毕业论文---基于ansoft的2kw永磁同步风力发电机电磁特性仿真分析.doc

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1、 本 科 毕 业 设 计（论文）题目：基于ansoft的2kw永磁同步风力发电机电磁特性 仿真分析学院：电气工程与自动化学院专业：电气工程及其自动化班级：电气 指导教师： 职称：副教授目录摘 要近年来随着永磁材料强磁性能的不断提升和材料价格的不断降低，加上永磁发电机的诸多优点，越来越多的领域应用了永磁发电机。永磁发电机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今大，对其研究就显得非常必要。本文对稀土永磁同步发电机的结构和特性进行了详细的分析，并结合实际情况选取了发电机的定转子结构。转子采用了径向励磁结构，使得发电机内部结构排列得更紧凑。永磁材料采用稀土钦铁硼。本文从永

2、磁发电机的内部结构和工作原理出发，分析影响电机输出电压的内部因素，即电枢反应。为了减小电枢反应对发电机输出电压的影响，先优化电机定子齿部的磁密工作点和电机结构，优化电机的气隙值，稳定了永磁发电机的输出电压。本文以有限元分析软件Ansoft12.1为基础对永磁发电机构建了几何模型和二维模型，并在二维模型的基础上进行了瞬态场仿真计算，仿真结果和实际运行结果吻合，表明可以借助有限元仿真的方法对电机进行优化设计。通过瞬态场计算结果能直观地看到磁力线和磁感应强度的分布情况，和电枢反应对感应电动势的影响，并以次为依据确定了发电机优化后的结构参数及所用材料。关键词：永磁；风力；直驱式；发电机；结构设计；永磁

3、同步发电机；ansoft；瞬态仿真。ABSTRACTIn recent years，with the improvement of 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 generator，Permanent magnet

4、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 research.This Paper analyzed the structure and character of earth rare permanent magnet synchronous gener

5、ator in detail，selected generators stator and rotor structure according to actual conditions. The 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 P

6、rinciple of permanent magnet generator，analyzed internal factors which influence the generators output voltage，which is the armature reaction. To reduce the influence on generators output voltage，firstly optimized flux density operating Point of stator tooth and generator structure，then optimized th

7、e size of air gap.This study constructed geometric model and the two-dimensional model on the basis of the finite element analysis 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

8、 be used for generators optimization design. Through the result of transient field calculating，we can observe distribution of magnetic line of force，besides the influence on generators output voltage.Key Words：permanent magnet；wind power；direct-drive; motor；design；PMSG ；Ansoft ；Transient simulation.

9、目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 研究直驱风力发电机的意义11.2 直驱风力发电机技术的研究现状21.3 风力发电系统简介41.3.1恒速恒频风力发电系统51.3.2变速恒频风力发电系统51.3.3各类风力发电系统比较61.4课题研究主要内容6第二章 永磁同步风力发电机结构和工作原理72.1直驱发电机的分类72.1.1电励磁发电机82.1.2径向磁通永磁发电机82.1.3轴向磁通发电机92.1.4横向磁通发电机92.2电机结构及工作原理102.2.1发电机和小型风力发电系统的结合102.2.2发电机内部结构设计11V2.2.3其他问题112.2.4工作原理12

10、2.3永磁材料的性能与选用13第三章 永磁同步风力发电机的仿真153.1永磁同步风力发电机磁路结构153.1.1切向式转子磁路结构153.1.2径向式转子磁路结构163.2ansoft软件对发电机的磁场进行仿真分析173.2.1电机的主要参数173.2.2电机模型的建立183.2.3应用Maxwell对电机进行2D分析213.3本章小结23第四章 永磁电机磁路计算244.1永磁体尺寸计算244.2永磁体等效磁路254.3磁位差计算284.4转子漏磁导计算294.5电枢反应折合系数294.6漏磁导系数304.7气隙磁势304.8发电机提高效率的途径314.9本章小结31第五章 全文总结与展望32

