（机械设计及理论专业论文）新型2kw小型永磁风力发电机设计.pdf

新型2 k w 小型永磁风力发电机设计 摘要 随着人类对能源的需求1 3 趋增大，而如石油、煤等非可再生能源日益 枯竭。寻求新能源的利用和开发迫在眉睫。风能凭借其无污染，可循环利 用等优点受到世界各国的重视。本文针对现有的小型风力发电机结构存在 的不足，设计了一种新型结构的小型风力发电机结构。主要研究结果如下： 1 分析现有永磁发电机的结构特点，结合这些特点设计了一种新型 外转子式永磁发电机。此种发电机专用于小型风力发电，其功率为2 k w 。 该发电机属于低速电机，可以直接与叶片相连，省去了传统的调速装 - 苴。 2 利用直接磁路计算法计算出发电机的主要尺寸和输出电压，为了 寻求发电机最优尺寸，把计算中设计的参数综合组合。选取最优的一组， 其输出电压为5 1 9 6 v ，与预定指标之间的误差为3 9 2 。根据这组数据所 得到的电机结构，重量约为5 0 - - 7 0 k g ，较市面上常见的2 k w 风力发电机轻 ( 青岛风王发电机有限公司f d 4 o - 2 k w 型重量为1 2 0 k g ) 。 使用函数e o = 厂( 仃，：，万) 来描述设计参数和输出电压之间的关系，在 其它变量保持不变的情况下，输出电压e o f - i ：lw 同向变化，晶和工：、仃反向 变化，小范围变化艿对民影晌不大。 分析了发电机在不同风速下工作的空载状态，找出了输出电压和风速 之间的关系。通过分析外特性曲线，推导出负载输出电压和风速之间的关 系。 3 利用a n s y s 有限元软件对设计的发电机进行电磁场分析，结果表 明，所设计的发电机气隙磁密分布为均匀分布，气隙磁密b x 分量波形为矩 形波，保证了输出的电压近似为正弦波形。通过两种方法分析了发电机的 电磁场，分析结果和计算结果之间的误差分别为5 0 6 ，9 18 。 4 利用a n s y s 有限元软件分析了所设计的发电机支承轴和转子后壳 的结构强度，结果表明在最恶劣工况下，支承轴和转子后壳的复合应力远 小于材料的屈服强度，发电机结构的稳定性良好。通过改变轴的尺寸，利 用a n s y s 得出同类结构小型风力发电机支承轴的最小安全轴径应不小于 3 8 m m 。对转子后壳所做的优化分析，有效减少转子的重量达到4 4 0 2 。 5 根据设计的数据绘制出整个发电机的零件图以及装配图，并编写 好用于定子矽钢片冲片的线切割程序，图纸及线切割程序可直接用于产品 制造。 关键词：新型；永磁；风力；发电机；结构设计 i l d e s i g no fan e w2 k wp e r m a n e n tm a g n e tw i n d t u r b i n e a bs t r a c t a st h ed e m a n df o re n e r g yi sb i g g e ra n db i g g e r , b u ts o m ek i n d so fe n e r g y h a v eb e c o m ed r i e du p ，s u c ha sp e t r o l e u ma n dc o a le t c i t sg r e a t l yu r g e n tt of i n d s o m en e wk i n d so fe n e r g y d u et os o m ee x c e l l e n c e s ，a sn o - p o l l u t e ，c i r c u l a r a b l e u s i n ge t c w i n dp o w e rh a sb e e nr e g a r d e db ym a n yc o u n t r i e s t h e r ea r es o m e s h o r t c o m i n ga b o u tt h es m a l lw i n dt u r b i n ew h i c hb e e nu s e dn o w a d a y s ，s ot h i s p a p e r h a sd e s i g n an e ws t r u c t u r em o t o r t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e da r ea s f o l l o w i n g ： 1 a n a l y s i n g t h es t r o n g p o i n t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h es m a l lw i n d p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , l e a mf r o mo t h e r s ss t r o n gp o i n t st oo f f s e t o n e s w e a k n e s s d e s i g