400W永磁同步风力发电机设计

本科毕业设题 目：400W永磁同步风力发电机设计与控制系统仿真——学 专 业：电气工程及其自动化班 级：学 生：学 号指导教师： 职称：

摘要随着人类对能源的需求日趋增大而如石油煤等传统能源日益枯竭新的能源利用方式极为重要。当今对可再生能源的开发利用中,的优点而成为了研究的热点,风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实的选择。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,力机直接拖动电机转子运转在低速状态,这样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,从而提高了运行的可靠性。我国对直驱式风力发电机的研究尚处于起步阶段,运行可靠、成本较低的中小型直驱式风力发电系统非常适合于我国的偏远农村牧场供电,对改善这些地方的生产生活条件有深远的意义。首先，本文对风力发电的意义和背景作了较为全面的综400直驱永磁同步风力发电机的设计特点和电磁设计方第三运用软件进行有限元分析，验证了设计的直驱式风力发电机方案的合理性。关键词：

ABSTRACTWiththeincreasinghumandemandforenergyincreases,andsuchasoil,coalandothertraditionalenergysourcesaredepleted,toseeknewenergyuseisextremelyimportant.Todayonthedevelopmentandutilizationofrenewableenergy,thewindmadebecauseofitsoutstandingadvantagestostudythehot,windpoweristhepowerofenergy and sustainable development strategies of the most realisticoption.Direct-drivepermanentmagnetsynchronouswindturbinewindpowergenerationsystemtoremoveacommongearbox,directdrivemotorforwindturbinerotorisoperatingatlowspeedcondition,sothereisnogearboxnoisecausedbyhighfailurerateandmaintenancethecostofsuchproblems,thusimprovingreliability.Ofdirectdrivewindturbineontheresearchisstillinitsinfancy,reliable,lowcostsmallandmediumsizeddirectdrivewindpowersystemissuitableforChina'sremoteruralareas,pasture,coastalandborderpostsinthepowersupply,toimproveproductionandlivingconditionsintheseareashavefar-reachingsignificance.Firstly,thesignificanceofwindpowergenerationandbackground,thecurrentinternationalstatusofdirectdrivewindpowerandwindpowerfordirect-drivemotormadeamorecomprehensiveoverviewofthetype;Secondly,adetaileddescriptionofthepermanentmagnetsynchronouswindturbineprincipleofthedirect-drivepermanent magnet synchronous 400W wind turbine design features andelectromagneticdesign;Third,theuseofANSYSfiniteelementanalysissoftwaretoverifythedesignofdirectdrivewindturbinetobereasonable.KeyWords:Permanent;direct-drivewindpower;PermanentMagnetSynchronous

目摘要ABSTRACT目录第1章绪论1.1课题背景及选题意义1.2风能与风力发电机组1.2.1风能及其应用1.2.2风力发电机组1.3永磁同步风力发电机拓扑结构形式1.4国内外风力发电研究现状1.4.1国外风力发电现状1.4.2国内风力发电现状1.5论文研究内容及章节安排1.5.1论文主要研究内容1.5.2直接驱动事永磁风力发电机电磁计算方法1.5.3直驱式永磁风力发电机结构设计与有限元分析1.5.4章节安排第2章永磁同步发电机的结构特点及其原理2.1永磁风力发电机总体结构与设计特点2.1.1永磁风力发电机的设计特点

2.1.2永磁风力发电机的结构2.2永磁电机的结构分类和转子磁路结构2.2.1永磁同步电机分类2.2.2电机结构与工作原2.2.3永磁同步发电机转子磁路结构2.3永磁电机的等效磁路2.3.1永磁体的等效磁路2.3.2外磁路的等效磁路2.3.3永磁电机的等效磁路2.4磁体工作点2.4.1励磁电动势和气隙合成电动势2.4.2电抗参数和矢量图2.4.3外特性和电压调整率2.4.4短路特性2.4.5损耗和效率2.5设计参数及样机2.5.1主要指标与技术参数2.5.2电机主要尺寸大小2.6本章小结第3章永磁同步发电机有限元分析3.1引言3.2ANSYS11.0的介绍

3.3有限元基本理论3.3.1有限元概念3.3.2电磁场的有限元法3.4ANSYS有限元分析3.4.1利用ANSY软件进行电磁场分析的步骤3.4.2对样机的有限元分析3.5本章小结第4章永磁同步发电机电磁特性计算4.1引言4.2仿真程序4.3绕组磁链计算4.4绕组感应电动势计算4.5电磁转矩计算4.6本章小结第5章全文总结与展望5.1本文结论5.2后续工作展望参考文献致谢

图1-1普通三相同步发电机型风力发电系统图1-2双馈式风力发电机结构图1-3直驱式永磁同步风力发电系图1-4内置切向式转子磁路结图1-5内置径向式转子磁路结图1-6内置混合式转子磁路结图1-7世界风电装机总量前10图1-8历年世界风电累计装机和新增装机变化情况图2-1永磁型无轴承电机原图2-2永磁同步发电机的横截面示意图图2-3切向套环式转子磁路结构示意图图2-4径向瓦片形永磁体转子磁路结构图2-5永磁材料的内禀曲线和退磁曲线图2-6永磁体等效成磁通源图2-7永磁体等效成磁动势源图2-8空载时外磁路的等效磁路图2-9负载时外磁路的等效磁路图2-10负载时永磁电机的等效磁路图2-11永磁同步发电机几种典型向量图图2-12同步发电机的外特性

图2-13永磁同步发电机的稳态短路时的相量图图3-1三角形单图3-2四边形单图3-3模型示意图3-4DW470-50硅钢片退磁曲线图3-56号材料的B-H曲线图3-69号材料的B-H曲线图3-7网格划图3-8转子铁芯示意图3-9定子示意图3-10气隙示意图3-11永磁体结构示意图3-12永磁体N极示意图3-13永磁体S极示意图3-14电机0度示意图3-15电机5度示意图3-1636槽示意图图3-17空载磁力线分布图图3-18空载下的磁场强度矢量分布图3-19空载下的磁感应强度矢量分布图

图4-1槽电势星形图4-212个线圈磁通图4-3总磁图4-4磁链曲图4-5感应电动图4-6电磁转表1-1世界风电装机总量前10表1-22009—2014年五大风电应用国家装机容量及复合年增长率表1-3中国2001年至2009年风能发展状况表1-42006—2009年中国风电市场主要供应商及其市场份额表2-1各种电机的性能比表2-2电路和磁路的相似性表2-3电机主要指标与参表2-4电机主要尺寸大表4-1永磁同步发电机各相所属槽号分配