11、5.1本文主要工作325.2后续工作展望32参考文献33致 谢35江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1研究直驱风力发电机的意义稳定、可靠和洁净的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的重要保障，煤炭、石油、天然气等化石能源支持了19世纪和20世纪近两百年人类文明的进步和发展。然而，化石能源的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉到环境恶化的威胁。21世纪是科技、经济和社会快速发展的世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力的可再生能源时代过渡，如何实现能源的可持续发展，从而保持经济和社会的可持续发展，已经成为世界各国必须解决的问题。目前的小型风力发电系统

12、中，主要采用的是永磁同步发电机，或者使用电机代替永磁同步发电机和整流器。但是不管是哪种都存在着一些不足。现在作为占能源消耗首位的电能是二次能源，是由其他能源转换而来的。目前世界各国电能产生主要是靠火力发电。火力发电以碳氢化合物为主要成分的煤、重油等为燃料，燃烧后向大气排放二氧化硫、二氧化碳等有害气体及烟尘。二氧化硫形成酸雨，对农作物、森林、建筑物及金属材料构成危害和腐蚀浪费；二氧化碳形成温室效应，改变局部气候，造成各种自然灾害。目前，中国已成为世界第二大能源消耗国，中国能源消耗排放的二氧化碳量占各种温室气体总排放量的80%。中国温室气体排放量约占全世界总排放量的13%，仅次于美国之后居世界第二

13、位，国际能源组织预计中国二氧化碳排放量有可能在2030年前后超过美国。随着能源消耗量的增加而引起的温室效应正引起全球的瞩目。从人类社会的长远发展战略来看，人类必须寻找一条发展可再生能源和清洁能源的道路。包括风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、氢能和核能等在内的新能源和可再生能源逐渐成为人们研究的热点。风能是由太阳光照射地球表面，地球各处受热不均，引起大气的相对运动而形成的。它是太阳能的一种转换形式，取之不尽、用之不竭。我国领土位于北半球中纬度上，幅员辽阔，海岸线长，风力资源相当丰富。据初步估算，全国平均风能密度为100瓦/平方米，风能总量为10亿千瓦，其中陆地上的风能储量约为2.53亿千瓦，海

14、上可开发和利用的风能储量约为7.5亿千瓦。我国风能资源主要分布在东南沿海及附近岛屿，内蒙和甘肃河西走廊，以及东北，西北，华北和青藏高原等部分地区。这些地区的有效风能密度在150瓦以上，每年风速在3米/秒以上的时间近4000小时，一些地区年平均风速近67米/秒以上。由此可见，我国的风力资源非常丰富，风力资源的分布也相当广泛，具有很大的开发价值，为解决我国的能源短缺问题和实现可持续发展提供了条件。本文所设计的电机，针对永磁直流发电机的缺点，结合永磁同步电机的优点，提出一种新型的外转式永磁同步电机，具有结构简单、重量轻、高性能的特点，满足了小型风力发电的实际需要。1.2直驱风力发电机技术的研究现状能

15、源困局不是中国独特的问题，美国、日本、欧洲和印度都是如此。面对化石燃料日益枯竭的威胁，人们都在讨论后续能源的续接问题。美国的氢技术、日本的阳光计划、欧盟2050年可再生能源50%的战略目标，都是破解能源困局的思路。在各种各样的选择中，风电也许是最值得考虑的选择。欧盟风能协会和绿色和平组织风力12：关于2020年风电达到世界电力总量12%的蓝图中的观点，也许过于乐观，但是它毕竟给人们提出了一种可能。也许仅仅依靠风电不能完全解决这些问题，但是它可能是解决问题的主要技术选择之一。19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组，直到20世纪70年代以前，只有小型充电用风力机达到实用阶段。美国

16、20世纪30年代还有许多电网未通达的地方，独立运行的小型风力发电机组在实现农村电气化方面起了很大的作用。20世纪70年代到80年代中期，美国、英国和德国等国政府投入巨资开发单机容量1000kW以上的风力机组，承担课题的都是著名大企业如美国波音公司研制了2500kW和3200kW的机组，风轮直径约为100m，塔高为80m，安装在夏威夷的瓦胡岛；英国的宇航公司和德国MAN公司分别研制了3000kW的机组，所有这些巨型机组都未能正常运行，因其发生故障之后维修非常困难，经费也难以维持，没有能够发展为商业机组，未能形成一个适应市场需求的风电机组制造产业。风电继续呈现地区发展多样化的特点。到2006年底，