nan e wo u t - r o t o rp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r i t sp o w e ri s2 k w t h i sm o t o ri sal o w v e l o c i t ym o t o r , i tc a nb el i n kw i t ht h eb r a d ed i r e c t l y a n dt h e r ei sn oa c t i y a t o ri ni t 2 u s i n gt h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nt oc a l c u l a t et h ep r i m a r yd i m e n s i o n sa n d t h ep a r a m e t e r s m o d i f yt h ep a r a m e t e r sa n dg e ts e v e r a lg r o u p so fr e s u l ta n d c h o i c eo n eb e s tg r o u pt h e n ，c o n f i r mt h ed i m e n s i o n sa n dt h ep a r a m e t e r s t h e o u t p u tv o l t a g e i s51 9 6 ve r r o ri s3 9 2 t h ew e i g h to ft h em o t o ri sa b o u t 5 0 - 7 0 k ga n di ss m a l lt h a no t h e r2 k w s m a l lw i n dt u i b i n ew h i c hc a nb ef o u n di n t h em a r k e t ( u s i n gt h e p r o d u c to f t h eq i n gd a of e n gw a n gw i n dp o w e rl t d a sa e x a m p l e ) u s i n gt h ef u n c t i o ne 0 = 厂( 仃，三2 ，w ，万) t od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ep a r a m e t e r sa n dt h eo u t p u tv o l t a g e t h ep a p e rh a sa n a l y s e dt h ev a r i a t i o n a l r u l eo ft h ef u n c t i o n w h e no t h e rp a r a m e t e r sd o n tc h a n g e ，t h e 昂w i l 1h a v et h e s a m ev a r i a t i o nd i r e c t i o na st h el ，、wa n dt h er e v e r s ev a r i a t i o nd i r e c t i o na st h e i l l g s m a l lr a n g ev a r i a t i o no ft h e5w i l ln o ti n f l u e n c et h eo u t p u tv o l t a g et o ob i g a n a l y s i n gt h eu n l o a d i n gs t a t eo ft h em o t o rw h e n i tw o r k su n d e rd i f f e r e n t s w i n dv e l o c i t y , t h e nf i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e 厶a n dt h e ，a f t e r t h i s ，h a v i n gf o u n dt h ef u n c t i o na b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nua n d ，b yt h e o u t e rc h a r a c t e rc u r v e 3 u s i n ga n s y st oa n a l y s et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h er e s u l t ss h o w s t h a tt h em a g n e t i cf l u xo ft h ea i rg a pi sp r o p o r t i o n a ld i s t r i b u t i n g t h em a g n e t i c f l u xw a v