒號的臺風季節(jié)中，風災造成的破壞更使人感到風的威力。據估算，海洋中一個直徑為800km的臺風，其具備的能量相當于50萬顆1945年在廣島爆炸的原子彈的能量。風所具備的能量簡稱為風能。</p><p>　　風的形成除與各地區(qū)的太陽照射角、地球自轉、地區(qū)的地形地貌等有關外，還具有隨機性、隨季節(jié)變化和隨高度變化等特性。描述風力的兩個最重要物理參

36、數(shù)為風速和風向。風速表示風的移動速度，即單位時間內空氣流過的距離，風向是指風吹來的方向。氣象學和動力學中研究的主要為水平方向的風。如果用測速計測量某點的風速就會發(fā)現(xiàn)風速是隨時間不斷隨機變化的。因而通常所說的風速是指一段時間中各變化風速的平均值，即平均風速。此外，風向也具有隨機特點，是時刻在變化的。風向可用風向桿測出并得出當?shù)氐闹鲗эL向。</p><p>　　由于地球自轉軸與繞太陽公轉軸之間存在偏角，使各地區(qū)受到太

37、陽輻射強度會隨時間而發(fā)生季節(jié)性變化，從而使各地區(qū)的風向和風速均會發(fā)生季節(jié)性變化。在我國山東半島、遼東半島的風力春季最大，冬季次之；臺灣及南海諸島的風力秋季最大，冬季次之；西北、東北及華北等內陸地區(qū)，春季風力最大、冬季次之，夏季最小。</p><p>　　在距地面2000m以內的大氣摩擦層中，空氣的流動和風力大小還受到地面摩擦力的影響。地面摩擦力、地表植物、建筑物等都能阻礙空氣流動和減小風速。因而風速隨離地面的高度

38、增高而增大。在同一高度上，風速也因地面建筑物和地表植物等阻礙物的減少而增大。人們可以感覺到，高度相同時，在高樓林立的城市中風速最小，城市近郊或村莊風速較大而在平地或海岸線地帶風速最大。由此可見風的成因的復雜性，所以人們常說天有不測風云。</p><p>　　風力發(fā)電的過程就是風能經由機械能轉換為電能的過程，典型的風力發(fā)電系統(tǒng)通常由風能資源、風力發(fā)電機組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源及電能用戶組成。其中，風力發(fā)電機

39、及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉換為電能。這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質量，也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結構。因此，研制適用于風電轉換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電技術的研究重點。</p><p>　　1.3.1恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速運行的風力機轉速不變，而風速經常變化，因此葉尖比速λ不可能經常保

40、持在最佳值，Cp值往往與最大值相差很大，使風力機常常運行于低效狀態(tài)。</p><p>　　恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機作為并網運行的發(fā)電機，并網后在電機機械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內運行，異步發(fā)電機的轉子速度高于同步轉速。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風速而增加時，發(fā)電機的輸出功率及其反轉矩也相應增大。運行點發(fā)生改變。當轉子速度高于同步轉速3%～5%時達到最大值，若超過這個轉速，異步發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū)，產生的反

41、轉矩減小，導致轉速迅速升高，引起飛車，這是十分危險的。</p><p>　　1.3.2變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)(VSCF)，是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉速隨風速變化而通過其它的控制方式來得到和電網頻率一致的恒頻電能。</p><p>　　利用變速恒頻發(fā)電方式，風力機就可以變速運行，這樣就可能使風輪的轉速隨風速的變化而變化，使其保持

42、在一個恒定的最佳葉尖速比，使風力機的風能利用系數(shù)在額定風速以下的整個運行范圍內都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。即使風速躍升時，所產生的風能也部分被風輪吸收，以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力，在電力電子裝置的調控下，將高速風輪所釋放的能量轉變?yōu)殡娔?，送入電網，從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩(wěn)，風力機組運行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力

43、發(fā)電系統(tǒng)、雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)、直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和混合式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)等。</p><p>　　1.3.3各類風力發(fā)電系統(tǒng)比較</p><p>　　一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)運行于由電機的極對數(shù)和頻率所決定的同步轉速，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)則以稍高于同步轉速的速度運行。是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉速可以隨著

44、風速變化而改變，通過其它的控制方式來得到和電網頻率一致的電能。</p><p>　　變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)越性：首先，傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運行在同步轉速上，當風速改變時風力機就會偏離最佳運行轉速，導致運行效率下降。采用變速恒頻發(fā)電方式則可以按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時調節(jié)風力機轉速，使之始終運行在最佳轉速上，輸出最大功率。其次，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)采