第1章 绪1.1课题背景及选题意义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根据石油储量的综合估算可以支配的化石资源的极限大约为1180亿吨~1510亿吨以1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算石油储量大约在2050年左右宣告枯天然气储量估计131800~152900年开采量维持在2300兆立方米将在57~6年内枯煤的储量约为56001995年煤开采量为33亿吨也只可再供应169年届时地球的能源已经无法满足能源的需求实际上随着世界人口的不断增加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这些有害气体污染空气毒化水质且能够形成酸雨害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计到达地球的太阳能中虽然只有约2%全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW用的水能总量还要大10倍。近年来风力发电一直保持快速增长从2005年到2007年风电装机容量年增长率超30%，据统计，2007年底，全球风力发电新增装机容量19791MW，总装机容量达到94005MW，比2006年增加了27%，全球风电占总发电量的比例已超过1%。2007年底，欧洲风电总装机容量为56824MW，占全球风电总装机容量的41.9%。2007年，亚洲新增装机容量为5010MW，总装机容量达到13973MW，迄今为止，全球已有70风力发电和水力发电一起有效地改善了这些国家的电力结构染对保护地球起到了重要的作用我国幅员辽阔海岸线长资源。2007年，中国气象局风能太阳能资源评估中心对中国风能资源的评估结果如陆地离地面50米高度风能资源技术可开发面积约54可开发量约为26.8亿kW；在离岸20千米的海域范围内，技术可开发面积约为3.7万平方千米技术可开发量约为1.8亿kW28.6亿kW。

我国沿海及其岛屿风能资源丰富主要分布在辽宁河北山东江苏海广西和海南等省市区我国当前的电力结构很不合理电占我国电力供应的80%虽然我国煤炭产量占世界总产量的36.5%量只占世界总储量的13%问题另外煤炭发电对环境的污染有很大影响我国大气污染及酸雨不断加剧的主要原因量的50%近年来已造成严重的环境污染加上化石燃料有限储量减少机日益加深，开发利用新能源已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分。我国拥有丰富的风能资源这为我国风电事业创造了有利条件发展风力发电对于中国具有非常重大的意义现代风力发电系统是非常复杂的风力机齿轮箱发电机调向机构制动机构控制单元塔架等机和发电机是主要的能量转换部件风力机把风能转换为机械能能转换为电能。由于风能的特殊性，风力机一般速度在20~200r/min于高速旋转机械传统风力发电机转速为1000~1500r/min发电机之间必须通过升速齿轮箱连接使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机转速相匹配。然而由于齿轮箱的存在带来了诸多不利箱一直处于高速旋转增加了系统损耗降低了能量利用率往往安装在偏远山区孤岛等野外的高空几十米处环境条件恶劣轮箱的工况严峻维护保养工作量大导但容量增大使齿轮箱的造价也更加昂贵成过载或过早损坏。上世纪末许多欧洲国家开展了无齿轮箱的直驱式风电机组研究额迅速扩大，德国在2004年安装的风电机组中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统在这种风电机组中完全不用增速箱用与风力机速度同步的低速多极永磁发电机直接联接风力机避免了齿轮箱带来的诸多不利这就是直驱直驱的优势还体现在整体效率高可靠性高降低机组整体重量以及大大减少维护采用见效快电力电子器件的发展也为直驱式永磁风力发电机的发展开辟了道路前性能优良的大功率电力电子器件的不断涌现和应用直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势具有广阔的发展和应用前景，国外形容其为风力发电的一场革命。我国当前的电力结构很不合理，煤炭燃料火力发电占我国电力供应的80%虽然我国煤炭产量占世界总产量的36.5%，但煤炭储量只占世界总储量的13%，煤炭发电能否满足我国经济的快速发展仍是个很大的问题另外煤炭发电对环

境的污染有很大影响剧的主要原因燃煤电厂二氧化硫排量占全国排放总量的50%重的环境污染加上化石燃料有限储量减少双重危机日益加深开发利用新能源已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分我国拥有丰富的风能资源这1.2风能与风力发电机组1.2.1风能及其应用自然界的风是可以利用的资源然而自然风的速度和方向是随机变化的风能具有不确定特点如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要课题迄今为止已提出了多种改善风力品质的方法例如采用变转速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，1纪初叶中国航海家郑和七下西洋庞大的风帆船队功不可没了广泛的应用我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水在低洼的海滩上造出良田成为著名的风车之国德国丹麦英国荷兰瑞典印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金充分综合利用空气动力学新材料新型电机计算机自动控制及通信技术等方面的最新成果开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差变速恒频及低速永磁等新型发电机开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。到了1世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风叶片经常运行在失速工况传动系统的动力输入异常不规则疲劳负载高于通常旋转机械几十倍对于这样的强随机性的综合系统其技术发展

中有下列几个关键技术问题：1）空气动力学问题空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型早期风力机设计采用简化风场模型对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。2）结构动力学问题准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键

3）控制技术问题风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行控制系统除了对机组进行并网还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率。1.2.2风力发电机组风能是一种具有随机性爆发性能量密度低不稳定性特征的能源的变化会引起风力机转速的变化如果没有必要的机械或电气控制驱动的交流发电机的转速也将随之改变恒定的并网运行的风力发电技术是20世纪80年代兴起的一项新能源技术开始就受到世界各国的高度重视因而迅速实现了商品化产业化特别是随着控制方式从单一的定桨距失速控制向全桨叶变距变速控制发展以至于向智能型控制方向发展。1. 普通三相同步发电系统在早期的恒速恒频风力发电系统中采用了普通三相同步发电机风力机与发电机之间通过齿轮箱连接风力机采用定桨距控制技术发电机通过断路器直接与电网连接这就是所谓“刚性连接”同步发电机在运行中由于它既能输出有功功率又能提供无功功率频率稳定电能质量高已被电力系统广泛采用然而由于风速时大时小随机变化作用在转子上的转矩极不稳定并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度因此把它用于到风力发电机组电压和功率进行有效的控制否则可能会造成无功振荡与失步近年来随着电力电子技术的发展在同步发电机与电网之间采用变频装置从技术上解决了“刚性连接”的问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。普通三相同步发电机型风力发电系统结构示意图如图1-1所示大风能风力机的功率控制采用变桨距调节方式发电机定子侧通过功率变换器