eo ft h ea i rg a pi sa p p r o x i m a t ear e c t a n g u l a rw a v ea n dt h eo u t p u t v o l t a g ew a v ew i l lb eas i n ew a v e u s i n gt w om e t h o d sa n a l y s i st h em o t o r , t h ee r r o sb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n a l r e s u l ta n dt h ea n a l y t i cr e s u l t sa r e5 0 6 a n d9 18 4 u s i n ga n s y s t oa n a l y s et h es u p p o r t i n ga x l ea n dt h er o t o rb a c ks h e l l ， i n s u r e i n gw h e nt h ew i n dt u r b i n ew o r k su n d e rt h ew o r s tc o n d i t i o n - - h u r r i c a n e ， t h em o t o rw e l lw o r k s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rh a sg o tt h es m a l l e s ts a f ed i a m e t e r o ft h es i m i l a rs m a l lw i n dt u i b i n eb yc h a n g i n gt h ed i m e n s i o n ，t h es m a l l e s ts a f e d i a m e t e rm u s tb i g g e rt h a n38 m m t h ep a p e rh a so p t i m i z e dt h ed i m e n s i o no ft h e b a c ks h e l la n dd e c r e a s e dt h ew e i g h tb y4 4 0 2 5 u s i n ga u t oc a d t od r a wt h eb l u e p r i n t so ft h em o t o ra n dp r o g r a mf o rt h e l i n e a rc u to ft h es t a t o r a l lt h eb l u e p r i n t st h ep r o g r a mc a nu s et op r o d u c e k e y w o r d s ：n e w ；p e r m a n e n tm a g n e t ；w i n dp o w e r ；m o t o r ；d e s i g n i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 才彩嘶 学位论文使用授权说明 m 每z 其) 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 吨靠i 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 蝴一：牵牡暂降铅年钿 j 西大学硕士掌位论文新型2 k w 小型风力发电机设计 1 1 引言 第一章绪论弟一早殆了匕 现代新能源和可再生能源是由2 0 世纪能源、电力技术发展形成的高新技术，在最 近2 0 年取得了长足进步，它已对世界能源、电力产业的结构调整产生了巨大影响，进 而引起能源电力产业结构的大重组和大调整，伴随着世界文明的发展，人类对能源的需 求日益增大，据国际能源协会预测，在这个趋势下，2 0 0 2 年到2 0 3 0 年之间，世界电力 需求将翻一番，其中将有1 2 的需求由风能提供，同时由于风能的应用，排放的c 0 2 将 减少1 1 0 亿吨n 1 ，无论是从解决能源危机还是生态污染方面，风力的大力发展具有重要 的意义。 1 2 课题研究的背景和意义 在矿物能源日趋减少，环境保护受到重视的今天，风能作为一种清洁、安全、可再 生的绿色能源，日益受到各国的重视。目前国内外风能开发的发展方向有两方面：一是 着重于中小容量风力发电装置的研制，这种发电机组多是为农牧区分散的用户设计；另 一方面是发展可与电网并网运行的大型风力发电机组，以缓解总体能源紧张的情况。 如今，发达国家的风力发电的应用相对于中国已经走在前列，在全球的风能发展中， 欧洲风能发电的发展速度很快。据欧洲有关机构提供的信息，2 0 1 0 年德国风力发电预计 达到1 2 5 0 万k w 。截至2 0 1 0 年欧洲风能计划从4 0 0 0 万k w 增加到6 0 0 0 万k w 乜1 。在西方 发达国家中，德国、西班牙、丹麦、美国处于世界领先地位。