45、用一定的控制策略可以靈活調節(jié)系統(tǒng)輸出的有功和無功功率，對電網而言可以起到功率因數(shù)補償?shù)淖饔谩Ｗ詈?，采用變速恒頻發(fā)電技術，可使發(fā)電機組與電網系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網操作及運行</p><p>　　近幾年來，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接驅動技術在風電領域得到了重視：這種風力發(fā)電機組采用多極發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術方而的優(yōu)點，特別

46、是采用永磁發(fā)電機技術，其可靠性和效率更高，處于當今國際領先地位，在今后風電機組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。直驅式永磁風力發(fā)電機的效率高、極距小，況且永磁材料的性價比正得到不斷提升，應用前景十分廣闊。</p><p>　　1.4課題研究主要內容</p><p>　　本論文主要著眼于永磁發(fā)電機在小型風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用，針對現(xiàn)有永磁發(fā)電機的優(yōu)缺點，提出一種適用于小型風力發(fā)電系統(tǒng)的新型永磁發(fā)電機。

47、參考傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機的設計方法對該類型發(fā)電機進行初始尺寸計算。通過查閱相關資料，熟悉永磁同步發(fā)電機的工作原理；掌握永磁同步發(fā)電機的設計方法；并對發(fā)電機進行設計與電磁計算。掌握利用Ansoft軟件分析電機的磁場分布。論文的主要章節(jié)安排如下：</p><p>　　1）第一章簡要介紹課題的背景意義和國內外發(fā)電現(xiàn)狀等；</p><p>　　2）第二章分析永磁同步發(fā)電機的結構與工作原理；</

48、p><p>　　3）第三章介紹永磁同步發(fā)電機的仿真；</p><p>　　4）第四章則是得出結果與分析計算永磁同步發(fā)電機的電磁特性，包括參數(shù)變化的分析，磁系數(shù)的影響，電樞長度變化的影響，每相串聯(lián)匝數(shù)的影響，漏電抗的影響以及發(fā)電機的空、負載性能分析等；</p><p>　　5）第五章對全文做出總結，并對后續(xù)工作提出展望。</p><p>　　第二章

49、永磁同步風力發(fā)電機結構和工作原理</p><p>　　2.1直驅發(fā)電機的分類</p><p>　　圖2-l所示，小型風力發(fā)電機系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：葉片、發(fā)電機、塔架、尾翼。其中葉片組成的葉輪起吸收風能的作用；發(fā)電機將風能轉化成電能并輸出到儲能設備中；尾翼在水平面上使風力發(fā)電機旋轉，調整風力發(fā)電機的迎風面；塔架起到固定支撐作用。除了這幾個主要部分外，還有一些輔助部件，如調整俯仰角度的

50、結構；回轉機構；集流環(huán)等。在整個系統(tǒng)中，發(fā)電機部分居于一個重要的地位，它將風輪的機械能轉換成電能，其性能優(yōu)劣直接影響整個風電系統(tǒng)的性能。</p><p>　　發(fā)電機是風力發(fā)電系統(tǒng)中將機械能轉化為電能的裝置，是將原動力與輸出電能相連接的工具，它不僅直接影響到輸出電能的質量和效率，也影響到整個風電轉換系統(tǒng)的性能和裝置的結構。對于直驅風力發(fā)電機的設計來說，有很多方案可以選擇。例如可選用雙饋異步電機，永磁同步電機，也可選

51、用傳統(tǒng)的電勵磁同步電機。定子可以是有槽的，也可無槽。隨著永磁材料性價比的不斷提高，當今多數(shù)的低速風力發(fā)電機是永磁發(fā)電機；根據永磁發(fā)電機中主磁通方向的不同，可以把發(fā)電機分成徑向磁通發(fā)電機、軸向磁通發(fā)電機和橫向磁通發(fā)電機三大類。用于直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機主要有以下幾種：</p><p>　　2.1.1電勵磁發(fā)電機</p><p>　　電勵磁發(fā)電機本身有專門的勵磁繞組，磁場由勵磁電流建立。其

