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小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計
摘要：本文根據(jù)自己長期小型發(fā)電設(shè)備設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)有小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機的特點，介紹了目前對永磁同步電機設(shè)計在電機結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)子外殼、軸等結(jié)構(gòu)上進行改進的設(shè)計和計算方法。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機;永磁式;設(shè)計;風(fēng)力;小型;
前言
我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，對于能源的依賴較多。而能源對我國環(huán)境污染嚴(yán)重，需要大力開發(fā)清潔能源，加上國家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因為屬清潔能源，對環(huán)境無污染而被廣泛利用。
目前的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)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(yán)格要求的系統(tǒng)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，無需外加勵磁裝置，無需換向裝置，具有效率高、壽命長等優(yōu)點。但是由于其勵磁不能調(diào)節(jié)，從而使得電壓調(diào)整率較高，輸出電壓波動范圍較大。傳統(tǒng)的全橋式調(diào)整依然會存在一些電壓尖刺，對蓄電池的壽命影響很大。因此，需要對永磁同步電機進行設(shè)計改進，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、高性能的特點，以滿足小型風(fēng)力發(fā)電的實際需要。
1.永磁同步電機改進研究方向
1.1.電機結(jié)構(gòu)方面
永磁電機的結(jié)構(gòu)隨著其技術(shù)發(fā)展，已有多種形式，主要有：永磁同步電機、永磁無刷直流電機，另外還有永磁盤式電機、永磁無軸承電機等特種電機。它們的設(shè)計準(zhǔn)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(yīng)、高速運行提高電磁效率。
1.2.優(yōu)化設(shè)計方面
在稀土永磁材料價格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇水磁體的工作點，使之在滿足電機性能指標(biāo)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(nèi)部機構(gòu)尺寸的參數(shù)，保證在同等電機性能下，電機的結(jié)構(gòu)更合理，體積最小。
1.3.磁場分析計算和數(shù)值方法的研究
傳統(tǒng)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間，在初始估算、設(shè)計方法比較時比較適用，由于永磁電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越多樣化，磁場分布也變得更加復(fù)雜，僅依靠這種分析方法已難以描述電機內(nèi)部磁場的真實情況。
永磁電機設(shè)計中，除了電機新結(jié)構(gòu)的發(fā)明創(chuàng)造外，最重要的發(fā)展是用有限元方法進行磁場分析。為了充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)異性能，永磁電機的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電機有很大的差別。永磁電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，永磁材料的磁特性為各向異性等，這些都給磁場分析帶來了新的課題。對于一些復(fù)雜的磁場環(huán)境，除了需要進行一維分析外，還需要進行二維分析，除了靜態(tài)分析外，還需要進行瞬態(tài)分析。
2.永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)改進的設(shè)計
2.1.同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)
同步電機作為交流電機的一種，其最大的優(yōu)點是轉(zhuǎn)速與頻率間有嚴(yán)格不變的關(guān)系n=60f/p，即當(dāng)電源頻率恒定時，電動機轉(zhuǎn)速不變，且與電源頻率成正比。異步電機則沒有這個優(yōu)點。而且，同步電機定、轉(zhuǎn)子兩方磁場是相互獨立、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說省去了勵磁機、自勵系統(tǒng)等。
2.2.同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)改進設(shè)計
發(fā)電機結(jié)構(gòu)上改進設(shè)計主要有：定子硅鋼片、轉(zhuǎn)子外殼、軸的和軸承等方面設(shè)計。
2.2.1.定子硅鋼片設(shè)計
電機選用硅鋼片時需要注意幾個要點：低鐵損、高磁導(dǎo)率、硬度合適、耐蝕性能良好等。發(fā)電機采用牌號為DW360―50的無取向冷軋硅鋼片，其厚度為0.5mm。冷軋硅鋼片的疊壓系數(shù)能夠達到0.98，比熱軋約高3%，考慮到加工工藝，預(yù)選取疊壓系數(shù)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，在尺寸特別小的時候還采用圓形槽結(jié)構(gòu)。沖片數(shù)量根據(jù)電樞計算所得到的定子長度來確定，通過沖片壓板將沖片壓裝在定子支承軸上，并采用斜槽結(jié)構(gòu)，斜槽的扭轉(zhuǎn)寬度正好等于一個槽距。