与电网实“柔性连接转子侧通过励磁控制器调节发电机的励磁电流以控制发电机定子侧的输出电压幅值图1-12. 双馈风力发电系统

双馈式发电机是变速运行风电系统的一种，其模型如图1-2所示，包括风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输当发电机运行在超同步速度时发电机定子和转子同时向电网输送能而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定与恒速风力机不同其功率控制方式为变桨距控制即桨叶节距角随着风速的改变而改变从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行以提高风能利用率叶片与轮毂间的轴承机构转动使叶片桨距角增大攻角减小从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭矩和限制风机捕获的功率。双馈式风力发电系统是目前世界各国风力发电的研究热点之一我国已有部分地区的风力发电场开始使用这种发电系统相对于传统的恒速发电系统其性能优势体现（1）降低输出功率的波动和机组的机械应（2）不需要无功补偿装（3）可以追踪最大风能，提高风能利用（4）控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定（5在转子侧控制功率因数，可提高电能质量；（6）变频器容量仅占发电机额定容量的25%目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制的双馈式风力机但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵。

图1-23. 直驱式风力发电系统直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合电压频率随风速的变化而变化要实现风力机组并网值、频率、相位、相序与电网保持一致。在该风力发电系统中使用直接驱动技术在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加而其轴向长度则相对很短呈圆盘形状为了简化系统的控制结构减小发电机的体积和质量采用永磁电机是具有较大的优势。直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图如图1-3所示。图1-3风电系统将发电机发出的全部交流电经整流/逆变装置转换后并入电网

需要采用大功率的电力电子器件。IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件速度快驱动功率小的优点又兼有大功率晶体管的电流能力大优点。直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。该风力发电系统具有以下优点：（1）永磁同步发电机具有结构简单、体积小重量轻损耗小效率高可靠性高的特点低速电机它能与风力机很好的匹配风力机可以和永磁发电机直接耦合了其它风力发电系统中的增速箱使机组结构大大简化并且降低噪声；（2）该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运但比起升速系统所采用的升速齿轮箱结构该系统的应用应该还是以后风电领域的一个趋势如Enercon公司生产的2M系列型号E-8采用变速变桨距无齿轮直接驱动技术。1.3永磁同步风力发电机拓扑结构形式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材料制造工艺的提高大容量风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分同步发电机，因此下面对内转子永磁同步发电机的基本原理进行介绍。在下文的叙述中没有特别说明的永磁同步发电机均为内转子永磁同步发电机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混合式和轴向式四种下面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。1）切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构中隙较远其漏磁比径向式结构要大在切向磁化结构中永磁体呈并联状态两块永磁体提供发电机的每极磁通可提高气隙磁密为突出适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机构由于永磁体和极靴的固定方式不同

构永磁材料尤其是钴永磁材料的抗拉强度低质硬而脆措施当发电机转子直径较大或高速运行时至超过永磁材料的抗拉强度个套环把永磁体和软铁极靴都固定在相应的位置图2.1结构示意图切向套环式转子磁路结构的磁通路径永磁体N套环的磁性材料段→气隙→套环的磁性材料段→软铁极靴→永磁体极路径上可以看套环的一部分是主磁路的组成部分，要求导磁性能而套环的另一部分是两磁极的间隔需要隔磁因此套环是由高精度高电阻率的磁性金属材料和非磁性金属材料交替组合用电子束焊接而成对于切向结构为了软铁极靴和套环内壁之间是主磁通的路径零件必须进行高精度加工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1-4所示。图1-41-转轴2-永磁体3-转子导条)2）径向式转子磁路结构漏磁系数较切向结构小径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通因此气隙磁密相对较低径向式转子磁路结构中永磁体的形状主要有环形星形瓦片形和矩形四种环形永磁体的结构和工艺最为简单，可以直接浇铸或粘结在发电机转轴上,机械强度高,可以在较高

的转速下运行但是永磁体的利用率不高星型永磁体提高了永磁材料的利用率可以直接浇铸或粘结在发电机转轴上结构和工艺较为简单极间通常采用铝合金浇铸保证了转子结构的整体性并且起阻尼作用既可改善发电机的瞬态性能又可提高永磁材料的抗去磁能力径向星形永磁体转子磁路结构又分有极靴和无极靴两种在星形永磁体两端装上软铁极靴使交轴电枢反应磁通经极靴闭合减弱了电枢磁动势对永磁体的去磁作用适当选择极靴的形状和尺寸可以使气隙不均匀和极弧系数适宜以改善空载气隙磁场波形和调节空载漏磁系数但结构较复杂制造费时交轴电枢反应对气隙磁场的作用大容易使负载气隙磁场严重畸变使转子直径加大导致电机外径加大为在尽可能小的转子直径内放置尽可能大的永磁体以提高气隙磁密同时考虑到永磁的矫顽力高永磁体磁化方向长度可以小近年来又多采用瓦片形永磁体和矩形永磁体图2.2为径向瓦片形永磁体转子磁路结构矩形永磁体的加工费用低磁化均匀同样永磁材料的磁性能最好以用矩形永磁体条组成以减小永磁体加工费用形永磁体极靴的形状和宽度，也就是调节极弧系数，可以改善气隙磁场波形。)))图1-51-转轴2-永磁体槽3-永磁体4-

3）混合式转子磁路结构混合式转子磁路结构是在径向和切向都放置永磁体它可以在一定的转子直径下提供更高的气隙磁密，或者可以在一定的转子直径下提供更高的气隙磁密，或者可以在气隙磁密相同的情况下缩小转子体积在切向永磁体和径向永磁体的尺寸相互位置配合合理的情况下即在额定输出功率和转子尺寸相同的情况下减少永磁体的材料用量转子内轭采用磁性材料混合式转子结构较复杂制造费时。内置混合式转子磁路结构图如图1-6所示。))d )d ))图1-61-转轴2-永磁体槽3-永磁体4-4）轴向式转子磁路结构轴向式转子磁路的代表结构是爪极式转子爪极式转子通常由两个带爪的法左右两个法兰盘对合爪极互相错开沿圆周均匀分布兰盘中间，一个法兰盘上的爪为N极，另一个法兰盘上的爪为相异、互相错开的多级转子，法兰盘上的爪起极靴作用。

1.4国内外风力发电研究现状1.4.1国外风力发电现状从装机容量上来看近几年世界风力发电的发展全球装机需求呈持续快速增长趋势短期供不应求2007年全球风力发电的累计装机容量已达到94GW较2006那年增加了27%。这些设备价值360亿美元。然而，2010年10界风能协（WWEA报告指出世界风力发电机市场在2010增长新增16GW装机容量累计装机容量大到175GW同时WWE仍有必要进一步改进国家与国际政策。

新增装机容量最大的是中国，2010年1—6月共增加7.8GW，达到33.8GW的总装机容量。美国新增装机容量有所下降，只增加了1.2GW，总装机容量36.3GW，仍位居首位。印度新增装机容量达到1.2GW相似的增长幅度，德国增加660MW；法国和英国增加500MW；意大利增加450MW；西班牙增加400MW。英国法国意大利图1-7世界风电装机总量前WWEA预计2010年全球风力发电装机新增规模将达到35~40GW与年新增38GW类似按照这一趋势发展预计到2010年底容量可达到近200GW。中古预计会新增15GW，很有可能超过美国成为风电装机容量最多的国家。