52、造價便宜，但與永磁電機相比，需要勵磁系統(tǒng)以及勵磁電流，功率因數(shù)、效率和可靠性都有一定降低。電勵磁式徑向磁場發(fā)電機可視為一種直驅風力發(fā)電機的選擇方案，在大功率發(fā)電機組中，它的直徑大而軸向長度小。從電磁角度考慮，直徑越大越好，然而機械設計施工和運輸卻困難，5m左右的直徑是該原理折中的選擇。為了能放置勵磁繞組和極靴，極距必須足夠大，它的輸出交流電頻率通常低于50Hz，必須配備整流逆變器。第一臺用于商業(yè)運行的幾百千瓦級直驅風力發(fā)電機就是電勵磁同

53、步發(fā)電機，首臺樣機制造于1992年。此種電機外徑約5m，長約0.6m，后接整流逆變器，轉速18~38r/min。</p><p>　　2.1.2徑向磁通永磁發(fā)電機</p><p>　　在徑向磁通發(fā)電機中導體電流呈軸向分布，主磁通沿徑向從定子經氣隙進入轉子，這是最普通的永磁發(fā)電機形式。它具有結構簡單、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置式。</

54、p><p>　　徑向磁場電機用作直驅風力發(fā)電機，大多為傳統(tǒng)的內轉子設計，風力機和永磁體內轉子同軸安裝，這種結構的發(fā)電機定子繞組和鐵心通風散熱好，溫度低，定子外形尺寸??；也有一些外轉子設計，風力機與發(fā)電機的永磁體外轉子直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上，這種結構有永磁體安裝固定、轉子可靠性好和轉動慣量大的優(yōu)點，缺點是對電樞鐵心和繞組通風冷卻不利，永磁體轉子直徑大，不易密封防護、安裝和運輸。徑向磁場式電機結構簡單、穩(wěn)定，應

55、用廣泛，多數(shù)低速直驅風力發(fā)電機都采用徑向磁場式結構，這種類型的電機似乎是直驅風力發(fā)電機最有意義的類型。</p><p>　　2.1.3軸向磁通發(fā)電機</p><p>　　如圖2-2所示，軸向磁通發(fā)電機的繞組物理位置被轉移到端面，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，其中雙定子中間轉子盤式結

56、構用得較多，如圖2-2a)所示，它具有結構緊湊、轉動慣量大、通風冷卻效果好、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、結構穩(wěn)定性差。在永磁體結構軸向不對稱時，如圖2-2b)所示，存在單邊磁拉力，如果磁路設計不合理，漏磁通大，在等電磁負荷下，效率略低。</p><p>　　a）雙定子結構 b）單定子結構<

57、;/p><p>　　圖2-2軸向磁通發(fā)電機結構</p><p>　　2.1.4橫向磁通發(fā)電機</p><p>　　橫向磁通發(fā)電機的結構如圖2-3所示，其磁路方向為轉子的軸向方向。橫向磁通發(fā)電機電樞繞組與主磁路在結構上完全解耦，完全可以根據需要調整磁路尺寸和線圈窗口來確定電機的電磁負荷，不存在傳統(tǒng)電機在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結構上的相互制約關系，從而獲得較高的轉矩

58、密度，缺點是電機結構復雜，制造成本高。</p><p>　　此種發(fā)電機可以做成具有很多極對數(shù)的電機，且操作上可同時具有同步電機和永磁電機的特點，適合于直驅風力發(fā)電。但是，橫向磁通發(fā)電機的控制很復雜，此外，發(fā)電機氣隙磁通是非正弦的，當發(fā)電機的轉子轉動時，磁路的變化是連續(xù)的、非線性的。這導致了對此種電機進行設計分析的難度較大，給機組制造帶來了很大的困難。因此這種電機是否滿足在風力發(fā)電系統(tǒng)中運行，還要繼續(xù)對其進行深入的

59、研究。</p><p>　　圖2-3橫向磁通發(fā)電機結構</p><p>　　2.2電機結構及工作原理</p><p>　　2.2.1發(fā)電機和小型風力發(fā)電系統(tǒng)的結合</p><p>　　本論文所設計的發(fā)電機為低速發(fā)電機，無需變速箱即可和葉片相連。在轉子后殼處有一法蘭結構，葉片葉柄通過三個螺栓連接在法蘭上，增加葉輪的穩(wěn)定性，如圖2-4。</

60、p><p><b>　　圖2-4葉柄連接</b></p><p>　　圖2-4(a)為外轉式電機結構的葉柄連接方式，圖2-4(b)為傳統(tǒng)內轉式電機結構的葉柄連接方式?？梢钥闯觯斎~柄長度一致時，圖2-4(a)的葉柄連接方式較圖2-4(b)的葉柄連接方式更加穩(wěn)定。即，圖2-4(b)的葉柄連接方式限制了葉柄的長度。在圖2-4(a)的所示方式中，葉柄的長度不受限制，可根據外轉子

