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

1、<p>　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）題目：基于ansoft的2kw永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁特性 仿真分析學(xué)院：電氣工程與自動化學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級： 學(xué)號： 姓名： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來隨著永磁材料強(qiáng)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(jī)的諸多優(yōu)點，

2、越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用了永磁發(fā)電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)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(hù)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(jī)的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合實際情況選取了發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子采用了徑向勵磁結(jié)構(gòu)，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，分析影響電機(jī)輸出電壓的內(nèi)部因素，即電樞

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

4、，和電樞反應(yīng)對感應(yīng)電動勢的影響，并以次為依據(jù)確定了發(fā)電機(jī)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)及所用材料。</p><p>　　關(guān)鍵詞：永磁；風(fēng)力；直驅(qū)式；發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；永磁同步發(fā)電機(jī)；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(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的意義1</p><p>　　1.2 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介4</p><p>　　1.3.1恒速恒頻風(fēng)力

14、發(fā)電系統(tǒng)5</p><p>　　1.3.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)5</p><p>　　1.3.3各類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較6</p><p>　　1.4課題研究主要內(nèi)容6</p><p>　　第二章 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理7</p><p>　　2.1直驅(qū)發(fā)電機(jī)的分類7</p><p

15、>　　2.1.1電勵磁發(fā)電機(jī)8</p><p>　　2.1.2徑向磁通永磁發(fā)電機(jī)8</p><p>　　2.1.3軸向磁通發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.1.4橫向磁通發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.2電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理10</p><p>　　2.2.1發(fā)電機(jī)和小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合10<

16、/p><p>　　2.2.2發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真15</p><p>　　3.1永磁同步風(fēng)力發(fā)

17、電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.1.1切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.1.2徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)16</p><p>　　3.2ansoft軟件對發(fā)電機(jī)的磁場進(jìn)行仿真分析17</p><p>　　3.2.1電機(jī)的主要參數(shù)17</p><p>　　3.2.2電機(jī)模型的建立18</

18、p><p>　　3.2.3應(yīng)用Maxwell對電機(jī)進(jìn)行2D分析21</p><p>　　3.3本章小結(jié)23</p><p>　　第四章 永磁電機(jī)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(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)計算29</p><p>　　4.5電樞反應(yīng)折合系數(shù)29</p><p>　　4.6漏磁導(dǎo)系數(shù)30</p><p>　　4.7氣隙磁勢30</p><p>　　4.8發(fā)電機(jī)提高效率的途徑31</p><p>　　4.9本章小結(jié)31</p&

20、gt;<p>　　第五章 全文總結(jié)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(xiàn)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(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的意義</p><p>　　穩(wěn)定、可靠和潔凈的能源供應(yīng)是人類文明、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的重要保障，煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀(jì)和20世紀(jì)近兩百年人類文明的進(jìn)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(jì)是科技、經(jīng)濟(jì)和社會快速發(fā)

22、展的世紀(jì)，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(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國必須解決的問題。</p><p>　　目前的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，主要采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)，或者使用電機(jī)代替永磁同步發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換而來的。目前世界各國電能產(chǎn)生主要是靠火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)

23、電以碳?xì)浠衔餅橹饕煞值拿?、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(nóng)作物、森林、建筑物及金屬材料構(gòu)成危害和腐蝕浪費(fèi)；二氧化碳形成溫室效應(yīng)，改變局部氣候，造成各種自然災(zāi)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(yù)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(yīng)正引起全球的矚目。</p><p>　　從人類社會的長遠(yuǎn)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(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮?、海洋能、氫能和核能等在?nèi)的新能源和可再生能源逐漸成為人們研究的熱點。風(fēng)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(yùn)動而形成的。它是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式

25、，取之不盡、用之不竭。</p><p>　　我國領(lǐng)土位于北半球中緯度上，幅員遼闊，海岸線長，風(fēng)力資源相當(dāng)豐富。據(jù)初步估算，全國平均風(fēng)能密度為100瓦/平方米，風(fēng)能總量為10億千瓦，其中陸地上的風(fēng)能儲量約為2.53億千瓦，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量約為7.5億千瓦。我國風(fēng)能資源主要分布在東南沿海及附近島嶼，內(nèi)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(fēng)能密度在150瓦以上，每年風(fēng)速在