17、风电发展已涵盖世界各大洲，并呈快速增长态势。风电装机超过100万千瓦的国家已由2005年的11个增加到13个，其中8个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙、法国）、3个亚洲国家（印度、中国、日本）和2个美洲国家（美国、加拿大）。欧洲继续保持其领先地位，亚洲正成为全球风电产业发展的新生力量，预计在不远的将来还有更大的增长。与此同时，世界前五位风电市场的德国、西班牙、美国、印度以及丹麦风电装机占世界份额呈下滑趋势，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份额由79%降至53%。我国在20世纪50年代，就有过研制风力发电机组的活动。但有实用价值的新型风力机研制到6070年

18、代才开始起步。70年代以后发展较快，在装机容量制造水平及发展规模上都居于世界前列。近年来，和光伏电池配合的风光互补系统，容量可达数百瓦到数十千瓦，能完成给农牧民家庭以及海岛、边防站、通讯台站、输油管道站点等重要设施的独立供电任务，已逐步得到越来越广泛的重视和应用。为了扶持风电技术和产业的发展，中国政府采取了一系列的国家行动，并制定出台了一系列的经济鼓励政策。这些行动主要有：承风计划、双加工程、国债风电项目、风电特许权项目等。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富，发展风电的条件很好。据中国气象科学研究院估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约322.6万MW，可开发和利用的

19、陆地上风能储量有25.3万MW，海上可开发和利用的风能储量有75万MW，居世界首位。中国沿海，特别是东南沿海及附近岛屿拥有非常丰富的风力资源。我国海岸线约为1800千米，岛屿6000多个，海上风速高，很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。一般估计海上风速比平原高20%，发电量增加70%。“十五”期间，中国的并网风电机组得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约600万千瓦，提前三年实现国家2010年的目标。2008年8月，中国风电装机

20、总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。中国政府原定风力发电2020年将达到3000万千瓦的目标将在2010年提前十年完成。现政府已经将2020年的风电装机容量目标定为1亿千瓦。现阶段的规划布局和建设重点是：重点建设30个左右10万千瓦以上的大型风电场和5个百万千瓦级风电基地，做好甘肃、内蒙古和苏沪沿海千万千瓦级风电基地的准备和建设工作。充分发挥“三北”(东北、华北、西北)地区风能资源优势，建设大型和特大型风电场。到2010年，河北和内蒙古的风电装机总量分别达到200万千瓦和300万千瓦以上，已投产及开工建设的总规模分别达到3

21、00万千瓦和400万千瓦左右。到2010年，苏沪沿海地区风电装机容量达到100万千瓦以上。在其他具有可利用风能资源的省(区、市)，因地制宜发展中小型风电场。加强近海风能开发技术的研究，开展近海风能资源勘察评价和试点示范工程的前期准备工作，建设1-2个10万千瓦级近海风电场试点项目，为今后大规模发展近海风电积累技术和经验。1.3风力发电系统简介风能是一种清洁、资源丰富、不产生温室气体的自然可再生能。在当前矿石能源面临枯竭、环境日益恶化的情况下，无论从经济上或是技术上都是一项可以首选的替代能源。全球均在对其加速开发和利用。风是具有能量的，平日里，微风就能带动玩具风车飞速旋转，在狂风怒号的台风季节中

22、，风灾造成的破坏更使人感到风的威力。据估算，海洋中一个直径为800km的台风，其具备的能量相当于50万颗1945年在广岛爆炸的原子弹的能量。风所具备的能量简称为风能。风的形成除与各地区的太阳照射角、地球自转、地区的地形地貌等有关外，还具有随机性、随季节变化和随高度变化等特性。描述风力的两个最重要物理参数为风速和风向。风速表示风的移动速度，即单位时间内空气流过的距离，风向是指风吹来的方向。气象学和动力学中研究的主要为水平方向的风。如果用测速计测量某点的风速就会发现风速是随时间不断随机变化的。因而通常所说的风速是指一段时间中各变化风速的平均值，即平均风速。此外，风向也具有随机特点，是时刻在变化的。