61、法蘭的大小進行調整，這樣可將整個葉輪的半徑擴大，增加了葉輪的受力半徑，從而在增加了葉柄的穩(wěn)定性之外，還具有在更低風速下啟動的優(yōu)點。傳統(tǒng)的內轉子式風力發(fā)電機，為了能安裝到塔架上，需要對外殼進行修改，將外殼、回轉機構和安裝基座作為一體。</p><p>　　本論文所設計的發(fā)電機采用外轉子形式，由于轉子和葉片相連，所以和基座連接的為定子支承軸。定子承軸通過螺栓固定和基座連接。這樣設計，整個發(fā)電機結構等效于懸臂梁結構，為

62、了防止支承軸變形嚴重，則需要注意幾個問題：①整個發(fā)電機重量不能過重，因此需要使用一種合理的結構尺寸計算方法，在相同輸出功率下，較其他類型電機結構輕；②支承軸總長度不能過長，保證在支承軸負荷最大情況下，產生的繞度(扭矩)形變不影響發(fā)電機結構的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.2.2發(fā)電機內部結構設計</p><p>　　發(fā)電機內部結構設計包括定子硅鋼片設計、轉子外殼設計、軸的設計、軸承計算等

63、。在電機中，普遍采用的是疊片鐵心，電機選用硅鋼片時由幾個要點：低鐵損、高磁導率、合適的硬度、良好的耐蝕性能等，本發(fā)電機采用牌號為DW470-50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(shù)能夠達到0.98，比熱軋約高3%。沖片數(shù)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，這樣可以有效削弱齒槽轉矩的影響；實際生產中，矽鋼片一般使用模具沖制得到，若

64、是僅用于試驗的樣機，為了降低成本，可以使用線切割制作。線切割方法的優(yōu)點是靈活、快捷、成本低，而且切縫可以有效降低定子內部的渦流，不足點是切縫的存在難以保證沖片的強度，所以這種方式僅適用于試驗樣機的制造中。</p><p>　　為了便于安裝永磁體、便于對電機內部結構進行維護，本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。做成三個部分的另外一個好處是，各個部分都可以使

65、用鋼材或鋼管車削而成。在加工過程中，可以隨時將三個部分零時組裝起來精加工，保證了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。電機的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和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

66、在電機到基座之間，軸應該預留一段長度，并通過后續(xù)有限元分析，在保證結構強度的前提下，優(yōu)化這段尺寸。</p><p><b>　　2.2.3其他問題</b></p><p>　　需要在發(fā)電機的各個連接部分考慮防水防塵等密封問題，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。除此之外，考慮到轉子后殼一端是密封的，為了方便維護安

67、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。另外，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。</p><p><b>　　圖2-5發(fā)電機結構</b></p><p>　　電機整體結構簡圖如圖2-5，整個發(fā)電機通過支承軸固定在塔架的支承座上，葉片通過螺栓與轉子后殼的

68、法蘭部分聯(lián)結，內定子通過定子壓板固定在支承軸上，三相繞組由承軸上的槽從發(fā)電機內部引出，連接到安裝在支撐座附近的整流環(huán)。在風力的作用下，葉輪帶動外轉子旋轉，發(fā)電機將風能轉化成電能。</p><p><b>　　2.2.4工作原理</b></p><p>　　永磁同步發(fā)動機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但是它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，結構簡單，降低了成本

69、，提高了電動機運行的可靠性以及功率密度。因而得到了越來越廣泛的應用。</p><p>　　永磁同步發(fā)電機由定子、轉子和端蓋等部件構成。定子與普通感應電動機基本相同，也采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。轉子鐵心可以做成實心的，也可以采用疊片疊加而成。圖2-6為一臺永磁同步發(fā)電機的橫截面示意圖。</p><p>　　當同步電機做發(fā)電運行時，直流電流通過電刷滑環(huán)裝置流入轉子勵磁繞組，產生與轉

70、子相對靜止的恒定磁場，磁力線從轉子N極出來，經氣隙、定子鐵芯、氣隙，進入轉子S極而形成閉合回路。</p><p>　　2.3永磁材料的性能與選用</p><p>　　永磁同步發(fā)電機的主要用材包括永磁磁極、定轉子硅鋼片、電樞銅線和機殼材料。通常機殼材料和電樞銅線對電機性能的影響不大，對電機的性能影響很大的是永磁材料，定轉子硅鋼片的材料對電機的性能也有一定影響。</p><

