1.5M风力发电机设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文XX大学学士学位论文-PAGELVIII--PAGEIII-1.5兆瓦风力发电机用永磁同步发电机的设计摘要2009年哥本哈根会议的召开，显示国际已经开始越来越重视环保。环保、低碳将是未来能源发展的一个趋势。而火力发电每年都要消耗大量的煤炭，产生严重的污染。因此研制出能够代替火力发电的新能源就显得意义深远。而风力发电且具有绿色环保无污染等特点，已日益得到关注，近年来，我国的风能开发正处在起步阶段，但发展速度很快，遍布许多沿海城市及偏远山区，正逐步为人类造福。如何提高风能的利用和转化效率是目前技术方面重点研究方向，不仅符合了时代发展的潮流，也和我国的基本国情和战略方针相一致。同时做好节能环保也是当前科研人员在研究过程中应尽的义务。直驱永磁同步风力发电机去掉了风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。采用高磁能积的永磁材料作为磁极，就省去了励磁绕组产生的损耗，使得电机的结构变得简单，效率也随之提高。但由于其运行转速低，一般定子外径都比较大。因此，为了减小电机尺寸和改善冷却效果，本文以内转子径向式永磁同步风力发电机为例进行分析。先通过感应电机、永磁电机和水轮机等经验公式确定基本尺寸，又对电机进行磁路分析计算，最后又分别从轴向长度、气隙宽度、极弧系数和每极每相槽数参数等对电机进行了优化，以便使设计结果更加合理。关键词直驱式；永磁同步；风能；风力发电机；内转子

1.5MWWindTurbineswithPermanentMagnetSynchronousGeneratorAbstractHeldinCopenhagenin2009,showingmoreandmoreattentiontointernationalenvironmentalprotectionhasbegun.Environmentalprotection,low-carbonenergydevelopmentwillbeafuturetrend.Thethermalpowerconsumptionoflargeamountofcoaleachyear,resultinginseriouspollution.Thereforedevelopedanewenergytoreplacethethermalpowergenerationbecomessignificant.Thegreenwindpowerandhasnopollution,hasreceivedincreasedattentioninrecentyears,China'swindenergydevelopmentisinitsinfancy,butrapiddevelopmentaroundthemanycoastalcitiesandinremotemountainousareas,graduallythebenefitofmankind.Howtoimprovetheefficiencyofwindenergyutilizationandconversiontechnologiesisthefocusofresearch,notonlythedevelopmenttrendofthetimes,too,andChina'sbasicnationalconditionsandthestrategyandguidingprinciple.Atthesametimedoagoodjobsavingandenvironmentalprotectioniscurrentlyintheprocessofresearch,scientistsobligations.Directdrivepermanentmagnetsynchronouswindturbinewindpowersystemtoremoveacommongearbox,directdrivemotorforwindturbinerotorisoperatingatlowspeedstate,whichnogearboxcausedbynoise,highfailurerateandmaintenancecostsetc,andimprovedreliability.usingthehigh-energyproductofpermanentmagnetsaspole,eliminatingtheneedforfieldwindingstoproducetheloss,thesimplestructureofthemotorefficiencyisimproved.Asdrivepermanentmagnetsynchronouswindturbinerunningspeedislow,generallylargerthanthediameterofthestator.Therefore,inordertoreducethesizeofthemotorandimprovethecoolingeffect,withinthisradialpermanentmagnetsynchronouswindturbineasanexampleforanalysis.Firstthroughtheinductionmotor,permanentmagnetmotorsandturbinesandotherempiricalformulatodeterminethebasicsize,thenthemotormagneticcircuitanalysisandcalculation,andfinallyfromtheaxiallength,respectively,airgapwidth,polearccoefficientandthenumberofslotsperpoleperphaseparametersthemotorisoptimizedtomakethedesignmorereasonableresults.KeywordsDirectdrive;Permanentmagnetsynchronous;Windenergy;Windgenerator;InnerrotorPAGELVIII---PAGEV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANIITOC\o"1-3"\u第1章绪论 11.1风力发电的意义 11.2风力发电的发展 31.2.1中国及世界范围内风力发电发展历程 31.2.2我国及世界风力发电发展趋势 41.3风力发电机组的简介 51.3.1风力发电机组的结构及电能的储备介绍 51.3.2风力发电机组的典型结构 61.4本课题研究的背景意义和主要研究内容 71.4.1永磁材料及永磁电机的特点 71.4.2本课题的研究意义 8第2章风力发电机电磁设计过程及永磁材料介绍 102.1永磁风力发电机简介 102.1.1风力发电机的发展现状 102.1.2永磁电机的概述 102.1.3永磁同步发电机简介 112.1.4永磁同步发电机设计特点 132.2永磁材料的介绍 142.2.1永磁材料的分类 142.2.2永磁材料的发展概况 142.2.3永磁材料的主要参数 152.2.4永磁材料选择的原则 172.2.5永磁体形状和体积估算 182.2.6钕铁硼永磁材料 182.2.7永磁体的充磁 182.3主要设计目标 192.4永磁风力发电机的设计特点 202.5永磁同步发电机基本参数的确定 212.6本章小结 22第3章风力发电机电磁设计过程 233.1设计过程 233.2本章小结 39第4章电磁设计比较分析及方案优化 404.1电磁设计的比较 404.2方案优化 404.3本章小结 42结论 43致谢 44参考文献 45附录 46-PAGE58--PAGE59-绪论风力发电的意义目前，在全世界范围内，风力发电发展势头迅猛。