全球风能市场的增长，据BT研究报告，据新能源研究咨询机构BTM统计，全球装机容量从2001年到2009年复合年增长率26.2%，截止至2009年2月31日累计装机容量为160,084兆瓦2009年新增装机容量38,103兆瓦相比年全球范围装机容量增长31%，这一增长率创下了历年之最。显示，截至2009年全球风电累计装机容量达160,084MW。中国的累计装机容量仅次于美国排名第二，占全球总量的16%。据BT预计，到2014年底，中国的累计装机

图1-8容量将达到104,853MW，占全球总量的23%2011越美国同时BT认为在200年排名前五的国家中中国会是从200年到年这个时期内CAGR（复合年增长率）最高的国家。表1-1表1-1世界风电装机总量前

国别 装机容量/MW 百分比德国 22247 美国 16818 17.9西班牙 15145 16.10印度 8000 8.50中国 6050 6.40丹麦 3125 3.30意大利 2726 2.90法国 2454 2.60英国 2389 2.50葡萄牙 2150 2.30其余国家 13008 1310国总计 81104 86.20世界总计 94112 100

表1-22009—2014年份 2009 2010 2011 2012 2013 2009—014年复合增长率国家 （MW）中国 25,853 39,853 54,853 70,353 86,853 104,853 美国 35,159 43,159 53,159 68,159 83,159 100,159 印度 10,827 13,327 15,827 19,327 23,327 27,327 西班牙 18,784 20,784 23,284 25,284 27,784 29,784 9.7%德国 25,813 27,813 30,213 32,713 35,713 39,213 8.7%1.4.2国内风力发电现状中国风能技术在20世纪80年代后期开始发展，但是知道2005比较明显的成长。中国风力发电装机容量从2001的40兆瓦增长至2009年得25,853兆瓦，复合增长率高达68.1%。截止200年底，中国的风能装机容量已经跃居世界前两位。下表为中国2001年至2009年风能发展状况：表1-3中国2001年至2009年风能发展状况

年份 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 54 67 98 198 498 54 67 98 198 498 1,334 3,287 6,246 装机容量（MW）容 （MW长（%406 473 571 769 1,264 2,588 5,875 12,121 15.3 16.5 20.7 34.7 64.4 104.7 127 106.3 由于近年中国工业的快速发展中国政府大力推动风能行业的发展了较高的发展目标，其中有些指标已经提前超额完成。截止2009累计装机容量为25,853兆瓦这已经远远超出中国政府此前设定的2010到5GW(即5000MW)的目标。200年8月，国家发改委确定了可再生能源部分的目标称2010年中国可再生能源要达到总消耗能源的10%,2020力将达到30GW此外还包括一“规定的市场份额的政策

的主要领域，非水电可再生能源占得比例将从2010年的1%提高到2020年的3%根据IEA预测，在接下来的十年中，风能的增长速度将比其他非水电可再生资源更快些所以国家发改委制定的目标很大程度上要依靠风能行业飞速发展来实现。中国地大物博有着非常丰富的风能资源风能发展潜力巨大80年代末中国第二次风能资源勘测的结果显示以10米得高度为基准可利用的风能资源在陆地上和海上分别为253GW和750GW而根据BT究，随着现代风力发电机高度的增加，这种潜力将更加巨大。到2030有可能将取代煤炭和水力，成为中国最主要的能源之一。中国风能发展最好的地区在北部和东南沿海此外中国的内陆湖泊或其他特殊地形条件的影响一些地区还拥有丰富的风能资源在中国北部风力资源丰富的地区包括内蒙（大约150GW甘肃(大于100GW)新（大于100GW，河（大于40GW吉（大于10GW以及辽宁黑龙江和宁夏沿海岸地区最丰富的风能资源地是江苏（大于10GW，山东，浙江，福建和广东。表1-42006—2009年中国风电市场主要供应商及其市场份额企业名称 2006 2007 2008 2009本土企业 42.30% 55.92% 72.95% 国有/国有控股企业华锐风电 5.62% 20.40% 22.45% 新疆金风科技33.38% 25.25% 18.12% 东方电气 0.67% 6.75% 16.86% 国电联合动力 0.38% 5.50%湘风电能 0.24% 1.92% 3.25%上海电气风电 0.68% 2.86% 2.07%浙江运达风电1.46% 1.99% 3.73% 北重汽轮电气 0.96% 南车株洲电机 0.05% 0.91%宁夏银星能源 0.67%0.11% 中船重工海装

0.11% 非国有企业

明阳风电 1.66%

沈阳华创风能 0.09% 浙江华仪风能 常牵新誉风能 0.27% 1.18% 其他 0.09% 2.83% 55.00% 42.47% 24.65% 55.00% 42.47% 24.65% 业Vestas 23.36% 11.22% 9.60% Gamesa 15.93% 17.04% 8.14% Suzlon 0.94% 6.27% 2.06% GEWind 12.71% 6.48% 2.33% Repower ENVISION 0.22% 1.00%Nordex 2.05% 1.46% 2.31% 0.80%合资企业 3.70% 1.61% 2.40% 航天安讯能 1.55% 2.40%瑞能北方 0.06%银河艾万迪斯 0.01%1.5论文研究内容及章节安排由于直接驱动式永磁风力发电机的电磁和结构上的特殊性面的问题有电磁方面的有机械方面的同时还要考虑控制系统的影响不可能全部涉及到，本文所要做的工作主要从以下几个方面展开：1.5.1论文主要研究内容本文的研究对象是直驱式永磁同步风力发电系统直驱式永磁同步风力发电系统是一个非常复杂的控制系统涉及到的环节关联的学科门类很多本文主重点研究永磁低速同步发电机的矢量变换控制和直驱式风力发电系统的最大风能追踪控制。1.5.2直接驱动事永磁风力发电机电磁计算方法直接驱动必须采用超低速的发电机而当发电机输出电压频率不变时绕组的极数与转速成反比而电机电磁功率与转速成正比因此速电机具有相同的额定功率