71、p>　　常見的用作電機磁極的永磁材料包括鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土鈷和釹鐵硼。鋁鎳鈷是20世紀30年代研制成功的永磁材料，它溫度系數(shù)小，剩余磁感應強度較高，但是矯頑力很低，退磁曲線呈非線形變化。鐵氧體是20世紀50年代初開發(fā)的永磁材料，價格低廉，矯頑力大，抗去磁能力強，密度小，退磁曲線接近于直線。缺點是剩磁密度不高，最大磁能積較小，環(huán)境溫度對磁性能的影響大；釤鈷稀土材料在20世紀60年代中期問世,其剩余磁感應強度Br、磁感應矯頑力Hc及

72、最大磁能積(BH)max都很高。退磁曲線基本上是一條直線，抗去磁能力強，缺點是材料硬而脆，抗拉強度和抗彎強度均較低，僅能進行少量的電火花和線切割加工，而且價格較昂貴。釹鐵硼永磁材料于1983問世，其磁性能十分優(yōu)異,剩磁和矯頑力都非常高。且退磁曲線為直線，回復線與退磁曲線基本重合。價格也比稀上鈷便宜的多。釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般為310~410℃左右，溫度系數(shù)較高，在高溫下使用時磁損失較大。</p>&l

73、t;p>　　永磁材料及其性能多種多樣，如何選擇合適的永磁材料直接關系到電機的性能和經濟性。在本電機設計中，一方面要求獲得足夠高的功率密度，即永磁材料應具有足夠的剩磁密度、磁感應強度矯頑力及最大磁能積；另一方面永磁材料應具有較好的磁性能，包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，尤其是無齒輪箱直驅變速恒頻永磁風力發(fā)電機的損耗較大，溫升較高，因此應選擇工作溫度點高的永磁材料，使得發(fā)電機工作在永磁材料退磁曲線的直線部分；最后，同時

74、希望盡量選擇經濟性要好，價格適宜的永磁材料，降低成本。所以綜合考慮性能和成本后，本設計選擇釹鐵硼(NdFeB)永磁材料。</p><p><b>　　2.4本章小結：</b></p><p>　　這章主要介紹了永磁同步風力發(fā)電機幾種不同結構，分析和比較了這幾種不同結構的特點。第二節(jié)介紹了發(fā)電機內部的結構設計和工作原理。簡單介紹了永磁材料的性能和選用。</p>

75、;<p>　　第三章 永磁同步風力發(fā)電機的仿真</p><p>　　3.1永磁同步風力發(fā)電機磁路結構</p><p>　　永磁同步發(fā)電機具有結構簡單、加工和裝配費用少、運行可靠等優(yōu)點，采用永磁勵磁后可以增大氣隙磁密，縮小電機體積，提高功率質量比。目前，國內永磁同步發(fā)電機的應用領域非常廣闊，如用于中小型風力發(fā)電機，隨著高性能永磁材料制造工藝的提高，大容量風力發(fā)電系統(tǒng)也傾向于使用

76、永磁同步發(fā)電機。</p><p>　　永同傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機一樣，永磁同步發(fā)電機本體由定子和轉子兩大部分組成。永磁同步發(fā)電機的定子指電機運行時固定不動的部分，主要由硅鋼片、電樞繞組、固定鐵芯的機殼及端蓋等部份組成，這同傳統(tǒng)同步發(fā)電機定子結構相同。永磁同步發(fā)電機的結構特點主要表現(xiàn)在轉子上，并由此引出這類電機一系列特殊性。通常按照永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，分為切向式、徑向式、混合式和軸向式四種。本章主

77、要以切向式結構和徑向式結構來說明永磁同步發(fā)電機磁路結構的特點。</p><p>　　3.1.1切向式轉子磁路結構</p><p>　　切向式轉子磁路結構中，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁比軸向式結構要大。但是，在切向式結構中有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，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。切向式