从1996到2004年，风力发电装机容量的年平均增长率达28%。截止到2004年底，全世界并网型风力发电机累计装机容量已达到4532万kW。已经有越来越多的国家把发展风力发电作为未来电力投资的重点。我国也制定了自己的“乘风计划”以鼓励风电设备国产化。之所以各国如此大力发展风电技术，是由于风力发电对于解决能源危机、缓解环境污染状况都有十分重要的意义[1]。(1)能源危机目前世界能源主要来自石油、煤、天然气和核能。煤炭、石油、天然气属于不可再生能源，终究会被开采完毕；核能发电的关键问题是如何处理核废料，其处理费用远高于建造成本。现在地球人口约60亿，到21世纪中叶，预计将达到100亿人。单从人口增长的数字来看，能源消费的增长将是非常惊人的。随着社会的发展和人类对能源需求量的不断攀升，人类正面临资源枯竭的压力。近两年来，世界石油的“价格”飞涨，石油价格始终处于高位，从二十到三十美元一桶涨到五十六美元一桶的历史高点。高昂的石油价格势必对世界经济产生严重影响。能源危机正一步步向人类袭来。可以预见，在不久的将来，各国对能源的争夺，会是全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧效率以减少资源消耗，或者开发新材料、新工艺，最大限度的实现节能；二是开发新能源，积极利用可再生能源。前者虽然能有效地提高能源利用率，但终究是建立在消耗不可再生资源来发展生产的基础上，不能从根本上解决能源短缺的问题，而开发利用可再生能源扩展了能源的获得途径，是一种可持续的发展方式。现在世界能源消费以石油计算约为每年80亿吨，按平均消费量每人每年2吨计算，到2040年，石油将出现枯竭，到2060年，核能及天然气也将终结。届时地球的能源已经无法满足近116亿人口的能源需求。实际上随着世界人口的不断增系人类子孙后代命运，刻不容缓的一件大事。(2)环境污染严重从化学成分上而言，煤、石油和天然气等化石能源的主要成分是碳。这些化石资源的消耗直接导致了温室气体——二氧化碳排量的增加，引起全球变暖。同时，化石能源中含有的少量元素汞、硫、铅等，燃烧后会生成二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些有害气体污染空气，毒化水质，且能够形成酸雨，对人畜和其他生物极为有害。(3)风力发电的优越性风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳光照射到地球表面上，地球表面各处受热不均，产生温差，从而引起大气的对流运动，形风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染等优势而在各国迅速发展。虽然风能资源还有密度低、不稳定、地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡其快速发展的强劲势头。目前，美国的风力发电年增装机容量已达到150万～160万kW；丹麦约45万kW；荷兰约15万kW；印度约8万kW。但是风电占电网电量的比例还不算大，只有丹麦占3%。但从规划来看，到2000年，丹麦要占5%；英国、德国、西班牙、法国、日本、加拿大、印度都制定了加快风电发展的计划。(4)风力发电对于中国，意义尤为突出燃煤发电一直是我国电力供应的主体。虽然我国煤炭产量占世界总产济的快速发展，仍是个很大的问题。需要指出的是，煤炭发电对环境的污染有着很大的影响。国家环境保护总局指出，2002年燃煤电厂二氧化硫排放量达到666万吨，占全国排放总量的34.6%。严格控制燃煤电厂二氧化硫排放对实现全国二氧化硫总量控制目标至关重要。从近年来的发展情况来看，在保持经济发展持续增速的条件下，我国的石油使用量每年有将近八千万吨的进口量。中国2004年新投产的电力装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。在我国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿作用。另外在我国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省鄱阳湖地区以及湖北省通山地区。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的题。在西北经济落后地区发展风电，既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。由我国供电比例分布可知，火力发电和水力发电已经进入了较为成熟的阶段，作为传统的发电方式提供并支撑国内大部分电力需求，而火力发电的资源大部分是不可再生的。我国煤的探明储量为世界人均值的51.3%，石油仅为11.3%，天燃气只有3.78%，人均商品能源消费量为世界人均值的55%，为发达国家人均值的17%，家庭人均用电量只有美国的2.4%[1]。如何提高电能转化效率，更加节约能源且环保的发电方式的利用提上日程。风能、核能、太阳能以及潮汐能等新兴发电系统应运而生。其中，风力发电技术的应用不仅占据着大部分比重，其发展技术也最为成熟且符合时代发展的潮流，从而作为新能源发展的主流。近年来，世界上风电事业以近30%的增长率迅速发展。风力发电的发展中国及世界范围内风力发电发展历程2006年，按全球风力发电市场份额排名，前几位的公司分别是：丹麦Vestas公司（占全球风力发电市场的份额为33.7%）,德国Enercon公司（14.8%）,英国Gamesa公司（13.8%）,美国GEWind公司（13.0%）,德国西门子公司（7.5%）,印度/德国Suzlon/Repower合资公司（6.3%）,德国Nordex公司（4.3%）,其它公司占6.6%。2009年中国成为第一大风电装机市场,装机容量新增13.75百万千瓦,创下了世界纪录.而且三家中国风机供应商跻身全球风机制造商前十排名，见表1-1。表1-12009年全球十大风机供应商(据BTM)排名公司国别全球市场份额(%)1Vestas丹麦12.52通用电气美国12.43华锐风电中国9.24Enercon德国8.55金风科技中国7.26Gamesa西班牙6.77东方电气中国6.58Suzlon印度6.49西门子德国5.910RePower德国3.4就世界范围来说，风力发电起步于丹麦，之后，美国将其应用于农村，电气化得以发展。1975年，美国研发了100千瓦的大型风力发电机组，1985年研发了8000千瓦机组，1976年西德研制了1000千瓦机组，1978年研制成功5000千瓦机组。到目前为止，美英德等国家将兆瓦级风力发电机组应用到各个行业领域。我国第一个风电场在山东荣成建立，之后新疆、东北以及沿海地区相继建成风电场。我国首台兆瓦级风力发电机在兰州研制成功，到20世纪末，我国已研制成200千瓦大型风力发电机组，如图1-1。图1-1中国风电装机容量发展规划我国及世界风力发电发展趋势我国风力发电发展较慢，由于国内对于风力发电技术的研究起步较晚，缺乏经验，风电价格过高，推广难，并且由于国外对于风电核心技术的保护而难以获取等一系列因素导致应用领域的拓展艰难。