在亚洲的一些国家，近年 来风力发电也取得较快发展，其中印度和日本最为显著d 1 。 在风力发电方面，中国正在努力追赶先进国家。我国拥有丰富的风能资源，理论储 量为3 2 2 6 亿k w ，可开发的风能资源储量为2 5 3 亿k w h l 。第一座并网风力发电场于1 9 8 6 年在山东荣城落成，1 9 9 0 年，我国已建成4 座并网型发电场，最大单机容量为5 0 0 k w ，1 9 9 3 年风电场总装机容量增至1 7 1 m w ，2 0 0 2 年风电场总装机容量达4 6 8 m w 。2 0 0 3 年中国新建 广西大掌硕士掌位论文 新型2 k w 小型风力发电机设计 风电场8 个，新增风力机1 3 1 台( 装机容量9 8 m w ) ，增长率为2 1 ，全国累计共建成4 0 个大 型风力发电场，共安装各种大、中型风力发电机1 0 4 2 台，装机容量为5 7 1 m w ，至u 2 0 0 4 年， 中国的风机容量达到了7 6 4 m w ，并建立了4 3 个风田晦1 。 大型风力发电系统主要由国家计委、原机械部、原电力部、航空部组织实施，它受 风源条件的制约更大。 小型风力发电系统由于是清洁能源，对环境无污染，而且我们国家地形复杂，人口 又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，仍然可以补充大电网的缺陷， 起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电机的地方主要有肺3 ： ( 1 ) 航运系统。 ( 2 ) 无人值守的差转台和微波站。 ( 3 ) 东南沿海各孤立的岛屿。 ( 4 ) 围网养殖系统。 ( 5 ) 农牧区和边远山区。 目前的小型风力发电系统中，主要采用的是永磁同步发电机，或者使用永磁直流发 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。 直流发电机电压波形平稳，但是其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。这决定了直流发电机在小型风力发电系统中很少使 用，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。 永磁同步电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗，同时它无需 换向装置，因此具有效率高、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然会存在一些电压尖刺，对 蓄电池的寿命影响很大。 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 3 永磁电机研究历史和现状 1 3 1 永磁电机研究历史 2 广西大掌硕士掌位论文 新型2 k w 小型风力发电机设计 1 9 世纪2 0 年代世界上出现的第一台电机就是由永磁体产生磁场的永磁电机。但是所 用的永磁材料是天然此帖矿石( f e 。0 。) ，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不 久就被电励磁电机取代了。 随着永磁材料的发展，永磁电机的发展经历了若干个阶段，每当出现一种新型永磁 材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促使电机的研究提高到一个新的阶段h 1 。 稀土永磁材料第三代钕铁硼( n d f e b ) 由于其优异的磁特性和节能效应压倒了第一代材 料s i n - c o 。和第二代稀土材料沉淀硬化型磁体s m 2 c o m 是永磁材料的重大突破，使用钕铁 硼作为电机的主磁机，功率因数、电效应大大提高，具有广阔的应用前景。我国稀土资 源丰富，2 0 0 1 年钕铁硼永磁产量达8 0 0 0 吨阳1 。为永磁发电机的研究和发展提供了可靠的 依据。 永磁电机具有无需励磁，无励磁损耗、效率高、结构简单、工作可靠等一系列优点。 它首先在汽车工业和航天领域得到了大量的应用。现代航天、航空用发电机几乎全部采 用稀土钴永磁发电机。近年来，小型风力发电机系统中也多采用永磁式发电机，利用的 就是永磁发电机结构紧凑、体积小、效率高等特点。 1 3 2 永磁电机研究现状 现代永磁电机的特点是高力能指标、大功率密度、转子奇异结构、由永磁体产生新 的变量。其研究内容更广，对分析研究所采用的方法和技术( 如电路、磁路、网络及场 分析等) 提出了更高的要求。目前国内外对永磁同步电机的研究主要有以下几个方面： ( 1 )结构设计研究 随着永磁电机技术的发展，当今永磁电机的结构已变得多种多样，主要有以下几种： 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。它们的设计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 运行提高电磁效率。 ( 2 )优化设计 在稀土永磁材料价格昂贵的情况卜，应考虑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。 ( 3 )磁场分析计算和数值方法的研究 传统的电机性能分析方法为等效磁路法，这种分析方法，减少了计算所需要的时间， 1 f - 西大掌硕士掌位论文 新型2 k w 小型风力发电机设计 在初始估算、设计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情况。 永磁电机设计中，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。对于一些复杂的磁场环境，除了需要进行一维分析外，还需要进行二维分析， 除了静态分析外，还需要进行瞬态分析。 随着永磁材料的不断发展，电力电子和控制技术的进步，稀土永磁电机将越来越多 地替代传统电机，应用前景非常广阔。 1 4 课题研究的主要内容 本论文着眼于永磁发电机在小型风力发电系统中的应用，针对现有的永磁发电机的 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。参考传统永磁同步电机 的设计方法对该类型发电机进行初始尺寸计算，并且借助有限元分析软件a n s y s 建立发 电机截面的二维电磁计算模型，对发电机内部的电磁场进行电磁场分析。并对发电机的 关键结构做力学分析，保证设计的发电机能够满足小型风力发电的实际要求。 本论文共分六章，其中第二章概述了整个发电机的设计流程，包括发电机的结构特 点，分析计算的方法等。 第三章详细阐述了利用本结构电机内部磁路于永磁同步电机磁路相似的特点，借鉴 永磁同步电机尺寸的计算方法，估算出本论文所设计发电机的结构尺寸，并通过参数修 改，使最后的结构尺寸达到性能指标。在这章中，还分析了各种参数对输出的影响以及 实际工况中发电机的输出情况。 论文的第四章利用a n s y s 对发电机内部电磁场进行分析计算。首先阐述了电磁场有限 元的基本理论，讨论了有限元在电磁场分析中的应用，并使用a n s y s 对样机电磁场做有 限元分析，将得到的分析结果于计算结果进行了比较。 论文第五章中，利用a n s y s 对发电机的关键结构进行力学分析，包括轴和转子后壳 的强度分析和尺寸优化。保证了设计的永磁发电机在实际工况中的安全性能，并减少了 发电机的结构重量。 最后一章对全文做了总结，并对后续工作提出展望。 4 新型2 k w 小型风力发电机设计 2 1 引言 第二章新型小型永磁发电机的设计流程 本章中，概述了此新型永磁发电机整个设计的流程。在1 3 2 节中，介绍了现今永 磁发电机研究的几个基本方面，包括结构设计，尺寸、参数的优化，分析计算的方法等。 本论文所设计的永磁发电机亦是从这几个方面入手，首先结合现今使用的各种结构永磁 电机结构特点提出新型的结构设计，然后利用磁路计算方法计算出样机的尺寸，再利用 有限元方法对样机电磁性能和力学性能进行分析，完成整个新型永磁发电机的设计。 2 2 结构设计 如图2 - 1 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，如调整俯仰角度的结构； 回转机构；集流环等。 图2 - 1小型风力发电机 f i 9 2 1 s m a l lw i n dt u i b i n e 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， 5 新型2 k w 小型风力发电机设- i t 其性能优劣直接影响整个风电系统的性能。 2 2 1 现今永磁发电机的结构 随着永磁技术的发展，稀土永磁电机的结构多种多样，常用的永磁电机结果主要有 以下几种： 1 ) 永磁同步电机阻n 1 交流电机可分为同步电机和异步电机。同步电机最大的优点是其转速与频率间有严 格不变的关系n = 6 0 f p ，即当电源频率恒定时，电动机转速不变，且与电源频率成正比。 而异步电机则不然。同时同步电机定、转子两方磁场是相互独立、可控的。由于永磁电 机不需要直流励磁电源，对于交流同步电机来说省去了励磁机、自励系统等。 2 ) 永磁直流电机n 钔 永磁直流电动机除了具有普通电磁直流电机所具有的下垂的机械特性、线性调节特 性、调速范围宽和便于控制的特点外，还具有体积小、效率高、用铜少、结构简单、运 行可靠等特点。与交流发电机，特别是同步发电机相比，直流发电机的电压波形平稳， 但是其换向装置容易磨损，故障率高，寿命短。 无刷直流电机n 5 3 是在有刷直流电机的基础上发展起来的，其最大的特点就是没有换 相器和电刷组成的机械接触机构，因此没有换相火花，它的运行特性与有刷直流电机极 为相似，有着良好的伺服控制性能。 永磁无刷直流电机采用永磁体作为转子，没有激磁损耗，发热的电枢绕组又通常装 在外面的定子上，这样，除了无换相火花外，还有热阻较小，容易散热，没有无线电干 扰，寿命长，运行可靠，维护方便等特点。因此永磁无刷直流电机是永磁直流电机发展 的一个大的趋势，在各行各业中得到普遍应用n 引。 