小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機的設計
摘要：本文根據自己長(cháng)期小型發(fā)電設備設計經(jīng)驗，結合現有小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機的特點(diǎn)，介紹了目前對永磁同步電機設計在電機結構和優(yōu)化設計等方向的研究，提出了永磁同步發(fā)電機在定子硅鋼片、轉子外殼、軸等結構上進(jìn)行改進(jìn)的設計和計算方法。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機;永磁式;設計;風(fēng)力;小型;
前言
我國社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展迅速，對于能源的依賴(lài)較多。而能源對我國環(huán)境污染嚴重，需要大力開(kāi)發(fā)清潔能源，加上國家地形復雜，人口又多，居住分散，小型風(fēng)力發(fā)電系統因為屬清潔能源，對環(huán)境無(wú)污染而被廣泛利用。
目前的小型風(fēng)力發(fā)電系統中，主要采用的是永磁發(fā)電機，由于永磁直流發(fā)電機換向裝置易出現故障，壽命低，造成了風(fēng)力發(fā)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(wú)需外加勵磁裝置，無(wú)需換向裝置，具有效率高、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)范圍較大。傳統的全橋式調整依然會(huì )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(jìn)行設計改進(jìn)，使其具有結構簡(jiǎn)單、重量輕、高性能的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足小型風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際需要。
1.永磁同步電機改進(jìn)研究方向
1.1.電機結構方面
永磁電機的結構隨著(zhù)其技術(shù)發(fā)展，已有多種形式，主要有：永磁同步電機、永磁無(wú)刷直流電機，另外還有永磁盤(pán)式電機、永磁無(wú)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(yōu)化設計方面
在稀土永磁材料價(jià)格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇水磁體的工作點(diǎn)，使之在滿(mǎn)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(chǎng)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(shí)間，在初始估算、設計方法比較時(shí)比較適用，由于永磁電機內部結構越來(lái)越多樣化，磁場(chǎng)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(chǎng)的真實(shí)情況。
永磁電機設計中，除了電機新結構的發(fā)明創(chuàng )造外，最重要的發(fā)展是用有限元方法進(jìn)行磁場(chǎng)分析。為了充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)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(chǎng)分析帶來(lái)了新的課題。對于一些復雜的磁場(chǎng)環(huán)境，除了需要進(jìn)行一維分析外，還需要進(jìn)行二維分析，除了靜態(tài)分析外，還需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。
2.永磁同步發(fā)電機結構改進(jìn)的設計
2.1.同步發(fā)電機結構
同步電機作為交流電機的一種，其最大的優(yōu)點(diǎn)是轉速與頻率間有嚴格不變的關(guān)系n=60f/p，即當電源頻率恒定時(shí)，電動(dòng)機轉速不變，且與電源頻率成正比。異步電機則沒(méi)有這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而且，同步電機定、轉子兩方磁場(chǎng)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(lái)說(shuō)省去了勵磁機、自勵系統等。
2.2.同步發(fā)電機結構改進(jìn)設計
發(fā)電機結構上改進(jìn)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(shí)需要注意幾個(gè)要點(diǎn)：低鐵損、高磁導率、硬度合適、耐蝕性能良好等。發(fā)電機采用牌號為DW360―50的無(wú)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(shí)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(cháng)度來(lái)確定，通過(guò)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(gè)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(jìn)行維護，電機所設計的轉子外殼分成三個(gè)部分，包括：轉子前殼、轉子后殼和轉子外殼，通過(guò)螺栓連接成一個(gè)整體。做成三個(gè)部分的好處是，各個(gè)部分都可以使用鋼材或鋼管車(chē)削而成。在加工過(guò)程中，可以根據需要，隨時(shí)將三個(gè)部分臨時(shí)進(jìn)行組裝，組合起來(lái)進(jìn)行精加工，可以保證整個(gè)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(gè)部分：兩個(gè)用于和軸承裝配的軸段，一個(gè)安裝定子矽鋼片的軸段，另一個(gè)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(cháng)度時(shí)，需要注意葉片于塔架之間的間距問(wèn)題，因此在電機到基座之間，軸應該預留一段長(cháng)度，并通過(guò)后續有限元分析，在保證結構強度的前提下，優(yōu)化這段尺寸。
2.2.4.軸承的設計
軸承的選用和計算是很關(guān)鍵的一個(gè)部分，它的確定，是發(fā)電機中幾個(gè)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(shí)，除了這些主要零部件需要確定外，還需要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
2.2.5.1.發(fā)電機整體的密封問(wèn)題。在發(fā)電機的各個(gè)連接部分存在防水、防塵問(wèn)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(wèn)題。由于轉子后殼二端是密封的，為了方便維護安裝在這個(gè)附近的軸承，需要做一個(gè)螺孔，用于頂出軸承，并且在平時(shí)需要用螺栓將孔密封。
2.2.5.3.葉片葉柄表面保護問(wèn)題�？紤]到新型葉片材料采用的是玻璃鋼，為了防止安裝時(shí)，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(fā)電機計算方法
永磁電機的計算有多種思路，著(zhù)眼點(diǎn)不同，計算過(guò)程中的側重點(diǎn)也不相同。直接計算方法計算過(guò)程簡(jiǎn)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(jìn)行修改，最后得到結果。
在確定了永磁電機的類(lèi)型、應用的環(huán)境以及所需要達到的設計指標后，通過(guò)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(jìn)行初步設計，然后，再通過(guò)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(mǎn)率以及導線(xiàn)類(lèi)型，求出繞組的基本數據，包括：每相串聯(lián)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(fā)電機結構的主要尺寸參數計算過(guò)程為：
3.2.2.1.根據小型永磁電機氣隙特點(diǎn)選擇永磁體的工作點(diǎn)，然后根據工作點(diǎn)選擇永磁體類(lèi)型，得到其性能參數。
3.2.2.2.預取線(xiàn)負荷A，使A/Bδ足夠小以保證發(fā)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(cháng)度δ和長(cháng)徑比λ，求出定子外徑和電樞長(cháng)度。
3.2.2.4.永磁體尺寸計算，包括永磁體的磁化方向長(cháng)bM、徑向長(cháng)度LM、永磁體體積VM、截面積SM、寬hM以及氣隙長(cháng)度修正和工作點(diǎn)氣隙磁感應強度有效值計算。
3.2.2.5.由最初選擇的繞線(xiàn)尺寸、電樞長(cháng)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(gè)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(fā)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(jīng)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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