我国风力发电机组将沿着优化技术，大力创新，微机自动控制，无人现场值守的方向发展。如何控制风机方向最大限度提升风能利用率，延长风机寿命，降低发电成本以及减少维护量和事故，同时还能减少噪声，提高风能利用效率和发电质量，解决功率波动等问题是有待攻破的技术难题。这就要求风电机组在中型机、小型机成熟的基础上向大型、巨型机发展，大力发展风电场。增加装机容量是重点发展方向。目前，世界各国开发利用的风能资源尚不到全世界风能资源的20%，而海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。大幅提高海上风电必将成为今后发展的一个方向。瑞典的纳苏登罗海上风力发电场已得到证实并投入实际应用。风力发电机正朝着大功率高效率的方向发展，未来海上风力发电机将是一个趋势，如何结合现今流行的双馈异步电机和永磁电机的优势，研究出更具发展潜力的大型号风力机将决定着未来风电的发展。永磁同步发电机将是一个趋势，在此基础上不断精益求精，不断改进，优化高压电机，异步电机，半直驱电机。使中国的风电更加成熟化，国际化。风力发电机组的简介风力发电机组的结构及电能的储备介绍图1-2风力发电机组的结构风力发电机组主要由风轮、齿轮箱、联轴器、偏航系统、刹车结构、发电机、塔架与调速调向装置构成。如图1-2所示。分为小型风力发电机组（100W-1kW）、中型风力发电机组（1kW-100kW）、大型风力发电机组（100kW-1000kW）和特大型风力发电机组（1000kW以上）。风力发电产生的电能也可以利用很多方式储存起来。例如，蓄电池储存风电电能，电解水储存风电电能，水库储存风电电能，压缩空气储存风电电能，飞轮储存风电电能，超导储能和电网储存电能。此外，利用电力电子整流/逆变技术也可以将电能直接通过并网的方式进行供电。如图1-3所示。图1-3风力发电机组的控制结构风力发电机组的典型结构风力发电机组的典型结构包括无刷双馈式风力发电机组，直驱式永磁同步风力发电机组，中传动比齿轮箱型机组以及三叶片变速恒频水平轴风力发电机。如图1-4所示。其中，直驱式永磁风电机组将成为趋势。图1-4风力发电机组一种典型结构图图1-5风力发电机的风向及旋转方向风电场的位置将会由强风地带向弱风地带转移，从陆地向沿海地区和岛屿转移，由平坦地带向复杂地带转移，大型风机系统和小型风机系统并列发展。同时，向并网大型化运行和离网分散化运行的方向发展。其控制技术也会随着不同地域及要求的不同而演化成多样化形式。对于电机的本体设计以及控制系统的优化也将对风力发电机组的发展做出巨大贡献。本课题研究的背景意义和主要研究内容永磁材料及永磁电机的特点永磁材料是矫顽力在8kA/m以上，剩磁稳定，当受到外磁场干扰时几乎不发生变化的硬磁材料，是经过外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而持续提供磁场的一种特殊材料。全球永磁材料产值的平均增长率在8%以上，永磁材料产量和性价比不断提高。近几年来，国际上对这种材料的开发进展很快，当今永磁体已逐步发展为铝钴镍、铁氧体及稀土永磁体三大类。利用永磁体而研制的永磁交流发电机是由法国人皮克希在1832年研制的。我国沈阳工业大学唐任远研制的1120千瓦稀土永磁同步电动机是目前单机容量最大的永磁电机。相对于电励磁，永磁电机取消了励磁系统的损耗从而提高了效率；取消了励磁绕组励磁电源和生热从而结构简单，实现了无刷结构，运行可靠；其结构紧凑，体积小，重量轻，电机的尺寸和形状灵活多样。可进行有功功率和无功功率的调节，通过对永磁电机的电磁计算和优化以及材料的选取使永磁体尽量工作在最大磁能积的工作点上。本文就直驱式永磁同步风力发电机转速低、极数多、外径大等特点，对电机材料尺寸的选取，永磁体的计算，定转子绕组系数的确定，电枢反应工作特性的分析以及起动和调速性能的分析进行一系列工作，如图1-6所示直驱式多级永磁同步风力发电机的典型结构。图1-6直驱式永磁同步风力发电机的结构本课题的研究意义尽管我国的风能利用起步晚，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。截至2005上半年，中国已建立40多个风电场，装机容量约为76.4万千瓦，但风电装机容量仅占全国装机容量的0.17%。即便在风电发展最快的新疆维吾尔自治区，目前全区风力发电装机容量仅为12.55万千瓦，占当地装机容量的2.0%。虽然我国的风力发电产业取得了长足的发展，但是技术水平还比较低。国内的风电市场多为国外厂商所占据，迄今为止中国还没有一台大型风力发电机出口到国外。国际上成为主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于仿制阶段。如美国主流1.5兆瓦，丹麦主流2.0～3.0兆瓦，近年来，国外已研制出4.5兆瓦以上的风力发电机组。虽然有报道说国内部分企业已经生产出了1.5MW的风力发电机，但多是和国外公司技术合作的结果，这些合资公司只能进行总装，不能掌握核心技术。真正有自主知识产权、能独立生产的企业还没有出现。我国风电发展缓慢、技术水平不高与很多因素有关。其一，国内风电研究起步晚，投入不足，缺乏技术创新和大型风力发电机的研发经验；其二，风电价格过高需要政策的支持。据了解，风电上网要比火电高0.2元，如果价差在地方电网内分摊，地方电网就有可能背上沉重的包袱，所以解决这个问题，需要立足于全局，并制定相应的法律以及可执行的分摊机制，以解决公司或地方部门投资风电的后顾之忧；其三，国外风电厂商技术保护严格，中国企业很难获得风电的核心技术，这就需要国家在项目招标等方面进行合理的引导，吸引外商技术转让。本课题旨在研究目前已在国外处于主流地位的MW级永磁风力发电机，熟悉大型风力发电机设计的特点，总结设计的规律，积累其设计的经验，为以后研制更大功率的风力发电机做好技术准备，从而在核心层面上把我国的风力发电机设计水平提高一个档次；国内外已经有一些MW级风力发电机投入使用，总结这些已并网的风力发电机的设计经验，研究出现问题的原因和不足，有助于研究出更高水平的电机；作为电机专业的研究生，参与到电机设计的工作中去，运用所学过的理论，亲自设计一台风力发电机，对于深刻掌握电机设计理论、通过实践来透彻理解理论具有十分重要的意义。本课题以1.5MW风力发电机设计为研究方向，选型为内转子直驱永磁同步发电机，设计的目标为在满足基本设计要求的基础上，提高运行稳定性，降低生产成本。提高稳定性从永磁材料的工作点、定子的温升和电枢反应情况进行分析和设计，避免工作点过低时，温升过高和电枢反应导致的永磁体不可逆去磁。降低成本的分析重点是在电机整体优化设计的基础上，使永磁体尽量工作在具有最大有效磁能的工作点上，以提高永磁材料的利用率。首先使用等效磁路的方法设计一台1.5MW的内转子永磁同步电机，电压波形和齿槽转矩，以及短路状态下永磁体的工作点和短路电流倍数，检验设计的合理性，并改进设计.最后总结设计经验，提出MW级风力发电机的设计特点和设计时应该注意的关键问题。文章首先讲了风力发电的现状和发展趋势，后又对永磁同步发电机的原理作了详细的介绍，定子槽型、转子结构、永磁材料选择及体积确定、永磁同步发电机原理及主要参数确定，最后，本文又对设计结果进行了优化，提出了四种优化法案，分别从轴向长度、极弧系数、气隙宽度和每极每相槽数进行了优化，使设计结果更加合理。风力发电机电磁设计过程及永磁材料介绍电机电磁设计过程是一个复杂的过程。