26、3米/秒以上的時間近4000小時，一些地區(qū)年平均風(fēng)速近6~7米/秒以上。由此可見，我國的風(fēng)力資源非常豐富，風(fēng)力資源的分布也相當(dāng)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(shè)計的電機(jī)，針對永磁直流發(fā)電機(jī)的缺點，結(jié)合永磁同步電機(jī)的優(yōu)點，提出一種新型的外轉(zhuǎn)式永磁同步電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、高性能的特點，滿足了小型風(fēng)力發(fā)電的實際需要。</p>

27、<p>　　1.2直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　能源困局不是中國獨(dú)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(shù)、日本的陽光計劃、歐盟2050年可再生能源50%的戰(zhàn)略目標(biāo)，都是破解能源困局的思路。在各種各樣的選擇中，風(fēng)電也許是最值得考慮的選擇。歐盟風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織《風(fēng)力12：關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量

28、12%的藍(lán)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(fēng)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(shù)選擇之一。19世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫乳_始探索風(fēng)力發(fā)電，研制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直到20世紀(jì)70年代以前，只有小型充電用風(fēng)力機(jī)達(dá)到實用階段。美國20世紀(jì)30年代還有許多電網(wǎng)未通達(dá)的地方，獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實現(xiàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大的作用。20世紀(jì)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(jī)容量1000kW以上的風(fēng)力機(jī)組，承擔(dān)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(jī)組，風(fēng)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(fēng)電繼續(xù)呈現(xiàn)地區(qū)發(fā)展多樣化的特點。到2006年底，風(fēng)電發(fā)展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長態(tài)勢。風(fēng)電裝機(jī)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(lǐng)先地位，亞洲正成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新生力量，預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來還有更大的增長。與此同時，世界前五位風(fēng)電市場的德國、西班牙、美國、印度以及丹麥風(fēng)電裝機(jī)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(jì)50年代，就有過研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的活動。

31、但有實用價值的新型風(fēng)力機(jī)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(jī)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(fēng)—光互補(bǔ)系統(tǒng)，容量可達(dá)數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦，能完成給農(nóng)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(shè)施的獨(dú)立供電任務(wù)，已逐步得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用。為了扶持風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)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(fēng)能資源比較豐富，發(fā)展風(fēng)電的條件很好。據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算，全國平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲量約322.6萬MW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量有25.3萬MW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)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(fēng)力資源。我國海岸線約為1800千米，島嶼6000多個，海上風(fēng)速高，很少有靜風(fēng)期，可以有效利用風(fēng)電機(jī)組發(fā)電容量。一般估計海上風(fēng)速比平原高20

33、%，發(fā)電量增加70%?！笆濉逼陂g，中國的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組得到迅速發(fā)展。2006年，中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場之一。2007年我國風(fēng)電產(chǎn)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(jī)約600萬千瓦，提前三年實現(xiàn)國家2010年的目標(biāo)。2008年8月，中國風(fēng)電裝機(jī)總量已經(jīng)達(dá)到700萬千瓦，占中國發(fā)電總裝機(jī)容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進(jìn)入可再生能源大國行列。中國

34、政府原定風(fēng)力發(fā)電2020年將達(dá)到3000萬千瓦的目標(biāo)將在2010年提前十年完成?，F(xiàn)政府已經(jīng)將2020年的風(fēng)電裝機(jī)容量</p><p>　　1.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介</p><p>　　風(fēng)能是一種清潔、資源豐富、不產(chǎn)生溫室氣體的自然可再生能。在當(dāng)前礦石能源面臨枯竭、環(huán)境日益惡化的情況下，無論從經(jīng)濟(jì)上或是技術(shù)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(fēng)是具有能量的，平日里，微風(fēng)就能帶動玩具風(fēng)車飛速旋轉(zhuǎn)，在狂風(fēng)怒號的臺風(fēng)季節(jié)中，風(fēng)災(zāi)造成的破壞更使人感到風(fēng)的威力。據(jù)估算，海洋中一個直徑為800km的臺風(fēng)，其具備的能量相當(dāng)于50萬顆1945年在廣島爆炸的原子彈的能量。風(fēng)所具備的能量簡稱為風(fēng)能。</p><p>　　風(fēng)的形成除與各地區(qū)的太陽照射角、地球自轉(zhuǎn)、地區(qū)的地形地貌等有關(guān)外，還具有隨機(jī)性、隨季節(jié)變化和隨高度變化等特性。描述風(fēng)力的兩個最重要物理參

