周利堅(jiān)

摘要：本文根據(jù)自己長(zhǎng)期小型發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，介紹了目前對(duì)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)在電機(jī)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方向的研究，提出了永磁同步發(fā)電機(jī)在定子硅鋼片、轉(zhuǎn)子外殼、軸等結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；永磁式；設(shè)計(jì)；風(fēng)力；小型；

前言

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對(duì)于能源的依賴較多。而能源對(duì)我國(guó)環(huán)境污染嚴(yán)重，需要大力開發(fā)清潔能源，加上國(guó)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?yàn)閷偾鍧嵞茉?，?duì)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(tǒng)中，主要采用的是永磁發(fā)電機(jī)，由于永磁直流發(fā)電機(jī)換向裝置易出現(xiàn)故障，壽命低，造成了風(fēng)力發(fā)電維護(hù)難度，直接影響到其度電成本，因此，除了對(duì)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(jī)。

雖然，永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，無(wú)需外加勵(lì)磁裝置，無(wú)需換向裝置，具有效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于其勵(lì)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(dòng)范圍較大。傳統(tǒng)的全橋式調(diào)整依然會(huì)存在一些電壓尖刺，對(duì)蓄電池的壽命影響很大。因此，需要對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、高性能的特點(diǎn)，以滿足小型風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際需要。

1.永磁同步電機(jī)改進(jìn)研究方向

1.1.電機(jī)結(jié)構(gòu)方面

永磁電機(jī)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(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)，另外還有永磁盤式電機(jī)、永磁無(wú)軸承電機(jī)等特種電機(jī)。它們的設(shè)計(jì)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(yùn)行提高電磁效率。

1.2.優(yōu)化設(shè)計(jì)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)，使之在滿足電機(jī)性能指標(biāo)前提下，使所用的永磁材料最少，即電機(jī)的成本最低或體積最小。修改電機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)尺寸的參數(shù)，保證在同等電機(jī)性能下，電機(jī)的結(jié)構(gòu)更合理，體積最小。

1.3.磁場(chǎng)分析計(jì)算和數(shù)值方法的研究

傳統(tǒng)的電機(jī)性能分析方法為等效磁路法，這種分析方法，減少了計(jì)算所需要的時(shí)間，在初始估算、設(shè)計(jì)方法比較時(shí)比較適用，由于永磁電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越多樣化，磁場(chǎng)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(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的真實(shí)情況。

永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，除了電機(jī)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(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(jī)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電機(jī)有很大的差別。永磁電機(jī)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(chǎng)分析帶來了新的課題。對(duì)于一些復(fù)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(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)

2.1.同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)作為交流電機(jī)的一種，其最大的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，且與電源頻率成正比。異步電機(jī)則沒有這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而且，同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子兩方磁場(chǎng)是相互獨(dú)立、可控的。由于永磁電機(jī)不需要直流勵(lì)磁電源，對(duì)于交流同步電機(jī)來說省去了勵(lì)磁機(jī)、自勵(lì)系統(tǒng)等。

2.2.同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上改進(jìn)設(shè)計(jì)主要有：定子硅鋼片、轉(zhuǎn)子外殼、軸的和軸承等方面設(shè)計(jì)。

2.2.1.定子硅鋼片設(shè)計(jì)

電機(jī)選用硅鋼片時(shí)需要注意幾個(gè)要點(diǎn)：低鐵損、高磁導(dǎo)率、硬度合適、耐蝕性能良好等。發(fā)電機(jī)采用牌號(hào)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(shù)能夠達(dá)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(jī)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(jié)構(gòu)。沖片數(shù)量根據(jù)電樞計(jì)算所得到的定子長(zhǎng)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(gè)槽距。

2.2.2.轉(zhuǎn)子外殼設(shè)計(jì)

為了便于安裝永磁體、便于對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)，電機(jī)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子外殼分成三個(gè)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(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削而成。在加工過程中，可以根據(jù)需要，隨時(shí)將三個(gè)部分臨時(shí)進(jìn)行組裝，組合起來進(jìn)行精加工，可以保證整個(gè)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(jì)算獲得尺寸設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子后殼還需要和葉片連接。

2.2.3.軸的設(shè)計(jì)

電機(jī)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(jì)算所確定，再確定其余軸段的直徑。在設(shè)計(jì)軸的長(zhǎng)度時(shí)，需要注意葉片于塔架之間的間距問題，因此在電機(jī)到基座之間，軸應(yīng)該預(yù)留一段長(zhǎng)度，并通過后續(xù)有限元分析，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化這段尺寸。

2.2.4.軸承的設(shè)計(jì)

軸承的選用和計(jì)算是很關(guān)鍵的一個(gè)部分，它的確定，是發(fā)電機(jī)中幾個(gè)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(jì)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)方面的問題：

2.2.5.1.發(fā)電機(jī)整體的密封問題。在發(fā)電機(jī)的各個(gè)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(tái)、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(hù)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(hù)問題。考慮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(shè)計(jì)一塊壓板墊在葉片與螺栓頭之間。

3.永磁同步發(fā)電機(jī)計(jì)算方法

永磁電機(jī)的計(jì)算有多種思路，著眼點(diǎn)不同，計(jì)算過程中的側(cè)重點(diǎn)也不相同。直接計(jì)算方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，誤差較大，但在電機(jī)設(shè)計(jì)初步階段對(duì)計(jì)算要求不高的前提下，其設(shè)計(jì)計(jì)算的誤差尚可以接受，可以與后期的試驗(yàn)分析相結(jié)合進(jìn)行修改，最后得到結(jié)果。

在確定了永磁電機(jī)的類型、應(yīng)用的環(huán)境以及所需要達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)后，通過電磁理論計(jì)算與電機(jī)外形結(jié)構(gòu)計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后，再通過后續(xù)的試驗(yàn)分析修正所計(jì)算的結(jié)果，最后達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3.1.設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)

電機(jī)的計(jì)算指標(biāo)為：

額定功率PN=2KW；

相數(shù)m=3，Y型連接；

極數(shù)對(duì)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(jì)計(jì)算

3.2.1.電樞繞組設(shè)計(jì)

首先確定電機(jī)的電樞繞組分配方案，包括電機(jī)中共使用多少對(duì)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(jì)算

使用直接磁路計(jì)算法設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)計(jì)算過程為：

3.2.2.1.根據(jù)小型永磁電機(jī)氣隙特點(diǎn)選擇永磁體的工作點(diǎn)，然后根據(jù)工作點(diǎn)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(jī)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(zhǎng)度δ和長(zhǎng)徑比λ，求出定子外徑和電樞長(zhǎng)度。

3.2.2.4.永磁體尺寸計(jì)算，包括永磁體的磁化方向長(zhǎng)bM、徑向長(zhǎng)度LM、永磁體體積VM、截面積SM、寬hM以及氣隙長(zhǎng)度修正和工作點(diǎn)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值計(jì)算。

3.2.2.5.由最初選擇的繞線尺寸、電樞長(zhǎng)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(gè)電機(jī)的漏電抗Xσ。

3.2.2.6.根據(jù)所設(shè)計(jì)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(jī)的輸出空載電壓Eo和空載磁勢(shì)Fo。

3.2.4.參數(shù)修改

在直接計(jì)算法中，由于很多參數(shù)都是憑借經(jīng)驗(yàn)選取，最后造成的誤差可能較大，因此在計(jì)算完以后需要根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果修改所用到的參數(shù)，保證最后計(jì)算得到的結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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