通常是先根据设计任务的要求，查找相关的资料以及国家标准，从而确定电机的主要结构以及一些设计过程中所要用的技术原则等。然后再进行具体的设计计算，确定电机各种尺寸和数据。例如首先确定电机的主要尺寸、气隙长度、定子槽形以及槽数、定子绕组形式、匝数、线规及其连接方式等。在确定一些电机的主要尺寸和数据时，一般先根据在生产实践中积累的丰富经验和总结出的电机尺寸、参数和性能之间的内在联系，先假设一些尺寸和数据，然后进行电机的参数和性能计算，核算它是否符合技术条件的要求。如果计算结果中有些性能不能满足要求，则需更改假设的某些尺寸和数据，直到各项指标都达到技术条件的要求并从中选出最佳电磁方案为止。永磁风力发电机简介风力发电机的发展现状目前，风力发电专用发电机正向高可靠性、低维护量、减少组件、降低成本、效率高、集成度高的方向发展。大体趋势是单机容量不断增大。1990年生产的风力发电机的典型的单机容量为250kW，1996年为750kW，2001年为2MW，目前商业化运行的风机单机容量已达到2.5MW，估计在未来的5年里单机容量将达到5MW。所采用的发电机主要有异步发电机、双馈发电机和同步发电机。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步发电机作为并网运行的发电机。变速恒频发电系统多采用双馈异步发电机和永磁同步发电机。永磁电机的概述我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。稀土永磁电机的单机容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min。我国的稀土资源丰富，稀土不稀，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称稀土王国。1932年，法国人皮克希发明了第一台永磁交流发电机，20世纪80年代末，西门子公司生产的用于舰船推进的6相、1.1MW、230r/min永磁同步电动机，ABB公司生产的用于舰船推进的1.5MW永磁同步电动机和德国AEG研制的用于调速系统的3.8MW、4极永磁同步电动机是国外永磁电机的代表。在国内，沈阳工业大学开发了3kW、20000r/min稀土永磁发电机。唐任远院士主持研制的1120kW稀土永磁同步电动机，是目前国内单机容量最大的永磁电机。永磁同步发电机简介图2-1一种风力发电机系统结构图永磁同步发电机由于结构简单、体积小、质量轻、运行可靠、无需励磁绕组、损耗小、效率高、形状和尺寸灵活多样等特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。永磁风力发电机通常用于变速恒频的风力发电系统中，这时的风力发电机转子由风力机直接拖动，所以转速很低。由于去掉了增速齿轮箱，增加了机组的可靠性和寿命；利用许多高性能的永磁磁钢组成磁极，不像电励磁同步电机那样需要结构复杂、体积庞大的励磁绕组，提高了气隙磁密和功率密度，在同功率等级下，减小了电机体积。根据电机基本理论，频率不变时，低转速要求电机有足够多的极数，因而这种电机的直径相对较大。永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。如图2-1就是一种典型的外转子永磁同步发电机结构。外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，内定子嵌有三相绕组。外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。由于转子直径暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。外转子存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。永磁电机的磁路结构形式多种多样，有许多不同的分类方法：(1)按永磁体所在位置分类：旋转磁极式和旋转电枢式。永磁同步发电机转子磁路结构按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种[9]。如图2-2所示。（a）径向式（b）切向式(c)混合式图2-2永磁同步发电机转子磁路结构(2)按所使用的永磁材料种类多少分：单一式结构和混合式结构。(3)按永磁体安置方式分类：表面式和内置式。(4)按永磁体的形状分类：瓦片形磁极、弧形磁极、环形磁极、爪极式磁极、星形磁极、矩形磁极。内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。内转子永磁同步发电机中，常见有四种形式的转子磁路，分别为径向式、切向式和轴向式。相对其他转子磁路而言，径向磁化结构因为磁极直接面对气隙，具有小的漏磁系数，且其磁轭为一整块导磁体，工艺实现方便；而且径向磁化结构中，气隙磁感应强度接近永磁体的工作点磁感应强度，虽然没有切向结构那么大的气隙磁密，但也不会太低，所以径向结构具有明显的优越性，也是大型风力发电机设计中应用较多的转子磁路结构。综合比较，内转子永磁同步发电机结构简单，功率密度高，在同等容量等级下，电机体积较小，同时还具有很好的冷却条件，径向转子磁路结构漏磁小，制造方便，气隙磁密大，从而把转速提高到最佳值。所以在本文的设计中，选择内转子直驱式永磁同步发电机为设计机型。永磁同步发电机设计特点大型永磁同步发电机是随着永磁材料制造工艺的提高而发展起来的，虽然小型发电机中也有永磁机，但是其中的永磁材料多是一些磁性能较低的磁性材料。随着高性能稀土永磁材料钕铁硼逐渐引入到风力发电机中，电机的结构发生变化，传统的电机设计方法就不能一味套用了。永磁风力发电机有自身的设计特点和分析方法。永磁同步发电机具有很多优点：由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。采用稀土永磁后可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高；处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率也比电励磁同步发电机小。永磁同步发电机的缺点是：制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数；由于永磁材料和加工工艺的分散性，而且永磁材料，特别是铁氧体永磁和钕铁硼永磁的温度系数较大，导致电机的输出电压分散，偏离额定电压；采用稀土永磁后，目前价格仍较贵。随着电力电子器件性能价格比的不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压，上述缺点可以得到弥补。永磁材料的介绍永磁材料的分类根据磁性能的不同，可将材料划分为以下5类[10]：(1)逆磁性材料。包括惰性气体、许多有机化合物、石墨以及若干金属、非金属等，大多数物质属于这一类。(2)顺磁性材料。铝、镁、含水硫酸亚铁等属于这类材料。(3)反铁磁材料。铬、锰等。(4)亚铁磁材料。很容易被磁化的一类材料。(5)铁磁性材料。包括铁、镍、钴及它们的合金，某些稀土元素的合金和化合物，铬和锰的一些合金等。其中后两项的磁性能较强。永磁材料的发展概况永磁材料产业的发展与电子信息、矿业、通信技术、航空航天、交通运输等行业密切相关，具有重要的战略意义。全球磁性材料总产值平均每10年增长约1.7倍，而永磁材料产值的年平均增长率则在8%以上。