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

37、陽輻射強(qiáng)度會隨時間而發(fā)生季節(jié)性變化，從而使各地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)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(fēng)力春季最大，冬季次之；臺灣及南海諸島的風(fēng)力秋季最大，冬季次之；西北、東北及華北等內(nèi)陸地區(qū)，春季風(fēng)力最大、冬季次之，夏季最小。</p><p>　　在距地面2000m以內(nèi)的大氣摩擦層中，空氣的流動和風(fēng)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(fēng)速。因而風(fēng)速隨離地面的高度

38、增高而增大。在同一高度上，風(fēng)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(fēng)速最小，城市近郊或村莊風(fēng)速較大而在平地或海岸線地帶風(fēng)速最大。由此可見風(fēng)的成因的復(fù)雜性，所以人們常說天有不測風(fēng)云。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常由風(fēng)能資源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源及電能用戶組成。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)

39、及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運(yùn)行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點。</p><p>　　1.3.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此葉尖比速λ不可能經(jīng)常保

40、持在最佳值，Cp值往往與最大值相差很大，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)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(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。運(yùn)行點發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%～5%時達(dá)到最大值，若超過這個轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反

41、轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)(VSCF)，是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而通過其它的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。</p><p>　　利用變速恒頻發(fā)電方式，風(fēng)力機(jī)就可以變速運(yùn)行，這樣就可能使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運(yùn)行獲取更多的能量。即使風(fēng)速躍升時，所產(chǎn)生的風(fēng)能也部分被風(fēng)輪吸收，以動能的形式儲存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免了主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，送入電網(wǎng)，從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力

43、發(fā)電系統(tǒng)、雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。</p><p>　　1.3.3各類風(fēng)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(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于由電機(jī)的極對數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行。是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨著

44、風(fēng)速變化而改變，通過其它的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的電能。</p><p>　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風(fēng)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(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速上，當(dāng)風(fēng)速改變時風(fēng)力機(jī)就會偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)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(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實時調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言可以起到功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)淖饔?。最后，采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)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(wǎng)操作及運(yùn)行</p><p>　　近幾年來，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接驅(qū)動技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域得到了重視：這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用多極發(fā)電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)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(shù)方而的優(yōu)點，特別

46、是采用永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)，其可靠性和效率更高，處于當(dāng)今國際領(lǐng)先地位，在今后風(fēng)電機(jī)組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)用前景十分廣闊。</p><p>　　1.4課題研究主要內(nèi)容</p><p>　　本論文主要著眼于永磁發(fā)電機(jī)在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，針對現(xiàn)有永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點，提出一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的新型永磁發(fā)電機(jī)。

47、參考傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計方法對該類型發(fā)電機(jī)進(jìn)行初始尺寸計算。通過查閱相關(guān)資料，熟悉永磁同步發(fā)電機(jī)的工作原理；掌握永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計方法；并對發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計與電磁計算。掌握利用Ansoft軟件分析電機(jī)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(nèi)外發(fā)電現(xiàn)狀等；</p><p>　　2）第二章分析永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理；</

48、p><p>　　3）第三章介紹永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真；</p><p>　　4）第四章則是得出結(jié)果與分析計算永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)的空、負(fù)載性能分析等；</p><p>　　5）第五章對全文做出總結(jié)，并對后續(xù)工作提出展望。</p><p>　　第二章

49、永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　2.1直驅(qū)發(fā)電機(jī)的分類</p><p>　　圖2-l所示，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：葉片、發(fā)電機(jī)、塔架、尾翼。其中葉片組成的葉輪起吸收風(fēng)能的作用；發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能并輸出到儲能設(shè)備中；尾翼在水平面上使風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)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(diào)整俯仰角度的

50、結(jié)構(gòu)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；集流環(huán)等。在整個系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)部分居于一個重要的地位，它將風(fēng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，其性能優(yōu)劣直接影響整個風(fēng)電系統(tǒng)的性能。</p><p>　　發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(zhì)量和效率，也影響到整個風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和裝置的結(jié)構(gòu)。對于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計來說，有很多方案可以選擇。例如可選用雙饋異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)，也可選