23、风向可用风向杆测出并得出当地的主导风向。由于地球自转轴与绕太阳公转轴之间存在偏角，使各地区受到太阳辐射强度会随时间而发生季节性变化，从而使各地区的风向和风速均会发生季节性变化。在我国山东半岛、辽东半岛的风力春季最大，冬季次之；台湾及南海诸岛的风力秋季最大，冬季次之；西北、东北及华北等内陆地区，春季风力最大、冬季次之，夏季最小。在距地面2000m以内的大气摩擦层中，空气的流动和风力大小还受到地面摩擦力的影响。地面摩擦力、地表植物、建筑物等都能阻碍空气流动和减小风速。因而风速随离地面的高度增高而增大。在同一高度上，风速也因地面建筑物和地表植物等阻碍物的减少而增大。人们可以感觉到，高度相同时，在高楼

24、林立的城市中风速最小，城市近郊或村庄风速较大而在平地或海岸线地带风速最大。由此可见风的成因的复杂性，所以人们常说天有不测风云。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，典型的风力发电系统通常由风能资源、风力发电机组、控制装置、蓄能装置、备用电源及电能用户组成。其中，风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。1.3.1恒速恒频风力发电系统恒速运行的风力机转速不变，而风速经常

25、变化，因此叶尖比速不可能经常保持在最佳值，Cp值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点发生改变。当转子速度高于同步转速3%5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。1.3.2变速恒频风力发电系统变速恒频发电系统(VSCF)，是指在风力发电过程中发电机的转速随风速变化而通过其它的控制方式来

26、得到和电网频率一致的恒频电能。利用变速恒频发电方式，风力机就可以变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。即使风速跃升时，所产生的风能也部分被风轮吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风力机组运行更加平稳和安全。变速恒频风力发电系统主要包括鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统、双馈式变速恒频风力发电系统

27、、直驱型变速恒频风力发电系统和混合式变速恒频风力发电系统等。1.3.3各类风力发电系统比较一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼式感应发电机。恒速恒频风力发电系统运行于由电机的极对数和频率所决定的同步转速，变速恒频风力发电系统则以稍高于同步转速的速度运行。是指在风力发电过程中发电机的转速可以随着风速变化而改变，通过其它的控制方式来得到和电网频率一致的电能。变速恒频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比具有明显的优越性：首先，传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。采用变速恒频发电方式则可以按照捕获最大风能的要

28、求，在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，输出最大功率。其次，变速恒频发电系统采用一定的控制策略可以灵活调节系统输出的有功和无功功率，对电网而言可以起到功率因数补偿的作用。最后，采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒频发电系统更易实现并网操作及运行近几年来，变速恒频发电系统的直接驱动技术在风电领域得到了重视：这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件，由于其具有很多技术方而的优点，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率更高，处于当今国际领先地位，在今后风电机组发展中将有很大的发展空

29、间。直驱式永磁风力发电机的效率高、极距小，况且永磁材料的性价比正得到不断提升，应用前景十分广阔。1.4课题研究主要内容本论文主要着眼于永磁发电机在小型风力发电系统中的应用，针对现有永磁发电机的优缺点，提出一种适用于小型风力发电系统的新型永磁发电机。参考传统永磁同步发电机的设计方法对该类型发电机进行初始尺寸计算。通过查阅相关资料，熟悉永磁同步发电机的工作原理；掌握永磁同步发电机的设计方法；并对发电机进行设计与电磁计算。掌握利用Ansoft软件分析电机的磁场分布。论文的主要章节安排如下：1）第一章简要介绍课题的背景意义和国内外发电现状等；2）第二章分析永磁同步发电机的结构与工作原理；3）第三章介绍

30、永磁同步发电机的仿真；4）第四章则是得出结果与分析计算永磁同步发电机的电磁特性，包括参数变化的分析，磁系数的影响，电枢长度变化的影响，每相串联匝数的影响，漏电抗的影响以及发电机的空、负载性能分析等；5）第五章对全文做出总结，并对后续工作提出展望。第二章永磁同步风力发电机结构和工作原理2.1直驱发电机的分类图2-l所示，小型风力发电机系统主要由以下几个部分组成：叶片、发电机、塔架、尾翼。其中叶片组成的叶轮起吸收风能的作用；发电机将风能转化成电能并输出到储能设备中；尾翼在水平面上使风力发电机旋转，调整风力发电机的迎风面；塔架起到固定支撑作用。除了这几个主要部分外，还有一些辅助部件，如调整俯仰角度的