20世纪90年代以来，我国的永磁材料产业得到了巨大发展，永磁材料的生产能力逐年提高，已成为公认的永磁材料生产大国。目前，世界永磁材料产业的发展具有以下趋势：(1)永磁材料的产量和性价比不断提高，磁体市场发生较大变化。作为一种商品，永磁材料要占领并巩固其市场、形成一个产业，优良性能和具有竞争力的价格是非常重要的，可以用性价比表征其商业价值。性价比为磁体密度与单位价格的乘积再除以其磁能积。性价比的值越小，其商业价值越大，市场前景越好。(2)我国已成为永磁体材料生产大国，磁体生产中心向我国转移。第二次世界大战前的欧洲、第二次大战后的美国、20世纪60年代以后的日本均堪称当时的“全球磁体产业中心”。进入21世纪，“全球磁体产业中心”已转到我国。1990年，我国ALNiCo产量已居世界第一位；2000年，我国烧结铁氧体永磁的产量超过日本总产量；2001年，我国烧结NdFeB磁体的产量超过日本位居全球第一，当年全球烧结NdFeB磁体总产量为14465t，其中我国6400t，日本6200t，美国1030t，欧洲835t。永磁材料的主要参数(1)退磁曲线图2-3起始磁化曲线和磁滞回线其中-矫顽力，-剩磁密度，-饱和磁化强度，-饱和剩磁密度磁滞回线窄的为软磁材料，磁滞回线宽的为永磁材料。图2-4退磁曲线和磁能积曲线1,2-退磁曲线3,4-磁能积曲线(2)回复线图2-5回复线(3)内禀退磁曲线由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间的关系为(2-1)而在磁性材料中(2-2)在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和(2-3)内禀退磁曲线和退磁曲线的关系图2-6内禀退磁曲线和退磁曲线(4)稳定性1.热稳定性磁性能的损失包括可逆损失和不可逆损失，如图2-7所示。图2-7可逆损失与不可逆损失2.磁稳定性。3.化学稳定性。4.时间稳定性。稳定性的处理方法包括人工时效处理、交流退磁处理、磁接触稳定处理以及温度循环稳定处理。永磁材料选择的原则永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时首先要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。应该尽量使永磁体工作点位于回复线上有最大磁能积的点。归纳起来，选择的原则为：(1)应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。(2)在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。尤其是直驱式永磁同步风力发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永磁材料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分。(3)有良好的机械性能、耐腐蚀性能以方便加工和装配。(4)经济性能好，价格适宜。根据现有永磁材料的性能和电机的性能要求，一般来说，(1)随着性能的不断完善和相对价格的逐步降低，钕铁硼永磁在典籍中的应用将越来越广泛。不仅在部分应用场合有可能取代其他永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。(2)对于性能和可靠性要求很高而价格不是主要因素的场合，优先选用高矫顽的2:17型稀土钴永磁。1:5型稀土钴永磁的应用场合将有所减小，主要用于在高温情况下使用的退磁磁场大的场合。(3)对于性能要求一般，体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价格低廉的铁氧体永磁。(4)在工作温度超过的场合或对温度稳定性要求严的场合，如各种测量仪器用电机，优先采用温度系数低的铝镍钴永磁。铝镍钴永磁在永磁材料总量中的比例将逐步下降。(5)在生产批量大且磁极形状复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。永磁体形状和体积估算(1)形状设计永磁体的形状与所选择的磁极结构有关，对于表面式磁极结构，多采用瓦片形磁极；对于内置式磁极结构，多采用矩形永磁体。(2)体积估算永磁电机的气隙磁通密度是由永磁材料性能、磁路结构形式、永磁体体积和尺寸以及外磁路的材质和尺寸决定的。因此，设计永磁电机时，在选择永磁材料牌号和磁路结构形式后要先确定永磁体的体积和尺寸。而且稀土永磁的价格很贵，单位输出功率所需永磁体体积通常是衡量电机设计优劣的重要指标之一。钕铁硼永磁材料钕铁硼永磁材料的主要成分是，是目前磁性能最强的永磁材料。它的最大磁能积可达KJ/m3，为铁氧体永磁材料的5~12倍、铝钴镍永磁材料的3~10倍，理论值为KJ/m3；剩磁最高可达1.47T，矫顽力最高可超过1000kA/m，能吸起相当于自身重量的640倍的重物。由于不含钴且钕在稀土中的含量是钐的十几倍，钕铁硼的价格比稀土钴要低的多。钕铁硼磁体居里温度低，为310~410，温度稳定性较差，温度系数较高，剩磁温度系数为-(0.095~0.15)%/K，矫顽力温度系数为-(0.4~0.7)%/K，通常最高温度为150，目前已有商业化的耐200高温的钕铁硼永磁。常温下退磁曲线为直线，但高温下退磁曲线的下部发生弯曲，磁损失较大，若设计不当，易发生不可逆退磁。永磁体的充磁常见的充磁方法：(1)直流充磁在铁磁线圈中通直流电，产生充磁磁场。一般适用于体积较小的永磁体，但由于能耗大、起动慢、冷却困难以及难以产生强的充磁磁场，现已很少使用。(2)脉冲磁场充磁先将交流电转成直流电储存在电容器中，然后使电容瞬时放电或用大容量晶闸管放电，在充磁线圈内产生强的脉冲电流，从而产生强的脉冲磁场，使线圈内的磁体被磁化。由于它具有易产生强磁场、充磁周期短、适于连续充磁、能量损耗小、造价较低、冷却问题较易解决、设备体积小等优点，得到了广泛的应用。(3)超导磁场充磁方法用超导材料绕制螺旋管，降温到超导临界温度以下，其电阻会突然消失，只要在超导线圈上加很小的电压，就可以产生很强的超导磁场。所需功率小是其突出的优点。充磁方式包括：矩形永磁体的充磁方式矩形永磁体在内置式永磁同步电机中应用广泛图2-8矩形永磁体充磁瓦片形磁极的充磁方式，如图2-9所示。（a）径向充磁（b）平行充磁图2-9瓦片形磁极的充磁方式主要设计目标本课题选择风力发电机机型为内转子永磁同步发电机，设计目标如下：(1)基本参数额定功率为1500kW，额定电压690V，额定转速20rpm，额定频率20Hz，相数为3，效率96%。(2)运行可靠性从永磁材料的工作点、定子的温升和电枢反应情况进行分析和设计，提高运行的可靠性，避免工作点过低时，温升过高和电枢反应导致的永磁体不可逆去磁。(3)控制成本永磁材料制造工艺复杂，价格昂贵，所以要合理设计，降低永磁材料的使用量，同时电机额定运行时，应使永磁磁极尽量工作在具有最大磁能的工作点上，以提高永磁材料的利用率。(4)控制温升内转子永磁同步发电机其定子绕组是主要发热部件，温升过高会降低电机效率和绝缘寿命，引起电机局部结构变形。永磁材料一般温度系数较高，热稳定性差，所以要控制温升，防止发生永磁磁极的不可逆去磁。(5)便于运输根据我国实际的道路、桥梁施工状况，控制电机定子外径在4m或更低，就能很好的解决风力发电机的运输问题。永磁风力发电机的设计特点大型永磁风力发电机是随着永磁材料制造工艺的提高而发展起来的，虽然小型发电机中也有永磁机，但是其中的永磁材料多是一些磁性能较低的磁性材料。