51、用傳統(tǒng)的電勵磁同步電機(jī)。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(dāng)今多數(shù)的低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是永磁發(fā)電機(jī)；根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)中主磁通方向的不同，可以把發(fā)電機(jī)分成徑向磁通發(fā)電機(jī)、軸向磁通發(fā)電機(jī)和橫向磁通發(fā)電機(jī)三大類。用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)主要有以下幾種：</p><p>　　2.1.1電勵磁發(fā)電機(jī)</p><p>　　電勵磁發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)可視為一種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇方案，在大功率發(fā)電機(jī)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(jī)械設(shè)計施工和運(yùn)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(yùn)行的幾百千瓦級直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是電勵磁同

53、步發(fā)電機(jī)，首臺樣機(jī)制造于1992年。此種電機(jī)外徑約5m，長約0.6m，后接整流逆變器，轉(zhuǎn)速18~38r/min。</p><p>　　2.1.2徑向磁通永磁發(fā)電機(jī)</p><p>　　在徑向磁通發(fā)電機(jī)中導(dǎo)體電流呈軸向分布，主磁通沿徑向從定子經(jīng)氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子，這是最普通的永磁發(fā)電機(jī)形式。它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、漏磁小等優(yōu)點，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。</

54、p><p>　　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，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，定子外形尺寸?。灰灿幸恍┩廪D(zhuǎn)子設(shè)計，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，缺點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。徑向磁場式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，應(yīng)

55、用廣泛，多數(shù)低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都采用徑向磁場式結(jié)構(gòu)，這種類型的電機(jī)似乎是直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最有意義的類型。</p><p>　　2.1.3軸向磁通發(fā)電機(jī)</p><p>　　如圖2-2所示，軸向磁通發(fā)電機(jī)的繞組物理位置被轉(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)

56、構(gòu)用得較多，如圖2-2a)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，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。在永磁體結(jié)構(gòu)軸向不對稱時，如圖2-2b)所示，存在單邊磁拉力，如果磁路設(shè)計不合理，漏磁通大，在等電磁負(fù)荷下，效率略低。</p><p>　　a）雙定子結(jié)構(gòu) b）單定子結(jié)構(gòu)<

57、;/p><p>　　圖2-2軸向磁通發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.4橫向磁通發(fā)電機(jī)</p><p>　　橫向磁通發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，其磁路方向為轉(zhuǎn)子的軸向方向。橫向磁通發(fā)電機(jī)電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，完全可以根據(jù)需要調(diào)整磁路尺寸和線圈窗口來確定電機(jī)的電磁負(fù)荷，不存在傳統(tǒng)電機(jī)在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結(jié)構(gòu)上的相互制約關(guān)系，從而獲得較高的轉(zhuǎn)矩

58、密度，缺點是電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。</p><p>　　此種發(fā)電機(jī)可以做成具有很多極對數(shù)的電機(jī)，且操作上可同時具有同步電機(jī)和永磁電機(jī)的特點，適合于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電。但是，橫向磁通發(fā)電機(jī)的控制很復(fù)雜，此外，發(fā)電機(jī)氣隙磁通是非正弦的，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁路的變化是連續(xù)的、非線性的。這導(dǎo)致了對此種電機(jī)進(jìn)行設(shè)計分析的難度較大，給機(jī)組制造帶來了很大的困難。因此這種電機(jī)是否滿足在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)行，還要繼續(xù)對其進(jìn)行深入的

59、研究。</p><p>　　圖2-3橫向磁通發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　2.2.1發(fā)電機(jī)和小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合</p><p>　　本論文所設(shè)計的發(fā)電機(jī)為低速發(fā)電機(jī)，無需變速箱即可和葉片相連。在轉(zhuǎn)子后殼處有一法蘭結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)式電機(jī)結(jié)構(gòu)的葉柄連接方式，圖2-4(b)為傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)式電機(jī)結(jié)構(gòu)的葉柄連接方式。可以看出，當(dāng)葉柄長度一致時，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(jù)外轉(zhuǎn)子

61、法蘭的大小進(jìn)行調(diào)整，這樣可將整個葉輪的半徑擴(kuò)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(fēng)速下啟動的優(yōu)點。傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為了能安裝到塔架上，需要對外殼進(jìn)行修改，將外殼、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和安裝基座作為一體。</p><p>　　本論文所設(shè)計的發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子形式，由于轉(zhuǎn)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(shè)計，整個發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)等效于懸臂梁結(jié)構(gòu)，為