78、轉子磁路結構由于永磁體和極靴的固定方式不同，通常分為切向套環(huán)式結構和切向槽楔式結構。稀土鈷永磁材料的抗拉強度很低，如果轉子結構上無防護措施，當發(fā)電機轉子直徑較大或高速運轉時，轉子表面所承受的離心力已經接近甚至超過永磁材料的抗拉強度，將使永磁體出現(xiàn)破壞，所以高速運行的永磁同步發(fā)電機選用套環(huán)式轉子結構。槽楔式結構中永磁體用槽楔固定，工藝和結構比較簡單，對高速運行的發(fā)電機，套環(huán)式的可靠性比槽楔式高。切向式內轉子磁路結構如下圖3-1所示。<

79、;/p><p>　　圖3-1內置切向式轉子磁路結構 </p><p>　　1-轉軸 2-永磁體 3-轉子導條</p><p>　　3.1.2徑向式轉子磁路結構</p><p>　　徑向式轉子磁路結構中永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數(shù)較切向式結構小。在一對極磁路中有兩個永磁體提供磁動勢，僅有一個永磁體截面提供每極磁通，氣

80、隙磁密相對較低。徑向式轉子磁路結構中永磁體的形狀主要有環(huán)形、星型、瓦片型和矩形四種。內置徑向式轉子磁路結構如圖3-2所示。</p><p>　　環(huán)形永磁體的結構和工藝最為簡單，可以直接澆鑄或粘結在發(fā)電機轉軸上，機械強度較高，可以在較高轉速下運行。但是永磁材料的利用率不高。星型永磁體提高了永磁材料的利用率，結構和工藝較簡單，極間采用鋁合金澆鑄，保證了轉子結構的整體性并起阻尼作用，既可改善發(fā)電機的瞬態(tài)性能，又可提高永

81、磁材料的抗去磁能力。但由于極間漏磁較大，充磁較困難，容易造成永磁體的不均勻磁化，而且永磁體的形狀較復雜，永磁材料的磁性能同樣偏低，因而發(fā)電機的容量受到限制。為了在盡可能小的轉子直徑內放置盡可能大的永磁體，以提高氣隙磁密，同時考慮到稀土永磁的矯頑力高，永磁體磁化方向長度可以小，近年來又多采用瓦片型永磁體和矩形永磁體。</p><p>　　圖3-2內置徑向式轉子磁路結構</p><p>　　1

82、-轉軸 2-永磁體槽 3-永磁體 4-轉子導條</p><p>　　3.2 ansoft軟件對發(fā)電機的磁場進行仿真分析</p><p>　　3.2.1電機的主要參數(shù)</p><p>　　電機額定功率：2kW</p><p><b>　　相數(shù)：3，Y型連接</b></p><p><b>

83、　　極數(shù)對p：6</b></p><p><b>　　額定相電壓：50V</b></p><p>　　額定轉速：300r/min</p><p><b>　　額定頻率：30Hz</b></p><p><b>　　功率因數(shù): 0.9</b></p>&

84、lt;p>　　定子外經：0.14354/2</p><p>　　定子內勁：0.062/2</p><p><b>　　定子槽數(shù)：36</b></p><p>　　永磁體內半徑：0.14514/2</p><p>　　永磁體厚度：0.004</p><p>　　永磁體長度: 0.055<

85、/p><p>　　轉子內半徑：153.14/1000/2</p><p>　　轉子外半徑: 173.14/1000/2</p><p>　　3.2.2電機模型的建立</p><p>　　用Ansoft軟件建立此永磁同步發(fā)電機二維有限元模型的具體過程如下：</p><p>　　（1）把永磁同步發(fā)電機的幾何尺寸和基本參數(shù)輸入R

86、Mxpr t模塊，軟件對所輸入項進行求解，自動生成二維有限元幾何模型，如圖3-3所示。</p><p>　?。?）將求解結果用export 2D project功能生成pjt文件，把該文件導入Maxwell 2D中，采用瞬態(tài)模塊進行二維有限元分析。</p><p>　　（3）在生成的幾何模型里定義電機的材料屬性、邊界條件和繞組的激勵源，其中定義繞組激勵源時采用外電路輸入的方法。</p

87、><p>　?。?）確定運動界限（band）、轉子轉速、有限元分析的時間步長以及有限元分析的網格劃分情況等。</p><p>　　圖3-3永磁同步發(fā)電機幾何模型</p><p>　　生成永磁發(fā)電機的幾何模型后，利用RMxprt生成圖3-4~圖3-9的性能曲線</p><p><b>　　圖3-4繞組電流</b></p&