随着高性能稀土永磁材料钕铁硼逐渐引入到风力发电机中，电机的结构发生变化，传统的电机设计方法就不能一味套用了。永磁风力发电机有自身的设计特点和分析方法。(1)结构特点直驱永磁同步发电机运行转速低，固然要求极数多，外径偏大；而且永磁电机的磁负荷要高，在一定功率等级和电负荷下，直驱永磁同步电机体积要小，所以是一种外径大、轴向长度小的扁平状结构。(2)永磁材料的选取在永磁电机中，永磁磁钢作为电机的“磁源”，是电机的核心部件。它通常由很多小的磁块拼贴而成。高性能的电机要求各个对称的磁极磁性能高度一致，然而由于制造工艺所限，厂家的标准数据与永磁材料有一定的偏差，同一型号的永磁材料，不同厂家的产品性能存在一定差别，所以检测实际性能、选择具有高度一致性的永磁材料是永磁电机设计和制造的前提。(3)合理设置磁路永磁体既是“磁源”，也是磁路的组成部分，它所能提供磁通和磁动势既与本身的磁性能、磁化方向关系密切，又与外磁路的材料、尺寸和电机运行状态相关。(4)齿槽定位转矩齿槽定位转矩是定转子之间因为齿槽存在导致磁场能量变化产生的附加转矩，它是电机运转过程中转矩波动的部分成因，也是电机无法在预定风速启动的原因，所以在设计时，要通过选用合适的分数槽绕组、极弧系数、小的槽开口等手段来降低齿槽转矩。永磁同步发电机基本参数的确定永磁电机经过几十年的研究，其设计至今还没有一套系统的公式和经验曲线作为依据。变速恒频风力发电系统中的直驱永磁风力发电机外形尺寸大、工作转速低，通常是一种扁平状的结构，这与水轮发电机很相似。水轮发电机要求具有大的飞轮力矩，因而其转子直径和外形尺寸较大，水轮发电机的工作条件决定了其运行转速不高，所以水轮发电机的这些特点说明了水轮发电机的设计理论可以应用到永磁电机中来。而对于不同容量和转速的水轮发电机，人们已经积累了大量的设计和制造经验，参考资料也很多，所以对于永磁电机的设计而言，这些都是很好的借鉴。(1)电机主要尺寸的选择电机的主要尺寸包括定子铁心内径和铁心长度。确定电机主要尺寸的通常做首先确定极距，然后根据式子(2-4)确定铁心内径，最后由电机常数来确定长度。(2-4)式中τ为极距；为定子内径；p为极对数电机设计中确定极距的依据是实际电机制造过程中得出的曲线和经验公式。一定容量的电机，其极距τ和容量之间存在如(2-5)所示的关系。(2-5)式中为经验系数，介于9到12.5之间电机设计的基本理论表明，电机的主要尺寸与其容量和转速密切相关，这可式子(2-6)看出。其中，为电机常数；为铁心的等效长度；p为计率；n为转速。由于极弧系数，气隙磁场波形系数和绕组系数负荷变化范围很小，所以电机常数基本不变。在根据极距确定了定子内，就可以根据电机常数来确定铁心的长度了。(2-6)值得说明的是，这些设计和分析的思路来源于水轮发电机，而水轮发电机与同步电机结构还有一定的差别，所以上面的计算结果误差较大，较好的办法这些分析的基础上查阅已经投入运行的永磁风力发电机的经验数据，来确定合理和准确的电机尺寸。文献二十八给出了总结的永磁发电机尺寸和容量之曲线关系。计算比较可以看出，传统的水轮发电机设计方法具有很好的指导，但是对于永磁同步电机的设计而言，准确度较差。(2)钢厚度的确定永磁磁钢厚度对电机的性能影响主要有三个方面，首先磁钢厚度会影响气隙磁密的大小，磁钢较厚，气隙磁密就会加大，功率密度增大；其次会影响到电机抗去磁能力的强弱，磁钢较薄，所能提供的磁动势就会小，当去磁磁势较大时，就有可能造成磁钢的局部不可逆去磁；磁钢厚度还会影响到电机成本，永磁材料的制造工艺复杂，成本较高，过多的采用会增加电机的制造成本。磁钢厚度的确定主要还是依据全电流定律，对一个极的磁路积分，定转子轭磁压降、定子齿部磁压降和气隙磁压降都可以根据相应欲设的相应磁密来确定，而这些磁压降之和就是永磁材料一个极所能提供的磁势，此磁势与磁钢厚度和永磁材料的矫顽力有关，永磁材料的矫顽力有材料特性决定，所以磁钢厚度可以得到。(3)极弧系数的确定极弧系数指一个极距下永磁磁极所占有的宽度。极弧系数的大小对电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数影响很大[30]，对于面装式的转子磁极，极弧系数过大，会造成感应电势三次谐波分量的增加，从而引起转矩波动和损耗的增加，同时，极间漏磁也会上升。对于取什么样的极弧系数才能提供好的电压波形和降低转矩纹波，这要视电机的其它参数来综合考虑。总的来说，永磁同步电机的极弧系数要比电励磁的凸极电机稍高，一般在0.65-0.8之间。(4)气隙磁密的确定面装式永磁同步电机的气隙磁密要比普通同步电机的气隙磁密大，通常达到0.8T以上，这也体现了永磁电机高功率密度的特点。(5)每极每相槽数的确定每极每相槽数对电机性能影响很大。选择分数槽绕组能够显著的改善电动势波形，降低谐波的含量。但是由于分数槽绕组磁势中含有分数次谐波，容易和主极磁场作用产生干扰力，甚至引起定子铁心的共振，所以有时候也选用整数槽绕组。多极低速的永磁风力发电机，其定子内径不可能非常大，而槽宽有限，这就使得永磁电机的槽数不可能太多，从而也限制了不会太大。在小功率永磁同步风力发电机中，有时每极每相槽数取值比1还小。为了减少定子槽数，每极每相槽数取为1，结果发现线电压谐波和齿槽定位转矩较大，需要采取诸如优化磁极极面等方法来解决。在本设计中，由于每极每相绕组为1.25，很好的利用了分数槽限制电势谐波的作用，谐波含量很小，而齿槽定位转矩也不是很大。本章小结本章简单介绍了风力发电机的发展概况及结构特点，对于永磁材料的也进行了一系列分析介绍，以及各类材料的性能分析及选取。对于电机铁心、绕组、电机定转子内外径选择、定子槽形、电机磁路的确定进行了详细分析，通过参考国家标准进行适当的选取，以此进行计算，对电机电磁计算整个过程作了详尽的步骤介绍。风力发电机电磁设计过程本文以1.5MW直驱式永磁同步风力发电机的电磁计算过程为例进行设计分析。设计过程额定数据及主要尺寸（1）额定数据1．额定功率kW2．相数3．额定电压VV4．额定相电流V5．效率6．功率因数7．额定转速r/min8．额定频率Hz9．固有电压调整率（2）永磁材料参数，如表3-1所示10．永磁材料牌号NdFeBB42VH表3-1永磁材料参数材料NdFeB型号42VH1.3T987KA/m最大磁能积336.225KJ/m3相对磁导率1.05内禀矫顽力1034.54KA/m温度系数-0.11密度7．5g/cmm3温度系数-0.57拐点位置0.1T不可逆损失率011．预计工作温度TC12．工作温度时的剩磁密度T工作温时计算矫顽力kA/m13．相对回复磁导率H/m（3）永磁体尺寸14．永磁体磁化方向长度=20mm=82.4mm15．永磁体轴向长度=1000mm16．永磁体段数117．极对数18．永磁体每极截面积mm219．永磁体每对极磁化方向长度20．永磁体体积m321．永磁体质量kg（4）转子结构数据转子磁轭选用3mm厚钢板22．气隙宽度mm223．转子外径mm24．转子内径mm25．转子铁心长度mmmm，叠压系数0.9726．转子轭高度27．极弧系数，计算极弧系数28．极间宽度mmmm（5）定子结构数据定子硅钢片牌号DW360-5029．定子外径mm30．定子内径mm31．定子铁心长度mm32．每极每相槽数33.定子槽数34．绕组节距35．短距比36．短距因数37．分布因数38．绕组因数39．预估永磁体空载工作点40．预估空载漏磁系数41．预估空载磁通Wb42．预估空载电动势V43．磁场波形系数44．