体积要充分利用其圆周线速度外形为粗而短外转子，这样可充分发挥其圆周线速本提高通用性上，要求其重量越轻越好。此外低速发电机由于极数很多而受铁芯尺寸和定子槽数所限给发电机绕组设计带来很大困难致使发电机的输出电压电流波形含有较大的谐波分量转矩脉动大因此选用分数槽绕组有发电机使用在野外高空中受散热条件不好等因素影响设计时根据实际情况设计几种方案从中确定最佳方案如转子的磁路结构可根据需要选择不同的结构形式按永磁体磁化方向和转子旋转方向的相互关系进行了切向式径向式两种考因电磁负荷直接影响发电机的参数而永磁电机的转子结构多种多样磁场分布复杂计算的准确度较电励磁电机要设计一台数百千瓦级永磁电机往往要用上百块的磁钢各块磁钢之间的漏磁以及磁钢离散分布造成的电机轴向端部漏磁难以仅“路的方法来分析故在设计中采用“场“路”结合的方法重点进行分析。又因为增大频率可以减小需要磁钢的体积提高磁钢的利用程度但频率与极数成正比在设计发电机是要选取合适的极对数以缩小发电机的体积减轻其重量同时在保证足够的机械强度和磁通密度允许的情况下应尽量减小齿宽和轭厚以扩大槽面积增大定子绕组导线面积降低铜耗最后还要考虑永磁电机在运行发热时，永磁体的失磁情况。

1.5.3直驱式永磁风力发电机结构设计与有限元分析在设计永磁电机时为了充分利用永磁材料缩小永磁体和整个电机的尺寸，应该力求用最小的永磁体体积在气隙中建立具有最大磁能的磁场同时要考虑永磁体的强度和刚度以及永磁体的加工、装配等工艺问题。因该发电机是超低速、大功率的其振动散热问题还应加以考虑且该发动机直径大转子直接耦合在风轮上以及发电机本身固有的转矩脉动其结构必须牢固能经受风速急骤变化的冲击，而不发生破坏。在第二章中对发电机的结构有了比较清楚地了解接下来是对所设计的电机进行分析有限元分析是对永磁同步发电机特性分析及计算的一种有效方法二维和三角形单元对大多数电机设计问题来建模。1.5.4章节安排第一章绪论，简述课题背景，风能研究现状和永磁同步发电机简介。

第三章永磁同步风力发电机有限元分析。第四章永磁同步风力发电机电磁特性计算。第五章全文总结与展望。

第2章永磁同步发电机的结构特点及其原理2.1永磁风力发电机总体结构与设计特点

2.1.1永磁风力发电机的设计特点（1）发电机的运行环境恶劣，要求发电机安全可靠性高，能防雨雪、防沙尘。因此电机的定子电密比传统电机的取值要小，以降低发电机运行温升。

（2）由于发电机由风轮直接驱动故要求发电机的额定转速非常低要充分利用其圆周线速度，缩小体积，形成直径大而轴向长度短的结构。

（3）要求发电机起始建压转速低以最大限度的提高风能利用系数因此要合理地选择绕组匝数和铁芯长度。

（4）发电机的转矩脉动尽量小以使系统平稳运行发电机输出电压波形尽量成正弦波而低速发电机由于极数很多而电机外径不能太大限不能像传统电机那样采用正常的分布和短路绕组组来削弱高次谐波，减小转矩脉动。2.1.2永磁风力发电机的结构永磁电机和电励磁电机一样他是由定子和转子两部分组成定转子之间是气隙定子上有n相绕组他们在空间上彼此相差360/n电角度每相绕组的匝数相等转子磁极为永磁体由他向气隙提供磁通，其磁通从转子永磁体N极出来，经过气隙、定子铁心、气

隙进入转子永磁体S极而构成回路从而实现能量传递使电机向外提供电能。按转子位置可分为外转子内转子和盘（横向转子结构带永磁极的转子在外嵌有定子绕组在里面电机运行时外转子旋转于几十M级风力发电机对于几十KW的永磁电机一般采用与异步电机Y列相似的结构即内转子结构这样便于制造提高其通用化标准化盘式结构国外生产的很多，如法国法马通公司生产的转速范围为0~25r/min的750KW盘式双定子闭式回路水冷的永磁风力发电机。

盘式永磁电动机的气隙是平面型的气隙磁场是轴向的所以又称为轴向磁场电机1821年法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场盘式永磁电机。限于当时材料和工艺水平盘式永磁电机未能得到进一步发展然而认识到普通圆柱式电机存在一些弱点如冷却困难和转子铁芯利用率低等永磁电机的优点逐渐引起人们的重视。盘式永磁电机是由两个对等的盘型定子和一个转子组成双气隙磁场沿轴向

转子为高磁能积的永磁薄圆柱或扇形片和强化纤维塑料灌封构成薄圆盘另外一种结构为中间是定子两边由双转子组成双气隙结构其可根据容量不同由多段定子和多盘转子交替排列组成多气隙、多盘式结构。2.2永磁电机的结构分类和转子磁路结构2.2.1永磁同步电机分类小型风力发电机系统主要由以下几个部分组叶片发电机塔架其中叶片组成的叶轮起吸收风能的作发电机将风能转化成电能并输出到储能设备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回转机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。1) 永磁同步电机交流电机可分为同步电机和异步电机间有严格不变的关系n=60f/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立可控的由于永磁电机不需要直流励磁电源励磁机、自励系统等。2) 永磁直流电机永磁直流电机除了具有普通永磁直流电机所具有的下垂的机械特性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构简单运行可靠等特点与交流发电机特别是交流同步发电机相比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。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的有换相器和电刷组成的机械接触机构因此没有换相火花直流电机极为相似，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在外面的定子上，这样，除了无换相火花外，还有热电阻较小，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。3) 永磁无轴承电机

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突破了传统电机的运行机理以全新的概念构成了高转速换装置，使其在高速电机传动领域具有广泛的应用前景。图2-14) 永磁盘式电机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越的动态性能由于其具有短轴薄型的特点因此在小型风力发电储能系统、电动汽车驱动等许多场合均有广泛的应用前景。5) 其他电机的分类并不是固定的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的下表中表2-1示出了各种电机的性能比较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的新型结构永磁同步发电机。表2-1各种电机的性能比较

性能 直流电机 异步电机 同步电机电机结构 复杂 简单 效率 低 高 高转动惯量 大 小 小功率密度 低 较高 很高维护工作量 大 小 小

2.2.2电机结构与工作原永磁同步发动机的运行原理与电励磁同步电机相同磁通替代后者的励磁绕组励磁结构简单降低了成本靠性以及功率密度。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也可以采用叠片叠加而成。图2-3为一台永磁同步发电机的横截面示意图。图2-21-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极出来经气隙气隙，进入转子极而形成闭合回路。2.2.3永磁同步发电机转子磁路结构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。(1)切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构中隙较远其漏磁比径向式结构要大在切向磁化结构中永磁体呈并联状态