31、结构；回转机构；集流环等。在整个系统中，发电机部分居于一个重要的地位，它将风轮的机械能转换成电能，其性能优劣直接影响整个风电系统的性能。叶片尾翼发电机塔架图2-1小型风力发电机发电机是风力发电系统中将机械能转化为电能的装置，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和装置的结构。对于直驱风力发电机的设计来说，有很多方案可以选择。例如可选用双馈异步电机，永磁同步电机，也可选用传统的电励磁同步电机。定子可以是有槽的，也可无槽。随着永磁材料性价比的不断提高，当今多数的低速风力发电机是永磁发电机；根据永磁发电机中主磁通方向的不同，可以把发电机

32、分成径向磁通发电机、轴向磁通发电机和横向磁通发电机三大类。用于直驱风力发电系统中的发电机主要有以下几种：2.1.1电励磁发电机电励磁发电机本身有专门的励磁绕组，磁场由励磁电流建立。其造价便宜，但与永磁电机相比，需要励磁系统以及励磁电流，功率因数、效率和可靠性都有一定降低。电励磁式径向磁场发电机可视为一种直驱风力发电机的选择方案，在大功率发电机组中，它的直径大而轴向长度小。从电磁角度考虑，直径越大越好，然而机械设计施工和运输却困难，5m左右的直径是该原理折中的选择。为了能放置励磁绕组和极靴，极距必须足够大，它的输出交流电频率通常低于50Hz，必须配备整流逆变器。第一台用于商业运行的几百千瓦级直驱

33、风力发电机就是电励磁同步发电机，首台样机制造于1992年。此种电机外径约5m，长约0.6m，后接整流逆变器，转速1838r/min。2.1.2径向磁通永磁发电机在径向磁通发电机中导体电流呈轴向分布，主磁通沿径向从定子经气隙进入转子，这是最普通的永磁发电机形式。它具有结构简单、制造方便、漏磁小等优点，径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计，风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计，风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构

34、有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输。径向磁场式电机结构简单、稳定，应用广泛，多数低速直驱风力发电机都采用径向磁场式结构，这种类型的电机似乎是直驱风力发电机最有意义的类型。2.1.3轴向磁通发电机如图2-2所示，轴向磁通发电机的绕组物理位置被转移到端面，电机的轴向尺寸相对较短。与径向磁场电机相比，轴向磁通电机的磁路长度要短些。电机中导体电流呈径向分布，这样有利于电枢绕组散热，可取较大电负荷，其中双定子中间转子盘式结构用得较多，如图2-2a)所示，它具有结构紧凑、转动惯量大、通风冷却效果好、噪声低、轴向长

35、度短、可多台串联等优点，便于提高气隙磁密、提高硅钢片利用率。缺点是直径大、永磁材料用量大、结构稳定性差。在永磁体结构轴向不对称时，如图2-2b)所示，存在单边磁拉力，如果磁路设计不合理，漏磁通大，在等电磁负荷下，效率略低。a）双定子结构 b）单定子结构图2-2轴向磁通发电机结构2.1.4横向磁通发电机横向磁通发电机的结构如图2-3所示，其磁路方向为转子的轴向方向。横向磁通发电机电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，完全可以根据需要调整磁路尺寸和线圈窗口来确定电机的电磁负荷，不存在传统电机在增加气隙磁通与绕组电流密度之间结构上的相互制约关系，从而获得较高的转矩密度，缺点是电机结构复杂，制造成本高。此

36、种发电机可以做成具有很多极对数的电机，且操作上可同时具有同步电机和永磁电机的特点，适合于直驱风力发电。但是，横向磁通发电机的控制很复杂，此外，发电机气隙磁通是非正弦的，当发电机的转子转动时，磁路的变化是连续的、非线性的。这导致了对此种电机进行设计分析的难度较大，给机组制造带来了很大的困难。因此这种电机是否满足在风力发电系统中运行，还要继续对其进行深入的研究。图2-3横向磁通发电机结构2.2电机结构及工作原理2.2.1发电机和小型风力发电系统的结合本论文所设计的发电机为低速发电机，无需变速箱即可和叶片相连。在转子后壳处有一法兰结构，叶片叶柄通过三个螺栓连接在法兰上，增加叶轮的稳定性，如图2-4。