绕组每相串联匝数45．并联支路数46．每槽导体数47．实际每相串联匝数绕组排列：考虑到提高电势波形质量、降低齿槽转矩，此设计采用了分数槽绕组。三相双层分数槽绕组的排列方式，要比整数槽复杂许多。对于每极每相槽数的绕组，其单元电机数t（t为偶数时）（t为奇数时）单元电机槽数（为偶数时）（为奇数时）其绕组循环数序由5个数组成，其中1个数为2,3个数为1。2及1交错均匀排列就构成循环组。这里，所以单元电机数为24，单元电机槽数为15，绕组循环数d为2111。所以单元电机中绕组的排列次序为AAZBXCCYAZBBXCY，如图3-1所示。图3-1单元电机绕组排列图48．定子电流密A/mm249．估计绕组线规50．导线规格：绕组取框式叠绕组，每根导体由两根双玻璃丝包扁铜线并绕而成。扁铜线规格如图3-2所示。图3-2扁铜线示意图并绕根数51．实际电流密度52．电负荷53．槽尺寸选择槽形为矩形开口槽，槽参数如表3-2。所示槽形如图3-3所示。表3-2定子槽形尺寸和绝缘数据14mm16mm61mm1mm2mm槽顶垫条厚1mm层间垫条厚1mm槽底垫条厚1mm槽绝缘厚0.45mm2槽面积854mm2槽绝缘面积73.8mm槽满率81.8589%图3-3定子槽型（6）磁路计算54．计算空载磁通55．计算极弧系数56．铁心有效长度mm57．气隙磁密T58．气隙系数59．气隙磁位差60．铁心叠压系数61．定子齿高处截面中的齿磁通密度62．定子齿磁路计算长度mm63．定子齿磁位差64．定子轭磁密65．定子轭磁路计算长度66．轭部磁路长度校正系数67．定子轭磁位差A68．总磁位差A69．主磁导H主磁导标幺值70．漏磁导漏磁导标幺值71．外磁路总磁导外磁路总磁导标幺值72．永磁体空载工作点73．空载漏磁系数74．空载气隙磁通75．空载气隙磁密76．空载定子齿齿高处截面中的齿磁通密度77．空载定子轭磁密78．线圈端部平均长度79．绕组平均半匝长80．每相绕组电阻F级绝缘时电阻率mm2/cm81．槽比漏磁导82．端部比漏磁导83．差漏磁导84．齿顶比漏磁导85．总漏磁导系数86．每相绕组漏抗每相绕组漏抗标幺值87．每极电枢磁动势88．交轴电枢磁动势的折算系数交轴电枢反应电抗89．交轴同步电抗交轴同步电抗标幺值90．内功率因数角91．直轴电枢磁动势折算系数每极直轴电枢磁动势标幺值92．永磁体负载工作点93．额定负载气隙磁通94．负载漏磁系数95．负载气隙磁密96．负载定子13齿高处截面中的齿磁通密度97．负载定子轭磁密98．直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗标幺值99．直轴同步电抗直轴同步电抗标幺值（7）电压调整率和短路电流计算100．空载励磁电动势101．额定负载时直轴内电动势102．输出电压103．电压调整率104．短路电流倍数105．永磁体最大去磁工作点（8）损耗和效率计算106．铜的密度导线用铜107．铁的密度g/cmm3转子上轭部铁心的质量108．定子齿质量109．定子轭质量110．总的质量kg111．齿中损耗增加系数'轭中损耗增加系数铁耗112．涡流系数定子绕组铜耗113．机械损耗

114．杂散损耗115．总损耗116．效率

3.2本章小结本章通过简单肤浅的的计算过程，分析了三相同步永磁发电机的电磁设计的一般过程及一些主要环节，然后再分别介绍了电机电磁设计过程中铁心及绕组的设计、电机磁路的计算以及电机性能计算的基本方法和电机设计过程一些主要变量的选取规则。为了推动电机学科的发展，应该着手对以下问题进行分析：(1)磁路结构和设计计算(2)控制方法分析(3)不可逆退磁问题(4)成本问题电磁设计比较分析及方案优化4.1电磁设计的比较本节对永磁同步发电机的主要性能指标、、、的设计值与原定值做了比较（如表4-1），并对电机这些数据做了分析。表4-1电磁设计的比较标准值计算值偏差1．效率2．功率因数10.973．电压调整率4．短路电流倍数4.53.99电机的设计是一个长期的探索过程，既要注意所设计的电机经济性和可靠性，又要尽可能的满足生产要求。在设计前要认真进行调查研究，注意理论结合实际、设计与工艺相结合。设计过程也相对复杂，需要考虑的因素很多，包括尺寸的确定、技术要求、生产水平等等。所以设计时必须要全面地、综合地看问题，并能因地制宜，针对具体情况采取不同的设计方案。而设计后则要根据计算值与标准值进行比较，分析设计结果出现偏差的原因，并提出合理的优化电机性能的方案。有表格可知，其设计的、、、均比标准值要小，而对于永磁同步发电机来说，影响其性能的主要有电机轴向长度、极弧系数、气隙长度、漏磁系数、每极每相槽数、额定电压、永磁体尺寸及定转子内外径等。下面将对这些方面进行分析并提出了简单的优化的建议。4.2方案优化电机优化设计是要求在满足一定性能要求和技术指标的前提下，使设计达到最优，既优化时要受到一定条件的约束，属于有约束优化问题。在满足电机各性能指标的前提下，如何得到电机的最优配合尺寸，降低电机永磁体用量，从而降低电机的生产成本，提高电机的效率，获得明显的经济效益，是电机优化的主要问题。所以本文在初始设计方案的基础上，对电机的轴向长度、铁心长度、气隙长度、永磁体宽度和电机的极数提出了优化建议，进行计算比较，从而选出最优方案，作为最终设计方案。方案二：定子铁心轴向长度由1000mm减少到950mm方案三：极弧系数由0.83减少到0.8方案四：气隙宽度由8mm增加到7.5mm方案五：每极每相槽数1.25减少到1.2各设计方案采用了控制变量的方法，即在一个量变化，而其他量不变的情况下对各个性能指标进行了计算和分析。表4-2各方案计算值的比较方案一方案二方案三方案四方案五每相串联匝数7882787278电负荷50.252.250.248.450.2磁负荷1.1291.1581.0580.9851.129电阻0.0160.0170.0160.0160.016漏抗0.07660.07860.07680.06760.0766交轴同步点抗0.093570.095870.091580.097570.09397直轴同步点抗0.14320.15240.14090.15320.1462电压调整率8.985%9.295%9.185%8.785%8.985%短路电流倍数3.993.874.123.453.99铜耗48643.249943.546643.249465.645984.2铁耗4064.73746.54106.43804.34164.7效率0.95790.96380.96200.9600.9648几种方案对比分析：（1）关于定子铁心轴向长度的变化：轴向长度改变后，永磁体的截面积发生变化，在电势不变的情况下，则每相串联匝数改变。而匝数的改变使每槽导体数改变，因此需要调整槽型尺寸，并保证定子齿磁密和槽满率在合理的范围内。从上面数据可看出，随着轴向长度的降低，使每相串联匝数增大，因此，电阻、漏抗和电枢反应电抗均会减小，铁耗减小，而铜耗增加不大，效率提升。（2）关于极弧系数的变化：当极弧系数从大到小变化时，首先使气隙磁场波形发生变化，则波形系数发生变化。当每极磁通不变的情况下，对每相串联匝数有一定的影响，但由于波形系数的变化不大，所以每相串联匝数变化并不明显，影响较大的是气隙磁密。当每极磁通不变的情况下，极弧系数越小，气隙磁密越大。在磁路计算时，我们选择的是气隙磁场强度最大的路径进行计算的，气隙磁密越大，则齿磁密越大。因此，在每相串联匝数相等，即每槽导体数相等时，必须进行槽型调整。从槽型的对比情况看，极弧系数越小，则槽型变得越细长，这是不利于减少漏抗的，从这个角度看，极弧系数选择大的好。