两块永磁体提供发电机的每极磁通可提高气隙磁密尤其在极数多的情况下更为突出。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式结构和切向槽楔式结构永磁材料尤其是钴永磁材料的抗拉强度低脆如果转子上无防护措施当发电机转子直径较大或高速运行时承受的离心力已接近甚至超过永磁材料的抗拉强度发电机转子外表面加一个套环把永磁体和软铁极靴都固定在相应的位置图23为切向套环式转子磁路结构示意图，切向套环式转子磁路结构的磁通路径永磁体极→软铁极靴→套环的磁性材料段→气隙→套环的磁性材料段→软铁极靴→永磁体要求导磁性能高精度高电阻率的磁性金属材料和非磁性金属材料交替组合成对于切向结构为了减少漏磁转子里面的衬套必须由非磁性材料构成永磁体和软铁极靴之间软铁极靴和套环内壁之间是主磁通的路径行高精度加工。1-极靴 2-套环（磁性材料段）3-套环（非磁性材料段）4-5-永磁体 6-非磁性衬套 7-转轴

图2-3切向套环式转子磁路结构示意图(2)径向式转子磁路结构漏磁系数较切向结构小径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通因此气隙磁密相对较低径向式转子磁路

结构中永磁体的形状主要有环形、星形、瓦片形和矩形四种。环形永磁体的结构和工艺最为简单可以直接浇铸或粘结在发电机转轴上机械强度高,可以在较高的转速下运行。但是永磁体的利用率不高，目前主要应用于微型和小功率发电机星型永磁体提高了永磁材料的利用率粘结在发电机转轴上结构和工艺较为简单极间通常采用铝合金浇铸转子结构的整体性并且起阻尼作用既可改善发电机的瞬态性能磁材料的抗去磁能力。径向星形永磁体转子磁路结构又分有极靴和无极靴两种在星形永磁体两端装上软铁极靴使交轴电枢反应磁通经极靴闭合减弱了电枢磁动势对永磁体的去磁作用适当选择极靴的形状和尺寸可以使气隙不均匀和极弧系数适宜以改善空载气隙磁场波形和调节空载漏磁系数但结构较复杂制造费时交轴电导致电机外径加大。

为在尽可能小的转子直径内放置尽可能大的永磁体以提高气隙磁密同时考虑到永磁的矫顽力高永磁体磁化方向长度可以小磁体和矩形永磁体图2.4为径向瓦片形永磁体转子磁路结构工费用低磁化均匀同样永磁材料的磁性能最好永磁体条组成以减小永磁体加工费用极靴的形状和宽度，也就是调节极弧系数，可以改善气隙磁场波形。1－套环2－永磁体3－非磁性材料4－磁性材料衬套5图2-4径向瓦片形永磁体转子磁路结构2.3永磁电机的等效磁路好所谓磁路是指磁通所经过的一条或者几条路径在电机中

电机有其不同的磁路形式不同永磁体放置方法构但就其实质而言各类电机中的磁路构成都是一致的对于电路数人所熟悉实际上电路和磁路有很多相似之处路只是来分析研究磁路。表2.1列出了电路和磁路相似性的比较。表2-2电路 单位 参数 单位 参数 式电流 I A 磁通 Ф 电压 U=IR V 磁压降 Um=HL A电动势 E V 磁动势 F A电阻 R=ρ(L/S) Ω 磁阻 Rm=L/μS 电导 G=1/R S 磁导 Λ=1/Rm 电流密度 J=I/S A/m2 磁感应强度 B=Ф/S 由于在电机内部实际存在的是多种形式的三维交变电磁场要求出电机的动稳态性能就要准确地知道电磁场在空间的分布情况和随时间的变化规律但是这是比较困难的为了简化计算所谓等效的磁路是指各段磁路上的磁压降等于磁场内对应点之间的磁压降为在各段磁路中磁通沿截面均匀分布，各段中磁场强度保持为恒值(与此有出入时，用各种系数进行适当修正)，当积累了一定经验，得到各种实际的修正系数后其计算精度可以满足工程实际的需要问题中仍然被采用称“场化路的方法这样可以大大减少计算时间案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时更为实用。永磁电机磁路构成一般包含永磁体软磁材料工作气隙三个部分永磁体是磁路中的磁势源而当磁通流经软磁材料时造成磁势降落并产生损耗

(电机中的铁耗)气隙是构成磁路的一个重要环节，在磁势源的作用下，气隙中的磁通量Φδ是决定电机尺寸影响电机性能的重要参数之一电机的合理设计应该使磁势的主要部分降落在气隙永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的，永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁电机的等效磁路分为永磁体和外磁路两部分。2.3.1永磁体的等效磁路为了便于分析研究先从退磁曲线为直线

料着手，导出磁通源和磁动势源两种等效磁源，然后推广应用到其他永磁材料。在均匀磁性材料中，磁感应强度B,磁化强度和磁场强度H之间的关系为：B=μ0M+μ0H 内禀磁感应强度为：Bi=μoM=B-μ0H 永磁材料的磁化强度M=Mr+χH，式中M为剩余磁感应强度，对于特定的永磁材料是个常量。χ为永磁材料的磁化系数，一般情况下是磁场强度的函数，与相对回复磁导率间存在的关系为1μ=+χ。由此，上面两式变为：B=μ0(Mr+χH)+μrH=μ0Mr+μrμ0H Bi=μ0(Mr+χH)=μ0Mr+(μr-1)μ0H 磁场强度取绝对值时B=μ0M–μrμ0H=Bir–μrμ0H Bi=Bir-(μr-1)μ0H 图2.3(a)示出了永磁材料典型的内禀曲线及退磁曲线由图可知在0~H内禀曲线为略微下垂的直线1下垂斜率为(μr-1)μ0为便于分析引入一个虚拟内禀曲线，它在0~H范围内为Bi=Bir=μ0Mr的一条水平直线，如图2.3(a)中的虚线1’所示。a)B-H曲线 b)Φ-F图2-5永磁材料的内禀曲线和退磁曲线在永磁电机中永磁体对外表现是磁通Ф和磁势F因此计算时，通常计算Ф=f(F)曲线。假设永磁体在垂直于充磁方向上的截面积都相同充磁方向长度均匀磁化均匀则只要将B=f(H)提供每极磁通的截面积横坐标乘以每对极磁路中永磁体磁化方向长度图2.3(a)的B=f(H)曲线转换为图2.3(b)的Ф=f(F)曲线。由式(2.6)得