88、gt;<p>　　圖3-5帶負載下的繞組電流</p><p>　　圖3-6 氣隙磁密曲線</p><p>　　圖3-7額定轉速下繞組定子相電壓</p><p>　　圖3-8帶負載的繞組定子相電壓</p><p>　　圖3-9效率和功率角的關系</p><p>　　3.2.3應用Maxwell對電機進行2D

89、分析</p><p>　　在Maxwell 2D所建立的模型基礎上分別定義電機的定子、轉子鐵心、繞組、氣隙、永磁體等材料，然后進行網格剖分，即進行更精確的仿真計算，利用ANSOFT的后處理工具，可以繪制出磁場強度、磁感應強度和磁力線等曲線。圖3-10是永磁同步發(fā)電機的Maxwell 2D模型，圖3-11是在額定狀態(tài)時的磁力線和密度分布圖。</p><p>　　圖3-10永磁同步發(fā)電機計算模

90、型</p><p>　　為了直觀的表達問題的場分布，常用等勢線圖來表示場分布的性質和狀況。將域中矢量磁勢相同的點用線連接起來，便形成了等勢線圖。令相鄰兩條等勢線的勢差相同。由于磁感應強度等于矢量磁勢的旋度，即:</p><p>　　B=VxA(3.19) (3-1)</p><p>　　這表明磁感應強度由矢量磁勢的

91、變化率決定。等勢線越密的地方，則說明矢量磁勢的變化率越大，其磁感應強度越強;等勢線越疏的地方，則說明矢量磁勢的變化率越小，其磁感應強度越弱。這樣等勢線的疏密就表示了磁感應強度的強弱。設某條等勢線上的相鄰兩個節(jié)點A、B的坐標分別為(x0，yo)和(xl，yl)，則從A到B的方向為:</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　A點的磁感應強度方向

92、為:</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　這表明磁感應強度的方向與等勢線相切。因此，可以把等勢線認為是磁力線。空載時的磁力線分布圖如圖3-11a所示.從磁力線分布圖可以看出，等勢線密集的區(qū)域為高導磁材料，如鐵芯;相反，等勢線系數(shù)的區(qū)域為低導磁材料，如空氣、銅線。也可清楚的看到磁力線的路徑。</p><p>　　經

93、過Maxwell軟件計算后，得到的是每個單元上的每個節(jié)點的矢量磁勢，對于單元內部任意某一點的矢量磁勢，有限元方法是通過線性插值的方法得到。設某一個單元的三個節(jié)點的坐標分別是(xl，yl)、(x2，y2)、(x3，y3)，磁勢分別是Al、A2、A3，設該單元內任意一點(x，y)的磁勢為A。則有:</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　將三個

94、節(jié)點的坐標和磁勢代入方程，可計算出方程中的系數(shù)a、b、c:</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　根據矢量磁勢的定義:</p><p

95、><b>　　(3-8)</b></p><p>　　可以求出磁感應強度的表達式為:</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　根據該公式，Maxwen計算出各個單元的磁感應強度，也叫磁通密度?？蛰d時的磁感應強度分布圖如圖3-11b所示</p><p>　　a)磁力線

96、分布圖 b)磁通密度分步圖</p><p>　　圖3-11磁力線和磁通密度分步圖</p><p><b>　　3.3本章小結</b></p><p>　　通過借助ANSOFT有限元軟件的強大功能，并應用Maxwell 2D模塊建立了永磁同步電動機的模型，完成了對永磁同步電動機磁場的分析，仿真結果比較準確

97、地反應了永磁同步電動機的磁場分步、氣隙磁密分布等特性。</p><p>　　利用ANSOFT軟件對電機進行磁場分析可以驗證所設計的電機參數(shù)，判斷電機設計的合理性；改變轉子齒槽形狀，改變砸數(shù)和線徑，永磁體的大小，形狀等，使電機的性能達到最佳，從而對電機進行優(yōu)化設計。</p><p>　　第四章永磁電機磁路計算</p><p>　　4.1永磁體尺寸計算</p>

98、;<p>　　稀土永磁電機中氣隙磁感應強度Bδ；一般在0.7T左右選擇，對某些采用lJ-22(軟磁鐵鈷釩)做定子沖片的航空用稀土永磁發(fā)電機，可選擇高達 (0.8~0.9)T。氣隙磁感應強度Bδ和工作點磁感應強度BM是密切相關的，燒結NdFeB的BM可在0.55-0.75T范圍內選取。</p><p>　　確定好永磁體工作點磁感應強度后，可以根據公式（3-18）確定永磁體類型以及牌號，得到其性能參數(shù)：