但是当极弧系数选的过大时，就会使波形系数变得越小，从而使每相串联匝数增大。从上面数据可以看出，匝数的增加将会使直轴电抗增大，直轴电枢反应的去磁作用将会更加明显，电压调整率升高。对于漏抗来说，匝数的影响更加明显，会使漏抗增加。合适的取值范围在0.75-0.83之间。（3）关于气隙宽度的变化：在磁路的计算中，认为磁势主要降落在气隙中，因此，在磁路的计算中，气隙的变化对磁路磁势影响很大。从图解法中很容易得出，当气隙从小到大变化时，永磁体的工作点将会降低，每极下永磁体提供的磁通将会减小，则每相串联匝数将会增大，从这个角度讲，减小气隙有利于减少各种漏抗和电阻。但是永磁体工作点的提高将会使气隙磁密增大，齿磁密增大，需要调整槽型，然而气隙太小时，（定子外径和内经径固定的情况下），轭部磁密又会太高，所以应适当选择气隙大小。气隙对电机性能的影响主要体现在对交直轴电抗的影响。气隙越小，交直轴电抗越大。（4）关于每极每相槽数的变化：当每极每相槽数减小时，总的槽数减小，在匝数变化不大的情况下，槽型会变粗、变短，会使槽比漏磁导减小，而对于整个漏抗来说，它与每极每相槽数成反比，所以最终漏抗呈现上升趋势。由于槽数的增加使有效气隙长度减小，从而使交直轴电抗呈现增大的趋势。4.3本章小结风力发电机正朝着大功率高效率的方向发展，未来海上风力发电机将是一个趋势，如何结合现今流行的双馈异步电机和永磁电机的优势，研究出更具发展潜力的大型号风力机将决定着未来风电的发展。永磁同步发电机将是一个趋势，在此基础上不断精益求精，不断改进，优化高压电机，异步电机，半直驱电机。使中国的风电更加成熟化，国际化。结论在各类型的风力发电系统中，内转子直驱永磁同步风力发电机把直驱风力发电机和永磁同步发电机的优点集为一身。较其它电机而言，它具有体积小、功率密度高、工作可靠性高的优势。本文以内转子直驱永磁为电机的设计选型，据此进行了电机的初始设计。又以实例验证了内转子的直驱永磁同步风力发电机在风力发电系统中，具有很好的工作性能，能够满足各方面的要求。同时在查阅和确定各种参数、对电机进行设计及其优化中也得到了以下结论：1．最后，对电机进行了方案优化，通过方案一和方案二对比得出：随着轴向长度的降低，使每相串联匝数增大，因此，电阻、漏抗和电枢反应电抗均会减小，铁耗减小，而铜耗增加不大，效率提升。2．通过方案一和方案四对比得出：减小气隙，则永磁体的每相串联匝数将会增大，有利于减少各种漏抗和电阻。但是永磁体的工作点将会提高，又会使气隙磁密增大，齿磁密增大，因此需要调整槽型，然而气隙太小时，（定子外径和内径固定的情况下），轭部磁密又会太高，所以应适当选择气隙大小。气隙对电机性能的影响主要体现在对交直轴电抗的影响。气隙越小，交直轴电抗越大。致谢本文选题以及论文撰写工作是在韩雪松老师的的悉心指导下完成的，韩老师幽默的性格、严谨的学风、对工作积极敬业的精神以及平易近人的作风都给我留下了深刻的印象，并将使我终生受益。能成为韩老师的学生，我感到非常幸运。在此向尊敬的韩老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。毕业设计的过程，是一个知识应用的过程，同时也是检验自己的过程。经过这半年的学习，使我对撰写研究论文的过程和方法，有了一定的了解和体会。作为一名工程类的学生，我更深深地体会到知识更新、学无止境的重要性。因此，在今后的学习和生活当中，我将不断地积极求学进取，不断地丰富和完善自己。最后，感谢在整个毕业设计过程中帮助过我的所有同学及老师，再次送上我衷心的感谢和美好的祝愿。参考文献刘万琨,张志英.风能与风力发电技术.化学工业出版社,2008，3，11-24和145-200。宁玉泉.新型风电机组发展趋势.华中科技大学出版社,2009.4，25-42。任清晨.风力发电机组工作原理与技术基础.机械工业出版社,2010，2第一版，1-16和61-75。宋金梅,王波,肖海勃.中外常用风力发电技术及风电机概述.2009.倪受元。风力发电讲座第一讲“风力机类型和结构”。太阳能，,2002，3,1-7。张兆强.MW级直驱永磁同步风力发电机设计.上海交通大学,2007，42-67。岑海堂,薛正福.大型风电机组发展现状与关键技术.内蒙古工业大学机械学院,2008，3,32-54。唐任远.现代永磁电机-理论与设计.机械工业出版社.2008，5。第一版，13-57和273-292王秀和.永磁电机.中国电力出版社,2007.36-93董传友.兆瓦级能量变换器电磁设计过程研究.2010.3.张大魁,戈宝军,关星,杨喜来.电力发生器定子端部磁场与漏抗计算.2004.张洪亮,孟大伟,杨喜来.基于磁网络法的凸极同步电机数学模型研究.2005..陈冶,陈朝辉.GE1.5s系列风力发电机简介.2009.何山,王维庆,张新燕,赵祥,李勇伟.大型永磁同步风力发电机定子温度场研究.2009.李强军,姜其斌,陈红生,刑国华,薛长志.1.5MW直驱式风力发电机绝缘系统的研究.2009汤蕴璆,史乃.电机学.机械工业出版社,2005，1第二版，227-300杨耕,罗应力等.电机与运动控制系统.清华大学出版社,2006.杨渝钦.控制电机.天津:机械工业出版社,2001，3,36-88冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论.高等教育出版社,2000.，100-142李久胜,马洪飞,陈宏钧,刘汉奎.电气自动化专业英语.哈尔滨工业大学出版社,2005，64-86附录对直接驱动永磁研究同步风力发电机使用密封槽摘要：本文主要研究有选择条件的定子槽形与电机的运行性能参数的关系。并讨论用封闭槽对直驱永磁同步发电机（DDPMSG）的影响。10KW风力发电机的模型用不同的插槽包括封闭槽形状进行分析，以确定用封闭槽削弱齿槽转矩的永磁式同步发电机的优势。本文还推导在电机设计中计算槽漏抗的方法，它已在麦克斯韦通过Ansoft的有限元分析（FEA）中得以验证。关键词：封闭槽，直接驱动永磁同步发电机，齿槽转矩，槽漏抗，磁路分析DDPMSGⅠ简介在通常的电机设计中，通常开口宽度的设计取决于主线直径、电枢插入线圈技术等。为了便于插入电枢绕组，对中型和小型永久性磁铁同步发电机（PMSG）而言，加工宽度不等的开口范围一般在2mm和3mm之间。而它与分绕组是大规模的开放。一般来说，规模较小的开口导致齿槽转矩较小。对直接驱动永磁同步发电机（DDPMSG）安装在风力发电厂以提高风能利用率来说，开始弱化抗扭矩是相当必要的因此，要尽量减小开口大小，甚至使用封闭槽，以减少齿槽转矩以削弱转矩。对电机来说，绕组具有很大的电抗会影响其经济效率和运行性能。太小的电抗又会导致溢出漏抗短路电流，而电压不能进行太大的调控，那会限制其性能。因此，正确选择电抗的计算在电机的设计中是极其重要的。考虑磁饱和效应对导电材料的影响，本文根据传统的设计方法推导出封闭槽的简单计算方法，并完成通过了Ansoft迈克斯韦尔的验证。II利用封闭槽的优势电机的齿槽转矩是由转子的磁感应原理和定子齿槽没有运行在当前电枢绕组下引起的。研究削弱齿槽转矩，主要依靠降低气隙磁密对电机运行效率的影响，通过分析影响齿槽转矩的不同方面，就像影响齿槽转矩开口的宽度。对于分数槽电机，改变齿槽转矩峰值。下面的开口宽度的变化不是单调函数，它是3相4极24槽，通过分析来显示说明小齿槽宽度将会导致减少齿槽扭矩。在[4]，114-pole/12-slot表面贴装无刷直流电动机（无刷），并对广泛使用的磁盘驱动器进行了研究，通过有限元分析（FEA）得出结论：采用最佳点