浅谈小型永磁式风力发电机的设计.doc

浅谈小型永磁式风力发电机的制定
 本文依据自己长期小型发电设备制定经验，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制定在电机结构和优化制定等方向的研究，提出了永磁同步发电机在定子硅钢片、转子外壳、轴等结构上进行改善的制定和计算方法。
   我国社会经济发展迅速，关于能源的依赖较多。而能源对我国环境污染严重，必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，主要采纳的是永磁发电机，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，永磁同步电机采纳永磁体励磁，无必需外加励磁装置，无必需换向装置，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旧会存在一些电压尖刺，对蓄电池的寿命影响很大。因此，必需要对永磁同步电机进行制定改善，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必需要。

    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。它们的制定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、高速运行提升电磁效率。

    在稀土永磁材料价格昂贵的状况下，合计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。

    传统的电机性能分析方法为等效磁路法，这种分析方法，减少了计算所必需要的时间，在初始估算、制定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状况。
    永磁电机制定中，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。关于一些复杂的磁场环境，除了必需要进行一维分析外，还必需要进行二维分析，除了静态分析外，还必需要进行瞬态分析。

    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，即当电源频率恒按时，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、转子两方磁场是互相独立、可控的。由于永磁电机不必需要直流励磁电源，关于交流同步电机来说省去了励磁机、自励系统等。

    发电机结构上改善制定主要有：定子硅钢片、转子外壳、轴的和轴承等方面制定。

    电机选用硅钢片时必需要注意几个要点：低铁损、高磁导率、硬度合适、耐蚀性能合格等。发电机采纳牌号为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％，合计到加工工艺，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纳圆形槽结构。冲片数量依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，并采纳斜槽结构，斜槽的扭转宽度正好等于一个槽距。

    为了便于安装永磁体、便于对电机内部结构进行维护，电机所制定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，可以依据必需要，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，必需要在其内表面铣出凹槽。转子前后壳必需要安装轴承，其结构依据轴承计算获得尺寸制定。转子后壳还必需要和叶片连接。

    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。在制定轴的长度时，必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。