62、了防止支承軸變形嚴(yán)重，則需要注意幾個問題：①整個發(fā)電機(jī)重量不能過重，因此需要使用一種合理的結(jié)構(gòu)尺寸計算方法，在相同輸出功率下，較其他類型電機(jī)結(jié)構(gòu)輕；②支承軸總長度不能過長，保證在支承軸負(fù)荷最大情況下，產(chǎn)生的繞度(扭矩)形變不影響發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.2.2發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定子硅鋼片設(shè)計、轉(zhuǎn)子外殼設(shè)計、軸的設(shè)計、軸承計算等

63、。在電機(jī)中，普遍采用的是疊片鐵心，電機(jī)選用硅鋼片時由幾個要點：低鐵損、高磁導(dǎo)率、合適的硬度、良好的耐蝕性能等，本發(fā)電機(jī)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(dá)到0.98，比熱軋約高3%。沖片數(shù)量根據(jù)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(jié)構(gòu)，斜槽的扭轉(zhuǎn)寬度正好等于一個槽距，這樣可以有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的影響；實際生產(chǎn)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(jī)，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(nèi)部的渦流，不足點是切縫的存在難以保證沖片的強(qiáng)度，所以這種方式僅適用于試驗樣機(jī)的制造中。</p><p>　　為了便于安裝永磁體、便于對電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)，本電機(jī)所設(shè)計的轉(zhuǎn)子外殼分成三個部分，包括：轉(zhuǎn)子前殼、轉(zhuǎn)子后殼和轉(zhuǎn)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(shè)備的加工精度。轉(zhuǎn)子外殼用于安裝永磁鐵，需要在其內(nèi)表面銑出凹槽；轉(zhuǎn)子前后殼需要安裝軸承，其結(jié)構(gòu)根據(jù)軸承計算獲得尺寸設(shè)計；轉(zhuǎn)子后殼還需要和葉片連接。電機(jī)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(shè)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(jī)到基座之間，軸應(yīng)該預(yù)留一段長度，并通過后續(xù)有限元分析，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)的各個連接部分考慮防水防塵等密封問題，如在轉(zhuǎn)子前后殼與轉(zhuǎn)子外殼連接部分做出凸臺、軸承蓋選用的密封件、轉(zhuǎn)子后殼的一端做成密封形式等。除此之外，考慮到轉(zhuǎn)子后殼一端是密封的，為了方便維護(hù)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(shè)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(jī)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-5，整個發(fā)電機(jī)通過支承軸固定在塔架的支承座上，葉片通過螺栓與轉(zhuǎn)子后殼的

68、法蘭部分聯(lián)結(jié)，內(nèi)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(jī)內(nèi)部引出，連接到安裝在支撐座附近的整流環(huán)。在風(fēng)力的作用下，葉輪帶動外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(jī)的運(yùn)行原理與電勵磁同步電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，降低了成本

69、，提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性以及功率密度。因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　永磁同步發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動機(jī)基本相同，也采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機(jī)運(yùn)行時的鐵耗。轉(zhuǎn)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(jī)的橫截面示意圖。</p><p>　　當(dāng)同步電機(jī)做發(fā)電運(yùn)行時，直流電流通過電刷滑環(huán)裝置流入轉(zhuǎn)子勵磁繞組，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)

70、子相對靜止的恒定磁場，磁力線從轉(zhuǎn)子N極出來，經(jīng)氣隙、定子鐵芯、氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)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(jī)的主要用材包括永磁磁極、定轉(zhuǎn)子硅鋼片、電樞銅線和機(jī)殼材料。通常機(jī)殼材料和電樞銅線對電機(jī)性能的影響不大，對電機(jī)的性能影響很大的是永磁材料，定轉(zhuǎn)子硅鋼片的材料對電機(jī)的性能也有一定影響。</p><

71、p>　　常見的用作電機(jī)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(jì)30年代研制成功的永磁材料，它溫度系數(shù)小，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)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(qiáng)，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(jì)60年代中期問世,其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、磁感應(yīng)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(qiáng)，缺點是材料硬而脆，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均較低，僅能進(jìn)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(fù)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(guān)系到電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性。在本電機(jī)設(shè)計中，一方面要求獲得足夠高的功率密度，即永磁材料應(yīng)具有足夠的剩磁密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力及最大磁能積；另一方面永磁材料應(yīng)具有較好的磁性能，包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，尤其是無齒輪箱直驅(qū)變速恒頻永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗較大，溫升較高，因此應(yīng)選擇工作溫度點高的永磁材料，使得發(fā)電機(jī)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(jīng)濟(jì)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(shè)計選擇釹鐵硼(NdFeB)永磁材料。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)：</b></p><p>　　這章主要介紹了永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾種不同結(jié)構(gòu)，分析和比較了這幾種不同結(jié)構(gòu)的特點。第二節(jié)介紹了發(fā)電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真</p><p>　　3.1永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)</p><p>　　永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、加工和裝配費(fèi)用少、運(yùn)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(jī)體積，提高功率質(zhì)量比。目前，國內(nèi)永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，如用于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，隨著高性能永磁材料制造工藝的提高，大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也傾向于使用