BAm×10-4=BirAm×10-4-μrμ0HAm×10-4Фm=Φr-Φ0 式中：Am——永磁体提供的每极磁通的截面积(cm2)；

Фm——永磁体向外磁路提供的每极总磁通(Wb)，Фm=BAm×10-4；

Фr——永磁体虚拟内禀磁通(Wb)对于给定的永磁体性能和尺寸它是一个常数，Фr=BirAm×10-4=BrAm×10-4；

Ф0——永磁体的虚拟内漏磁通，或叫虚拟自退磁磁通(Wb)，hmp (μrμ0AmФ=μrμ0HAm×10-4= μrμ0Am ×10hmp (μrμ0Am(2.8)(2.8)式中：

Λ0——永磁体的内磁导(H)

Λ0=μrμ0Am ×10-2hmp (μrμ0Am)

hMp——每对极磁路中永磁体磁化方向长度(cm)；Fm——每对极磁路中永磁体两端向外磁路提供的磁动势(A)，Fm=Hhmp×10-2。

永磁电机在运行过程中永磁体向外磁路提供的磁动势F和磁通Φ都是变化的，计算比较麻烦。经过上述处理后，可将永磁体等效成一个恒磁通源Φr与一个恒定的内磁导Λ0想并联的磁通源如图2.4所示正如电路中电压源和电流源可以等效互换一样磁路中的磁通源也可等效成磁动势源。由式(2.6)得μrμ0Am

hmp (μrμ0Amhmp (μrμrμ0Am

hmp (μrμ0Amhmp (μrμ0AmHhmp×10-4=Λ0Fc-Λ0Fm或 Fm=Fc-（Фm/Λ0） 式中：

Fc——永磁体磁动势源的计算磁动(A)它是一个常数，Fc=Hchmp×10-2

图2-6永磁体等效成磁通源 图2-7因此，永磁体也可以等效成一个恒磁动势源F与一个恒定的内磁导Λ0联的磁动势源，如图2.所示。它与图2.4换。在应用时可以根据不同的使用场合，从方便出发进行选择。2.3.2外磁路的等效磁路在永磁电机中，永磁体向外磁路提供磁通Φm，该磁通大部分与电枢绕组匝链是实现电机能量转换的基础称为主磁通(即每极气隙磁通)Φδ不与电枢绕组匝链在永磁磁极之间永磁磁极和结构件之间形成磁场磁通Φσ。它们所经过的磁路分别称为主磁路和漏磁路，对应的磁导分别为主磁导Λδ和漏磁导Λδ永磁体向外磁路提供的总磁通Φ与外磁路的主磁通Φδ被称为漏磁系数σ在电机永磁材料的形状和尺寸况下σ还随负载情况不同即主磁路和漏磁路的饱和程度不同而变化常数。σ=Φm/Φδ=(Φδ+Φσ)/Φδ=1+Φσ/Φδ 永磁电机的主磁路包括气隙、定(转)子齿、轭等几部分，可以用通常的磁路计算法求取在主磁通Φδ一定的情况下各段磁路磁位差的总和∑F，得出Φδ=f(∑F)曲线。则在某一Φδ时主磁路的主磁导Λδ=Φδ/∑F 式中：

Φδ——

∑F——每对极主磁路的总磁位差(A)。由于主磁路中有铁磁材料，其磁位差通常不能忽略，因此主磁导不是常数，它随主磁路的饱和程度不同而变化。漏磁导的计算更为复杂，并且很难计算得十分准确有的电机漏磁路路径大部分是空气则Φδ=f(∑F)基本上是条直线，即漏磁导基本上是个常数，有的电机Φδ=f(∑F)是曲线，即漏磁导不是常数，这时需要通过电磁场计算来求取。永磁电机实际的外磁路比较复杂，分析时可根据其磁通分布情况分成许多段，再经串、并联进行组合。主磁导和漏磁导是各段磁路磁导的合成在空载情况下外磁路的等效磁路如图2.6所示。图2-8从等效磁路图可以看出的合成磁导与主磁导之比，因此空载时的漏磁系数还可以用磁导表示为σ0=(Λδ+Λσ)/Λδ=1+Λσ/Λδ 当电机带负载运行时，电枢绕组中的电流产生电枢反应磁场，主磁路中增加了电枢磁动势设每对极磁路中的电枢磁动势为Fa(又有交轴电枢磁动势的等效作用)其相应的等效磁路如图2.7(a)所示根据对励磁磁场作用的不同，F起增磁或去磁作用。

a)原等效磁路 b)图2-92.3.3永磁电机的等效磁路将图2.7与图2.4或图2.5合并，得到负载时永磁电机总的等效磁路，如图2.8所示。令Fa=0的具体构成将有所区别。a)原等效磁路 b)图2-10负载时永磁电机的等效磁路2.4磁体工作点2.4.1励磁电动势和气隙合成电动势永磁同步发电机在空载运行时

动动势E0(V)

势Eδ(V)，计算公式如下：0 4.4fNKd0K 4.4fNKdK其中：f—电源频率；N—电枢绕组每相串联匝数；Kdp—电枢绕组的绕组系数；φδ0—每极空载气隙磁通；φδN—每极气隙合成磁通；Kφ—空载气隙磁通和气隙合成磁通需要根据所选用的永磁材料性能转子磁路结构形式和具体尺寸，运用电磁场数值解法求出。2.4.2电抗参数和矢量图电抗参数对同步发电机的性能和特性影响很大。电抗之间有如下关系：

Xd Xad X Xq Xaq X 式中Xad—直轴电枢反应电抗；Xaq—交轴电枢反应电抗；Xd—直轴同步电抗；Xq—交轴同步电抗；Xσ—漏抗。直轴电枢反应电抗指单位直轴电流在直轴磁路产生的交变磁链在电枢绕组中所感应电势的大小其它电抗的物理意义与其类似数与电励磁同步发电机有两点重要区别：(1)由于永磁体的磁导率低且它又是磁路的一部分的电枢反应电抗Xad、Xa比电励磁发电机小。(2)对于电励磁凸极同步发电机，一般有Xad>Xaq，这是因为直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导而对于径向磁化结构永磁同步发电机交导近似相等，故Xad≈Xaq，而对切向磁化结构的永磁发电机，Xad<Xaq。永磁同步发电机负载运行时场的分布和大小又影响永磁体的工作状态关系对于有极靴的转子磁路结构由于永磁体的磁导率很小通主要经极靴闭合当极靴有足够高时电枢反应对永磁体几乎没有影响作用是可逆的当负载去掉后气隙磁场能回到原来的形状路结构交轴电枢反应磁通经永磁体闭合使永磁体一侧去磁另一侧增磁而需要进行永磁体最大去磁工作点的校核计算，以防止产生不可逆去磁。由于永磁同步发电机得转子磁路结构多种多样在分析电枢反应时对具体的磁路结构运用电磁场数值解法进行图如图2-4所示。