99、</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　本論文所設計的發(fā)電機外轉子結構中，永磁體鑲嵌在轉子內表面。在制作過程中，需要在轉子內表面加工出一個凹槽，以便于永磁體定位。若采用傳統(tǒng)的弧形永磁體，則凹槽也應為弧形結構，增加了加工的難度。本論文設計的電機中，永磁體采用塊狀結構，加工過程中，轉自內壁槽只需要一道工序即可銑出，若永磁體寬度小，則造成的影

100、響并不大。永磁體結構如圖4-1所示，若永磁體徑向長度編較大，可能造成永磁體在裝配的時候發(fā)生折斷，因此整條永磁鐵可由若干小塊拼接而成。</p><p><b>　　圖4-1永磁體結構</b></p><p><b>　　其體積為：</b></p><p><b>　　(4-11)</b></p&g

101、t;<p>　　式中，BM、HM分別為永磁鐵工作點處剩余磁密和矯頑力；δef—等效氣隙長度，δef=Kδδ；LM為永磁體的徑向長度，LM=L2-2δ；Km—裕量系數(shù)，Km=l時，表示電機在額定運行狀態(tài)下永磁體的用量，由于風機一般處于低于額定運行狀態(tài)下運行，故Km，可適當取小，在0.8-1.0之間選擇；勵磁磁感應強基波分量為：</p><p><b>　　（4-12）</b>&l

102、t;/p><p>　　計算出永磁體的體積后，則很容易求出其它的尺寸，由式（3-20）可求的永磁體的截面積： </p><p><b>　　(4-13)</b></p><p>　　其中永磁體磁化方向長度氣由經驗取得；永磁體寬為：</p><p><b>　　(4-14)</b></p>&

103、lt;p>　　4.2永磁體等效磁路</p><p>　　永磁電機在運行過程中，永磁體向外磁路提供磁動勢Fm和磁通φm，都是變化的，計算比較麻煩，可以將永磁體等效成一個恒磁通源φr；與一個恒定的內磁導。相關聯(lián)的磁通源，如圖4-2所示，這樣可以大大簡化磁路計算。</p><p>　　圖4-2永磁體等效成磁通源</p><p>　　圖4-3永磁體等效成磁動勢源<

104、;/p><p>　　永磁體也可以等效成一個恒磁動勢源與一個恒定的內磁導相串聯(lián)的磁動勢源，如圖4-3所示。它與圖4-2所示的磁通源是等效的，二者可以互換。永磁體向外磁路所提供的總磁通φm可分為兩個部分，一部分與電樞繞組匝鏈，稱為主磁通(即每極氣隙磁通)φδ。另一部分不與電樞繞組匝鏈，稱為漏磁通φσ。相應地將永磁體以外的磁路(以后稱外磁路)分為主磁路和漏磁路，相應的磁導分別為主磁導和漏磁導。永磁電機實際的外磁路比較復雜，

105、分析時可根據其磁通分布情況分成許多段，再經串、并聯(lián)進行組合。主磁導和漏磁導是各段磁路磁導的合成。在空、負載情況下外磁路的等效磁路如圖4-4、4-5所示。</p><p>　　圖4-4空載時外磁路的等效磁路</p><p>　　圖3-5負載時外磁路的等效磁路</p><p>　　將圖4-5與圖4-2或4-3合并，得到負載時永磁電機總的等效磁路，如圖4-6所示。令Fa=

106、0，即得到空載時的等效磁路。</p><p><b>　　磁通源等效磁路</b></p><p><b>　　磁動勢源等效磁路</b></p><p>　　圖4-6負載時永磁電機的等效磁路</p><p><b>　　4.3磁位差計算</b></p><p&

107、gt;　　由于轉子外殼壁很薄，故假設該部分處于磁路短路狀態(tài)。</p><p><b>　　氣隙磁位差</b></p><p><b>　　(4-15)</b></p><p><b>　　定子齒磁位差</b></p><p><b>　　(4-16)</b>

108、;</p><p><b>　　定子軛磁位差</b></p><p><b>　　(4-17)</b></p><p><b>　　極靴軛磁位差</b></p><p><b>　　(4-18)</b></p><p><b&

109、gt;　　磁性襯套磁位差</b></p><p><b>　　(4-19)</b></p><p><b>　　總磁位差</b></p><p><b>　　(4-20)</b></p><p>　　4.4轉子漏磁導計算</p><p>