76、永磁同步發(fā)電機(jī)。</p><p>　　永同傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機(jī)一樣，永磁同步發(fā)電機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。永磁同步發(fā)電機(jī)的定子指電機(jī)運(yùn)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(jī)殼及端蓋等部份組成，這同傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相同。永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子上，并由此引出這類電機(jī)一系列特殊性。通常按照永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)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(jié)構(gòu)和徑向式結(jié)構(gòu)來說明永磁同步發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的特點。</p><p>　　3.1.1切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)</p><p>　　切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(yuǎn)，其漏磁比軸向式結(jié)構(gòu)要大。但是，在切向式結(jié)構(gòu)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(jī)。切向式

78、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和切向槽楔式結(jié)構(gòu)。稀土鈷永磁材料的抗拉強(qiáng)度很低，如果轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上無防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑較大或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子表面所承受的離心力已經(jīng)接近甚至超過永磁材料的抗拉強(qiáng)度，將使永磁體出現(xiàn)破壞，所以高速運(yùn)行的永磁同步發(fā)電機(jī)選用套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。槽楔式結(jié)構(gòu)中永磁體用槽楔固定，工藝和結(jié)構(gòu)比較簡單，對高速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，套環(huán)式的可靠性比槽楔式高。切向式內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示。<

79、;/p><p>　　圖3-1內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) </p><p>　　1-轉(zhuǎn)軸 2-永磁體 3-轉(zhuǎn)子導(dǎo)條</p><p>　　3.1.2徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)</p><p>　　徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中永磁體的形狀主要有環(huán)形、星型、瓦片型和矩形四種。內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。</p><p>　　環(huán)形永磁體的結(jié)構(gòu)和工藝最為簡單，可以直接澆鑄或粘結(jié)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，機(jī)械強(qiáng)度較高，可以在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)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(jié)構(gòu)和工藝較簡單，極間采用鋁合金澆鑄，保證了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體性并起阻尼作用，既可改善發(fā)電機(jī)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(fù)雜，永磁材料的磁性能同樣偏低，因而發(fā)電機(jī)的容量受到限制。為了在盡可能小的轉(zhuǎn)子直徑內(nèi)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(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)</p><p>　　1

82、-轉(zhuǎn)軸 2-永磁體槽 3-永磁體 4-轉(zhuǎn)子導(dǎo)條</p><p>　　3.2 ansoft軟件對發(fā)電機(jī)的磁場進(jìn)行仿真分析</p><p>　　3.2.1電機(jī)的主要參數(shù)</p><p>　　電機(jī)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(zhuǎn)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(jīng)：0.14354/2</p><p>　　定子內(nèi)勁：0.062/2</p><p><b>　　定子槽數(shù)：36</b></p><p>　　永磁體內(nèi)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(zhuǎn)子內(nèi)半徑：153.14/1000/2</p><p>　　轉(zhuǎn)子外半徑: 173.14/1000/2</p><p>　　3.2.2電機(jī)模型的建立</p><p>　　用Ansoft軟件建立此永磁同步發(fā)電機(jī)二維有限元模型的具體過程如下：</p><p>　?。?）把永磁同步發(fā)電機(jī)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(jìn)行求解，自動生成二維有限元幾何模型，如圖3-3所示。</p><p>　　（2）將求解結(jié)果用export 2D project功能生成pjt文件，把該文件導(dǎo)入Maxwell 2D中，采用瞬態(tài)模塊進(jìn)行二維有限元分析。</p><p>　?。?）在生成的幾何模型里定義電機(jī)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(yùn)動界限（band）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、有限元分析的時間步長以及有限元分析的網(wǎng)格劃分情況等。</p><p>　　圖3-3永磁同步發(fā)電機(jī)幾何模型</p><p>　　生成永磁發(fā)電機(jī)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(fù)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(zhuǎn)速下繞組定子相電壓</p><p>　　圖3-8帶負(fù)載的繞組定子相電壓</p><p>　　圖3-9效率和功率角的關(guān)系</p><p>　　3.2.3應(yīng)用Maxwell對電機(jī)進(jìn)行2D