3 ) 永磁无轴承电机“例 如图2 2 所示，永磁无轴承电机将两套不同极对数的绕组转矩绕组和悬浮绕组 嵌放进旋转电机的电枢铁心中，通过对两套绕组的控制使电机转子同时具有旋转和自悬 浮支撑能力，实现了电机定、转子间的无机械轴承支撑运行，从而突破了传统电机的运 行机理，以全新的概念构成了高转速、大功率的机电能量转换装置，使其在高速电传动 领域具有广泛的应用前景。 6 广西大学硕士掌位论文新型2 k w 小型风力发电机设计 图2 2 永磁型无轴承电机原理 f i 9 2 2 t h et h e o r yo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g l e s sm o t o r 4 ) 永磁盘式电机2 1 新型的永磁盘式电机的特点是尺寸小，重量轻，效率高，且由于定、转子为对称排 列，具有好的散热条件，可获得很高的功率密度。转子的转动惯量小，机电时间常数小， 峰值转矩和堵转转矩高，转矩重量比大，低速运行平稳，具有优越的动态性能。由于其 由于其具有短轴、薄型的特点，因此在小型风力发电、飞轮电池储能系统、电动汽车驱 动等许多场合均有广泛的应用前景。 5 ) 其他口删 电机的分类并不是那么固定的，很多新型的电机同时具有了其他类型电机的特点。 在研究一种新型的永磁电机时，选择多种类型相结合而成的电机，并将它们的特点相结 合是非常必要。本课题中所研究的新型小型风力发电机遵循这条原则提出了本文所设计 新型结构永磁发电机。 2 2 2 新型结构设计的内容 本论文所做结构设计包括两个大的方面： ， 1 ) 发电机和小型风力发电系统的结合 本论文所设计发电机的根本出发点是专用于小型风力发电，这就牵涉到两个问题： 发电机于叶片连接；发电机在塔架上的安装。 在小型风力发电机系统中，若直接采用那个传统的内转子式发电机，则叶片的叶柄 需要通过螺栓连接在一个法兰上，法兰再和发电机的转子轴连接。某些情况下，为了让 叶片的转速和发电机额定转速一致，中间还需要添加增速结构。 新型2 k w 小型风力发电机设计 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 3 。 图2 3叶片连接 f i 9 2 3l i n k i n go fb l a d e s 图2 - 3 ( a ) 为外转式电机结构的叶柄连接方式，图2 3 ( 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 - 3 ( a ) 的叶柄连接方式较图2 3 ( b ) 的叶柄连接方式更加稳定。即，图2 - 3 ( b ) 的叶柄连接方式限制了叶柄的长度。 在图2 - 3 ( 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。具体结构参考附录图纸。 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，由于转子和叶片相连，所以和基座连接的 为定子支承轴。定子支承轴通过螺栓固定和基座连接，具体结构参考附录图纸。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，这在第三章中做了探讨，为了减轻整个发电机重 量，还需要对发电机结构进行优化，结构优化在第四章中做了研究；支承轴总长度不 能过长，保证在支承轴负荷最大情况下，产生的绕度变形不影响发电机结构的稳定性， 在第四章轴的绕度分析中对其做了探讨。 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啪3 ，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。7 侧，本发电机采用牌号为d w 3 6 0 5 0 的无取向冷 新型2 k w 小型风力发电机设计 轧硅钢片，其厚度为o 5 m m ；冷轧硅钢片的叠压系数能够达到0 9 8 ，比热轧约高3 1 ， 考虑到加工工艺，预选取叠压系数为0 9 3 ；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 还采用圆形槽结构。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 冲片压装在定子支承轴上，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( 4 2 1 ；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、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，其结构可参考附录图纸。 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 钢片的轴段以及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。 