37、图2-4叶柄连接图2-4(a)为外转式电机结构的叶柄连接方式，图2-4(b)为传统内转式电机结构的叶柄连接方式。可以看出，当叶柄长度一致时，图2-4(a)的叶柄连接方式较图2-4(b)的叶柄连接方式更加稳定。即，图2-4(b)的叶柄连接方式限制了叶柄的长度。在图2-4(a)的所示方式中，叶柄的长度不受限制，可根据外转子法兰的大小进行调整，这样可将整个叶轮的半径扩大，增加了叶轮的受力半径，从而在增加了叶柄的稳定性之外，还具有在更低风速下启动的优点。传统的内转子式风力发电机，为了能安装到塔架上，需要对外壳进行修改，将外壳、回转机构和安装基座作为一体。本论文所设计的发电机采用外转子形式，由于转子和叶

38、片相连，所以和基座连接的为定子支承轴。定子承轴通过螺栓固定和基座连接。这样设计，整个发电机结构等效于悬臂梁结构，为了防止支承轴变形严重，则需要注意几个问题：整个发电机重量不能过重，因此需要使用一种合理的结构尺寸计算方法，在相同输出功率下，较其他类型电机结构轻；支承轴总长度不能过长，保证在支承轴负荷最大情况下，产生的绕度(扭矩)形变不影响发电机结构的稳定性。2.2.2发电机内部结构设计发电机内部结构设计包括定子硅钢片设计、转子外壳设计、轴的设计、轴承计算等。在电机中，普遍采用的是叠片铁心，电机选用硅钢片时由几个要点：低铁损、高磁导率、合适的硬度、良好的耐蚀性能等，本发电机采用牌号为DW470-5

39、0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%。冲片数量根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装在定子支承轴上，并采用斜槽结构，斜槽的扭转宽度正好等于一个槽距，这样可以有效削弱齿槽转矩的影响；实际生产中，矽钢片一般使用模具冲制得到，若是仅用于试验的样机，为了降低成本，可以使用线切割制作。线切割方法的优点是灵活、快捷、成本低，而且切缝可以有效降低定子内部的涡流，不足点是切缝的存在难以保证冲片的强度，所以这种方式仅适用于试验样机的制造中。为了便于安装永磁体、便于对电机内部结构进行维护，本电机所设计的转子外壳分成三个部分，包括：转子前壳

40、、转子后壳和转子外壳，通过螺栓连接成一个整体。做成三个部分的另外一个好处是，各个部分都可以使用钢材或钢管车削而成。在加工过程中，可以随时将三个部分零时组装起来精加工，保证了整个设备的加工精度。转子外壳用于安装永磁铁，需要在其内表面铣出凹槽；转子前后壳需要安装轴承，其结构根据轴承计算获得尺寸设计；转子后壳还需要和叶片连接。电机的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和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；在设计轴的长度时，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

41、构强度的前提下，优化这段尺寸。2.2.3其他问题需要在发电机的各个连接部分考虑防水防尘等密封问题，如在转子前后壳与转子外壳连接部分做出凸台、轴承盖选用的密封件、转子后壳的一端做成密封形式等。除此之外，考虑到转子后壳一端是密封的，为了方便维护安装在这个附近的轴承，需要做一个螺孔，用于顶出轴承，并且在平时需要用螺栓将孔密封。另外，考虑到新型叶片材料采用的是玻璃钢，为了防止安装时，螺栓将叶片叶柄表面压坏，需要设计一块压板垫在叶片与螺栓头之间。19江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）12345678910图2-5发电机结构电机整体结构简图如图2-5，整个发电机通过支承轴固定在塔架的支承座上，叶

42、片通过螺栓与转子后壳的法兰部分联结，内定子通过定子压板固定在支承轴上，三相绕组由承轴上的槽从发电机内部引出，连接到安装在支撑座附近的整流环。在风力的作用下，叶轮带动外转子旋转，发电机将风能转化成电能。2.2.4工作原理永磁同步发动机的运行原理与电励磁同步电机相同，但是它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，结构简单，降低了成本，提高了电动机运行的可靠性以及功率密度。因而得到了越来越广泛的应用。永磁同步发电机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可以采用叠片叠加而成。图2-6为一台永磁同步发电机的横截面示