89、分析</p><p>　　在Maxwell 2D所建立的模型基礎(chǔ)上分別定義電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、氣隙、永磁體等材料，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分，即進(jìn)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(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線等曲線。圖3-10是永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)計算模

90、型</p><p>　　為了直觀的表達(dá)問題的場分布，常用等勢線圖來表示場分布的性質(zhì)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng);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(yīng)強(qiáng)度越弱。這樣等勢線的疏密就表示了磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱。設(shè)某條等勢線上的相鄰兩個節(jié)點A、B的坐標(biāo)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(yīng)強(qiáng)度方向

92、為:</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　這表明磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與等勢線相切。因此，可以把等勢線認(rèn)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(dǎo)磁材料，如鐵芯;相反，等勢線系數(shù)的區(qū)域為低導(dǎo)磁材料，如空氣、銅線。也可清楚的看到磁力線的路徑。</p><p>　　經(jīng)

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(nèi)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(shè)某一個單元的三個節(jié)點的坐標(biāo)分別是(xl，yl)、(x2，y2)、(x3，y3)，磁勢分別是Al、A2、A3，設(shè)該單元內(nèi)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(biāo)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(jù)矢量磁勢的定義:</p><p

95、><b>　　(3-8)</b></p><p>　　可以求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為:</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　根據(jù)該公式，Maxwen計算出各個單元的磁感應(yīng)強(qiáng)度，也叫磁通密度?？蛰d時的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)</b></p><p>　　通過借助ANSOFT有限元軟件的強(qiáng)大功能，并應(yīng)用Maxwell 2D模塊建立了永磁同步電動機(jī)的模型，完成了對永磁同步電動機(jī)磁場的分析，仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確

97、地反應(yīng)了永磁同步電動機(jī)的磁場分步、氣隙磁密分布等特性。</p><p>　　利用ANSOFT軟件對電機(jī)進(jìn)行磁場分析可以驗證所設(shè)計的電機(jī)參數(shù)，判斷電機(jī)設(shè)計的合理性；改變轉(zhuǎn)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(jī)的性能達(dá)到最佳，從而對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　　第四章永磁電機(jī)磁路計算</p><p>　　4.1永磁體尺寸計算</p>

98、;<p>　　稀土永磁電機(jī)中氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)，可選擇高達(dá) (0.8~0.9)T。氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Bδ和工作點磁感應(yīng)強(qiáng)度BM是密切相關(guān)的，燒結(jié)NdFeB的BM可在0.55-0.75T范圍內(nèi)選取。</p><p>　　確定好永磁體工作點磁感應(yīng)強(qiáng)度后，可以根據(jù)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(shè)計的發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體鑲嵌在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面。在制作過程中，需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)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(yīng)為弧形結(jié)構(gòu)，增加了加工的難度。本論文設(shè)計的電機(jī)中，永磁體采用塊狀結(jié)構(gòu)，加工過程中，轉(zhuǎn)自內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)</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(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下永磁體的用量，由于風(fēng)機(jī)一般處于低于額定運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，故Km，可適當(dāng)取小，在0.8-1.0之間選擇；勵磁磁感應(yīng)強(qiáng)基波分量為：</p><p><b>　?。?-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(jīng)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(jī)在運(yùn)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(nèi)磁導(dǎo)。相關(guān)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(nèi)磁導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的磁導(dǎo)分別為主磁導(dǎo)和漏磁導(dǎo)。永磁電機(jī)實際的外磁路比較復(fù)雜，

105、分析時可根據(jù)其磁通分布情況分成許多段，再經(jīng)串、并聯(lián)進(jìn)行組合。主磁導(dǎo)和漏磁導(dǎo)是各段磁路磁導(dǎo)的合成。在空、負(fù)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(fù)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(fù)載時永磁電機(jī)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(fù)載時永磁電機(jī)的等效磁路</p><p><b>　　4.3磁位差計算</b></p><p&

107、gt;　　由于轉(zhuǎn)子外殼壁很薄，故假設(shè)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(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)計算</p><p>