轴承的选用和计算是很关键的一个部分，它的确定，是发电机中几个主要结构尺寸 确定的前提条件，如转子前后壳、轴等。 3 ) 除了这些主要零部件需要确定外，还需要考虑以下几个方面的问题： 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，考虑到转子后壳二端是密封的，为了方便维护安装在这个附近的轴承，需要做一个 螺孔，用于项出轴承，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。 9 广西大掌硕士学位论文新型2 k w 小型风力发电机设计 霞委 zzu 、3 = 鬟霞 彩 | 。l骶黼 餮 糊 再 闲砌铡 i ， l 蹩 蝻泐， l 喇 图物 嘲然 l黼目 葭 翻缓 ；lj ” j l | | |4 霞 a 1 支撑座 6 叶片 2 支承轴3 转子前壳4 转子外壳5 定子压板 7 转子后壳8 。线圈绕组9 定子矽钢片l o 永磁体 图2 4 发电机结构 f l 醇- 4 s t r u c t u r eo f t h em o t o r 电机整体结构简图如图2 - 4 ，整个发电机通过支承轴固定在塔架的支承座上，叶片 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 由支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。整个结构的详细图纸可参考附录 图纸，包括装配图和各零部件的零件图。 2 3 计算方法 在普通电机的计算基础上，关于永磁电机的计算拥有多种思路，着眼点不同，计算 过程中的侧重点也不刚4 3 嗡1 。但是不管计算的侧重点在哪里，直接法计算法具有一个共 同的特点，即计算过程简单，误差较大，但对于电机设计的初步设计计算比较合适，可 1 0 广西大学硕士掌位论文新型2 k w 小型风力发电机设q , t 以与后期的试验分析相结合进行修改，最后得到结果。 无论是哪种理论计算方法，都是在确定了永磁电机的类型、应用的环境以及所需要 达到的设计指标后，通过电磁理论计算与电机外形结构计算相结合的方法对电机进行初 步设计，然后再通过后续的试验分析修正所计算的结果，最后达到目的。 2 3 1 设计计算指标 本论文所设计的永磁发电机用于小型风力发电，需要保证永磁发电机能在5 级风 ( 8 0 , i 0 7 m s ) 的情况下处于额定状态下工作。 电机的计算指标为： 额定功率 昂= 2 k w ； 相数 聊= 3 ，y 型连接； 极数对p = 6 ： 额定相电压砜= 5 0 v ； 额定转速 h = 3 0 0 r m i n 额定频率 厶= 訾= 3 0 h z ： 功率因数 c o s 矽= 0 9 2 3 2 主要尺寸设计计算 1 电枢绕组设计 首先确定电机的电枢绕组分配方案，包括电机中共使用多少对磁极、定子槽数、三 相绕组的分配方式、采用单层还是双层绕组等。 确定了绕组的分配方式后，根据槽的面积选择合适的槽满率以及导线类型，求出绕 组的基本数据，包括：每相串联匝数、电流密度，。 2 主要尺寸和参数计算 使用直接磁路计算法设计发电机结构的主要尺寸参数计算过程为： 1 ) 根据小型永磁电机气隙特点选择永磁体的工作点，然后根据工作点选择永磁体 类型，得到其性能参数。 新型2 k w 小型风力发电机设计 2 ) 预取线负荷4 ，使a b 占足够小以保证发电机有较好的外特性。 3 ) 求解出转子尺寸，包括转子内径和转子外径。然后预取合适的气隙长度万和长 径比五，求出定子外径和电枢长度。 4 ) 永磁体尺寸计算，包括永磁体的磁化方向长、径向长度k 、永磁体体积、 截面积、宽以及气隙长度修正和工作点气隙磁感应强度有效值计算。 5 ) 由最初选择的绕线尺寸、电枢长度以及材料属性求出定子绕组的电阻；求出所 选择的槽型的漏磁导数以、齿和端部的漏磁导数如和以，由这些导数求出基本漏抗e 。 和差漏抗k ，最后求出整个电机的漏电抗艺。 6 ) 根据所设计的转子轭形状，求出转子的漏磁导人口 3 输出特性 由空载磁通密度。、基波绕组系数k 一每相匝数、额定频率f 、可以求的发电 机的输出空载电压e 。和空载磁势r 。 4 参数修改 在直接计算法中，由于很多参数都是凭借经验选取，最后造成的误差可能较大，因 此在计算完以后需要根据计算得到的结果修改所用到的参数，保证最后计算得到的结果 达到预期目标。 2 4 分析方法 2 4 1 电磁场有限元分析 有限元法是根据变分原理和离散化求取近似解。从原理上来讲，电机磁场的所有问 题都可以用有限元法解决，即使是磁场强度变化较大的地方，也可以通过有限元法列出 线型方程组，从而计算整个磁场。 有限元法所计算得到的结果为近似值，但其结果的误差是可以控制的。在离散的过 程中，网格剖分越小，误差越小，理论上，网格趋近于无穷小，在假如方程组的求解误 差为零的前提下，误差将趋近于零，同时计算量也越大。但随着计算机技术的发展，整 台电机采用有限元法计算已经成为现实，并且精度也越来越高。 1 2 厂。