2.2.2.轉(zhuǎn)子外殼設(shè)計
為了便于安裝永磁體、便于對電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行維護，電機所設(shè)計的轉(zhuǎn)子外殼分成三個部分，包括：轉(zhuǎn)子前殼、轉(zhuǎn)子后殼和轉(zhuǎn)子外殼，通過螺栓連接成一個整體。做成三個部分的好處是，各個部分都可以使用鋼材或鋼管車削而成。在加工過程中，可以根據(jù)需要，隨時將三個部分臨時進行組裝，組合起來進行精加工，可以保證整個設(shè)備的加工精度。轉(zhuǎn)子外殼用于安裝永磁鐵，需要在其內(nèi)表面銑出凹槽。轉(zhuǎn)子前后殼需要安裝軸承，其結(jié)構(gòu)根據(jù)軸承計算獲得尺寸設(shè)計。轉(zhuǎn)子后殼還需要和葉片連接。
2.2.3.軸的設(shè)計
電機的支承軸可以劃分成四個部分：兩個用于和軸承裝配的軸段，一個安裝定子矽鋼片的軸段，另一個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(shè)計軸的長度時，需要注意葉片于塔架之間的間距問題，因此在電機到基座之間，軸應(yīng)該預(yù)留一段長度，并通過后續(xù)有限元分析，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，優(yōu)化這段尺寸。
2.2.4.軸承的設(shè)計
軸承的選用和計算是很關(guān)鍵的一個部分，它的確定，是發(fā)電機中幾個主要結(jié)構(gòu)尺寸確定的前提條件，如轉(zhuǎn)子前后殼、軸等。
2.2.5.設(shè)計時，除了這些主要零部件需要確定外，還需要考慮以下幾個方面的問題：
2.2.5.1.發(fā)電機整體的密封問題。在發(fā)電機的各個連接部分存在防水、防塵問題。如在轉(zhuǎn)子前后殼與轉(zhuǎn)子外殼連接部分做出凸臺、軸承蓋選用的密封件、轉(zhuǎn)子后殼的一端做成密封形式等。
2.2.5.2.轉(zhuǎn)子后殼二端螺孔問題。由于轉(zhuǎn)子后殼二端是密封的，為了方便維護安裝在這個附近的軸承，需要做一個螺孔，用于頂出軸承，并且在平時需要用螺栓將孔密封。
2.2.5.3.葉片葉柄表面保護問題�？紤]到新型葉片材料采用的是玻璃鋼，為了防止安裝時，螺栓將葉片葉柄表面壓壞，需要設(shè)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，著眼點不同，計算過程中的側(cè)重點也不相同。直接計算方法計算過程簡單，誤差較大，但在電機設(shè)計初步階段對計算要求不高的前提下，其設(shè)計計算的誤差尚可以接受，可以與后期的試驗分析相結(jié)合進行修改，最后得到結(jié)果。
在確定了永磁電機的類型、應(yīng)用的環(huán)境以及所需要達到的設(shè)計指標(biāo)后，通過電磁理論計算與電機外形結(jié)構(gòu)計算相結(jié)合的方法對電機進行初步設(shè)計，然后，再通過后續(xù)的試驗分析修正所計算的結(jié)果，最后達到設(shè)計目的。
3.1.設(shè)計計算指標(biāo)
電機的計算指標(biāo)為：
額定功率PN=2KW;
相數(shù)m=3，Y型連接;
極數(shù)對P=6;
額定相電壓UN=50V;
額定轉(zhuǎn)速nN=300r/min;
額定頻率 =30Hz;
功率因數(shù)cos=0.9
3.2.主要尺寸設(shè)計計算
3.2.1.電樞繞組設(shè)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(shù)、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(jù)槽的面積選擇合適的槽滿率以及導(dǎo)線類型，求出繞組的基本數(shù)據(jù)，包括：每相串聯(lián)匝數(shù)N、電流密度J。
3.2.2.主要尺寸和參數(shù)計算
使用直接磁路計算法設(shè)計發(fā)電機結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)計算過程為：
3.2.2.1.根據(jù)小型永磁電機氣隙特點選擇永磁體的工作點，然后根據(jù)工作點選擇永磁體類型，得到其性能參數(shù)。
3.2.2.2.預(yù)取線負(fù)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(zhuǎn)子尺寸，包括轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑。然后預(yù)取合適的氣隙長度δ和長徑比λ，求出定子外徑和電樞長度。
3.2.2.4.永磁體尺寸計算，包括永磁體的磁化方向長bM、徑向長度LM、永磁體體積VM、截面積SM、寬hM以及氣隙長度修正和工作點氣隙磁感應(yīng)強度有效值計算。
3.2.2.5.由最初選擇的繞線尺寸、電樞長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(dǎo)數(shù)λS、齒和端部的漏磁導(dǎo)數(shù)λZ和λg，由這些導(dǎo)數(shù)求出基本漏抗X00和差漏抗Xov，最后求出整個電機的漏電抗Xσ。
3.2.2.6.根據(jù)所設(shè)計的轉(zhuǎn)子軛形狀，求出轉(zhuǎn)子的漏磁導(dǎo)A。
3.2.3.輸出特性
由空載磁通密度Φo、基波繞組系數(shù)KW一每相匝數(shù)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(shù)修改
在直接計算法中，由于很多參數(shù)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(jù)計算得到的結(jié)果修改所用到的參數(shù)，保證最后計算得到的結(jié)果達到預(yù)期目標(biāo)。
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