本文根据自己长期小型发电设备设计经验，结合现有小型永磁式风力发电机的特点，从电机结构和优化设计的角度介绍了永磁同步电机设计的研究现状，提出了永磁同步发电机在定子硅钢片、转子外壳、轴等结构上进行改进的设计和计算方法。 <b> 我国社会经济发展迅速，对于能源的依赖较多。而能源对我国环境污染严重，需要大力开发清洁能源，加上国家地形复杂，人口又多，居住分散，小型风力发电系统属于清洁能源，对环境无污染而被广泛利用。 目前的小型风力发电系统中，主要采用的是永磁发电机，永磁直流发电机的换向装置容易发生故障，寿命低，造成了风力发电维护难度，直接影响到其度电成本，因此，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。
虽然，永磁同步电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，无需换向装置，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。传统的全桥调整仍存在一些电压尖峰，对蓄电池的寿命影响很大。因此，需要对永磁同
步电机进行设计改进，使其具有结构简单、重量轻、高性能的特点，以满足小型风力发电的实际需要。
1.永磁同步电机的改进研究方向
1.1.电机结构
永磁电机的结构随着其技术发展，已有多种形式，主要有：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。他们的设计标准是使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。
1.2.优化设计
在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，如何合理选择水磁铁的工作点，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。
1.3.磁场分析及数值方法研究
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，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，仅用这种分析方法很难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，最重要的发展是使用有限元法进行磁场分析。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。
2.永磁同步发电机结构的改进设计
2.1.同步发电机结构
同步电机作为交流电机的一种，它最大的优点是速度和频率之间存在严格恒定的关系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。异步电机则没有这个优点。而且，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。
2.2.同步发电机结构的改进设计
发电机结构的改进设计主要包括：定子硅钢片、转子外壳、轴的和轴承等方面设计。
2.2.1.定子硅钢片的设计
电机选用硅钢片时需要注意几个要点：低铁损、高磁导率、硬度合适、耐蚀性能良好等。发电机采用牌号为DW360—50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％，考虑到加工工艺，预选取叠压系数为0.93。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。冲压件的数量根据电枢计算的定子长度确定，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。
2.2.2.转子外壳设计
为了便于安装永磁体、便于对电机内部结构进行维护，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
好处是，每个零件都可以用钢或钢管转动。在加工过程中，可以根据需要，随时将三个部分临时进行组装，组合起来进行精加工，可以保证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。
2.2.3.竖井设计
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，另一个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，应注意叶片和塔架之间的间距，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，在保证结构强度的前提下，优化这段尺寸。
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