43、意图。1234图2-6永磁同步发电机的横截面示意图1-定子 2-永磁体 3-转轴 4-转子铁心当同步电机做发电运行时，直流电流通过电刷滑环装置流入转子励磁绕组，产生与转子相对静止的恒定磁场，磁力线从转子N极出来，经气隙、定子铁芯、气隙，进入转子S极而形成闭合回路。2.3永磁材料的性能与选用永磁同步发电机的主要用材包括永磁磁极、定转子硅钢片、电枢铜线和机壳材料。通常机壳材料和电枢铜线对电机性能的影响不大，对电机的性能影响很大的是永磁材料，定转子硅钢片的材料对电机的性能也有一定影响。常见的用作电机磁极的永磁材料包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼。铝镍钴是20世纪30年代研制成功的永磁材料，它温度系

44、数小，剩余磁感应强度较高，但是矫顽力很低，退磁曲线呈非线形变化。铁氧体是20世纪50年代初开发的永磁材料，价格低廉，矫顽力大，抗去磁能力强，密度小，退磁曲线接近于直线。缺点是剩磁密度不高，最大磁能积较小，环境温度对磁性能的影响大；钐钴稀土材料在20世纪60年代中期问世,其剩余磁感应强度Br、磁感应矫顽力Hc及最大磁能积(BH)max都很高。退磁曲线基本上是一条直线，抗去磁能力强，缺点是材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花和线切割加工，而且价格较昂贵。钕铁硼永磁材料于1983问世，其磁性能十分优异,剩磁和矫顽力都非常高。且退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合。价格也比稀

45、上钴便宜的多。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为310410左右，温度系数较高，在高温下使用时磁损失较大。永磁材料及其性能多种多样，如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的性能和经济性。在本电机设计中，一方面要求获得足够高的功率密度，即永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度矫顽力及最大磁能积；另一方面永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性，尤其是无齿轮箱直驱变速恒频永磁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；最后，同时希望尽量选择经济性要好，价格适宜的永磁材料，降低成本。所以综

46、合考虑性能和成本后，本设计选择钕铁硼(NdFeB)永磁材料。2.4本章小结：这章主要介绍了永磁同步风力发电机几种不同结构，分析和比较了这几种不同结构的特点。第二节介绍了发电机内部的结构设计和工作原理。简单介绍了永磁材料的性能和选用。13江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）第三章 永磁同步风力发电机的仿真3.1永磁同步风力发电机磁路结构永磁同步发电机具有结构简单、加工和装配费用少、运行可靠等优点，采用永磁励磁后可以增大气隙磁密，缩小电机体积，提高功率质量比。目前，国内永磁同步发电机的应用领域非常广阔，如用于中小型风力发电机，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量风力发电系统也倾向于使用

47、永磁同步发电机。永同传统电励磁同步发电机一样，永磁同步发电机本体由定子和转子两大部分组成。永磁同步发电机的定子指电机运行时固定不动的部分，主要由硅钢片、电枢绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部份组成，这同传统同步发电机定子结构相同。永磁同步发电机的结构特点主要表现在转子上，并由此引出这类电机一系列特殊性。通常按照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。本章主要以切向式结构和径向式结构来说明永磁同步发电机磁路结构的特点。3.1.1切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比轴向式结构要大。但是，在切向式结构中有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。切向式转子磁路结构由于永磁体和极靴的固定方式不同，通常分为切向套环式结构和切向槽楔式结构。稀土钴永磁材料的抗拉强度很低，如果转子结构上无防护措施，当发电机转子直径较大或高速运转时，转子表面所承受的离心力已经接近甚至超过永磁材料的抗拉强度，将使永磁体出现破坏，所以高速运行的永磁同步发电机选用套环式转子结构。槽楔式结构中永磁体用槽楔固定，工艺和结构比较简单，对高速运行的发电机，套环式的可靠性比槽楔式高。切向式内转子磁路结构如下图3-1所示。231