)O))O(e)图2-112.4.3外特性和电压调整率同步发电机在负载变化时由于漏阻抗压降和电枢反应的作用压发生变化对永磁同步发电机漏阻抗压降的作用与电励磁电机时相同的别较大的是电枢反应的影响同步发电机常为感性负载电枢反应是去磁的电压将随负载增加而下下降，因此外特性是下降的。永磁同步发电机的电枢反应去磁作用比电励磁电机小磁电机下降得小，电压调整率也就比电励磁电机小，图2-11发电机的外特性图中实线为永磁发电机外特图2-1同步发电机的外特性永磁同步发电机制成后气隙磁场难以调节为使其能得到大量推广对永磁同步发电机固有电压调整率有严格要求固有电压调整率的措施。发电机的固有电压调整率ΔU(%)是指在负载变化而转速保持不变时所出现的电压变化其数值完全取决于发电机本身的基本特性用额定电压的百分数或标么值表示：

图2-12ΔU=(E0-U)/UN×100 式中：U——发电机输出端电压。从上式可以看出，为了降低电压调整率，必须在给定E0值的情况下尽量增大输出电压，为此既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通量，又要减少电枢电阻R1和漏抗X1。(1)为了降低电枢反应引起的去磁磁通量即增大永磁体的抗去磁磁动势为此应选用矫顽力H大回复磁导率μr小的永磁材其次，需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导以消弱电枢反应对永磁体的去磁作用，为此应选用剩磁密度Br提供每极磁通的面积，这时磁通明显增加，可以有效减少每相串联匝数。(2)为了减少定子漏抗

X1，需要选择宽而浅的定子槽型，减少绕组每相串联匝数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度；适当加大气隙长度，加大长径比等。(3)为了减少电枢电阻，需减少电枢绕组每相串联匝数和增大导体截面积。在上述措施中都将导致耗用更多的永磁材料所以在满足规定的性能指标的前提下，合理地选择各参数，尽量减少永磁材料的用量。2.4.4短路特性永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路和瞬态(冲击)短路通常大于稳态短路电流，但计算比较复杂，工程上常常先求出稳态短路电流倍数，然后乘以经验修正系数后得出瞬态短路电流倍数。

图2-13永磁同步发电机的稳态短路时的相量图短路电流对永磁体去磁作用的大小，除与短路电流倍数有关外，还取决于转子磁路结构形式和空载漏磁系数的大小。对于有软铁极靴、极间浇铸非磁性材料、转子上安放阻尼笼等有阻尼系统的磁路结构，瞬态短路电流对永磁体的去磁作用大大减弱，并接近于稳态短路电流的去磁作用。对于无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电阻率很大，几乎没有阻尼作用，瞬态短路电流的去磁作用很大。2.4.5损耗和效率我前面已经提到效率高是永磁同步发电机的一大优点下与电励磁同步发电机比较而言的。永磁同步发电机的高效率，可以归纳一下各项原因：

(1)无励磁损耗和电刷滑环摩擦损耗；

(2)转子表面光滑，使发电机旋转时的风阻损耗大为降低；

(3)当发电机负载增大时，永磁发电机铁损耗可近似看做是不变的，电励磁发电机外特性软随负载的增大必须同时增加其气隙磁通量变，故铁损耗也相应增大，效率降低。

2.5设计参数及样机2.5.1主要指标与技术参数所设计的电机主要指标与技术参数是对电机运行最基本的参数计出的发电机所要达到的目标。其主要指标与技术参数见如下表2-2所示。表2-3电机主要指标与参数电机额定功率 400W相数 连接方式 Y极数对p 6额定相电压 20V额定转速 额定频率 功率因数 0.92.5.2电机主要尺寸大小电机主要尺寸大小是确定电机的重要参数决定性的意义。其参数如表2-3。表2-4电机主要尺寸大小

气隙长度δ（m） 0.0005 永磁体磁化方向长度bM(m) 长径比λ 1.00000 永磁体径向长度LM(m) 0.024定子内径D1（m） 0.0431 永磁体体积VM(m3) 定子外径D2（m） 0.0675 永磁体截面积SM(m2) 定子长度L2(m) 0.14354 永磁体宽hM(m) 2.6本章小结 本章分析了永磁同步发电机的基本原理转子磁路结构形分析从分析永磁体的模拟模型着手导出了永磁体的两种等效磁路的磁路计算方法既适用于计算机求解又概念清楚

结合后还可以大大提高计算精度。本章重点分析了永磁同步发电机的运行性能，对电机空载及负载时的励磁电动势和气隙合成磁动势作了分根据永磁发电机的磁路特点分析了其电抗参数与电励磁同步发电机的区别并论述了永磁同步发电机中的直轴和交轴电枢反应电抗的求解方并研究降低永磁发电机固有电压调整率的一些措最后对短路电流倍数的求取方法电动势波形的改善以及永磁同步电机的损耗与效率进行了分析对于后面第三章对发电机的ANSY有限元分析和第四章运用ANSYS编程计算电磁特性打下基础。

第3章3.1引言在第二章中对发电机的结构有了比较清楚地了解接下来是对所设计的电机进行分析有限元分析是对永磁同步发电机特性分析及计算的一种有效方法二维和三角形单元对大多数电机设计问题来建模。3.2ANSYS11.0的介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSY它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，Pro/Engineer，NASTRANAlogorI-DEASAutoCAD等是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来航空航天汽车工业生物医学桥梁建筑电子产品重型机械微电机系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分（可进行线性分析非线性分析和高度非线性分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示梯度显示矢量显示迹显示立体切片显示透明及半透明显（可看到结构内部出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。3.3有限元基本理论

3.3.1有限元概念有限元分析(FiniteElementMethod)这个名字是在1960

基础上变分原理在有限元方法建立的其普遍性的理论基础种结构工程高信誉为数值方法被广泛和成功地用于促进其他工程领域这个问题。1965年，Wins有限元法首次应用于电机工程问题。196的有限元方法推广到电磁场发展至今在电气工程领域有限元法已成为电磁构成一个先进，实用的基础上计算各种包。传统的有限元方法的变分原理，对需要解决微分方程的数学模型—相应的变分问题即功能性极值问题的价值问题然后用三角插值函数的变分问题变成一个普通的极值问题即归结为代数方程组的多未知的数值解的边界值问题。有限元方法的主要特点维持一个独立的物理意义明确的过程中，优秀的问题解决能力适合于计算机程序设计促进了应用数学的发展因应在工程分有限元方法和数值积分相结合形成一个单一的标量磁位法对偶互补有限元法和其他新方法不断涌现使得有限元方法的