西大掌硕士掌位论文 新型2 k w 小型风力发电机设计 常用的电机有限元分析软件主要有2 种：a n s y s 和a n s o f tm a x w e l l ，本文使用的是 a n s y s 软件。 a n s y s 分析过程中包含三个步骤。 ( 1 ) 创建有限元模型。即，首先用面的创建命令创建若干个面，利用布尔运算命令 得到电机的二维模型；生成所用材料的材料属性，包括磁性材料的b h 曲线，空气的磁 导率、绕组的物理常量等：对模型中的各个面进行材料分配和网格划分。 ( 2 ) 旋加载荷并求解。在空载分析中，仅需要设定模型的边界条件，在负载分析中， 除了需要设置边界条件外还需要加载绕组电流密度；在完成加载后，选择合适的求解器 对有限元模型求解。 ( 3 ) 查看结果。a n s y s 电磁场有限元分析可以得到电磁场中各个节点x 、y 、z 三个方 向的磁通密度，磁流密度、感生电流等。 ( 4 ) 结果数据的后处理。从a n s y s 中输出一个极距下的节点数据，通过电磁理论进 行计算，并绘制出结果曲线，并对结果进行分析。 具体分析过程在第四章中详述。 2 4 2 结构有限元分析 a n s y s 除了能进行电磁场有限元分析外，在结构有限元分析方面，同样具有强大的 功能。 小型风力发电机长期处于户外环境下工作，由于雨雪的冲刷、结构的锈蚀、灰尘的 腐蚀、风速变化对结构造成的疲劳损伤、强风对结构破坏等因素，都可能造成发电机损 坏不能正常工作。因此，在确定了发电机的电磁性能之后，进行一定的结构分析也是很 有必要的。 本文针对在强风状态下1 2 级风，分析了发电机结构中最重要的部件轴和转 子后壳的强度，确保此种类型的发电机能在最恶劣的工况下不发生结构破坏。并且对结 构做尺寸优化，减少发电机的重量。 与电磁场分析步骤类似，结构有限元分析的基本步骤为： ( 1 ) 创建有限元模型。生成模型的截面，对截面拉伸得到模型的三维模型；对模型 材料定义材料属性，如弹性模量、泊松比、材料密度等。 ( 2 ) 施加载荷并求解。施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解。 ( 3 ) 查看结果。查看分析结果，包括复合应力、各个方向的主应力、剪切应力以及 新型2 k w 小型风力发电机设计 绕度变形等，并检验在最恶劣工况下，结构会不会发生破坏。 ( 4 ) 分析支承轴的绕度变形，并确定在各个轴长的情况下，发生的绕度变形，检验 发生的变形是否会造成结构的破坏并做出变形和轴长之间的关系曲线。 ( 5 ) 对转子后壳结构进行优化处理，优化它的尺寸，减轻转子重量。 具体的分析过程将在第五章中详细叙述。 2 5 本章小结 本章结合现有各类型永磁发电机的结构特点，提出了一种新型外转子式永磁发电机， 并详细描述了发电机的设计流程。包括结构设计、计算方法以及需要确定的值、有限元 电磁场分析和结构分析的方法步骤。 1 4 广西大学硕士掌位论文新型2 k w 小型风力发电机设计 3 1 引言 第三章永磁发电机的设计计算 确定了发电机的结果类型后，则完成了整个新型永磁发电机设计的第一步，接下来 需要确定的是结果的尺寸。通过磁路计算的方法，确定发电机各个部分的尺寸，包括外 转子内外径，内定子的直径，整个电枢的长度，永磁体的尺寸等，并且通过计算参数的 修改，使发电机能够达到预定的性能指标。 得到这些尺寸和参数后，才能形成一个完整的样机模型，后面的分析计算才能顺利 进行下去。 3 2 永磁发电机的磁路结构 本新型电机属于发电机范畴，发电机的定子磁路结构有切向式、径向式、轴向式三 种磁路结构。它们之间的主要区别为： 1 ) 对于径向式磁路，在工作中，处于一个串联状态，其气隙磁感应强度接近于永 磁体工作点的磁感应强度；而切向式磁路中，永磁体处于并联工作状态，能够提高发电 机的气隙磁感应强度，做到b 。 2 ) 在漏磁方面，径向式分布，永磁体正对气隙，漏磁通较小，漏磁系数可达1 0 5 - 1 1 2 ；而切向结构中，漏磁系数一般在1 2 1 3 5 之间，减小了有效磁通的比例。 3 ) 工艺上看，径向较切向结构优势更大，而且在本论文所设计的电机中，由于采 用t j l , 转子式结构，转子内圈面积大，有利于永磁体按径向分布。另一方面，若采用切 向分布，必然增大转子厚度，这于设计的初衷不符。 因此，本论文所设计的永磁发电机为外转子式电机，永磁体为径向分布，设计的电 枢截面如图3 1 ，各块永磁铁之间使用树脂材料进行填充，材料磁导率于空气近似，且 能帮助固定永磁体。 新型2 k w 小型风力发电机设- h - 图3 - 1电机磁路示意图 f i 9 3 - 1m a g n e t i cc i r c u i to f t h em o t o r 3 。3 永磁电机的主要尺寸计算4 2 1 3 3 1 永磁体定转子计算嘲 永磁发电机的设计首先依据电机的容量、转数、材料的性能和环境条件，根据经验 选择适当的电磁负荷彳和坟，再进一步确定电机的重要尺寸及参数。 在交流电机中，电机的计算功率为： r = 埘日 ( 3 一1 ) 其中