ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．５，２００８
设计与计算
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收稿日期：２００８－０２－０２作者简介：丰家辉（１９８１—），男，湖南邵阳人，广西大学机械工程学院，硕士研究生，研究方向：新型２ｋＷ小型风力发电机。 新型２ｋＷ小型永磁风力发电机设计
陈家权，丰家辉，马鹏，薛娟妮
（广西大学机械工程学院，广西南宁５３０００４）
摘要：针对现有小型风力发电机的不足，结合永磁同步发电机和永磁无刷直流发电机的特点提出一种新型结构的发电机。以２ｋＷ为例，进行设计计算，并利用Ａｎｓｙｓ对其进行有限元分析。验证了其设
计方法的可行性，并能达到预期目标。关键词：风力发电；永磁发电机；Ａｎｓｙｓ中图分类号：ＴＫ８３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００８）０５－００４６－０３
大型风力发电系统主要由国家原计委、原机械工业部、原电力部、航空部组织实施，它更受到风源条件的制约。小型风力发电系统由于是清洁能源，对环境无污染，又由于我国地形复杂，人口众多，居住分散，对于电网涉及不到的地区和特殊行业，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：
（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。
图１小型风力发电系统框图
发电机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现有小型风力发电机的不足
在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的难度，直接影响到度电成本。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。
２新型风力发电机的提出
针对永磁直流发电机的缺点，结合永磁同步电机的优点，提出一种新型的外传式永磁同步电机，如图２：
图２电机结构示意图
该种发电机的特点是：
（１）独特的外转式结构，外转子直接于风叶联结，每个叶片通过三个固定螺栓联结在外转子上，增加叶轮的稳定性。 （２）采用三点固定的方式将叶片固定在外转子上，外转子结构上有一个大的法兰盘，在风机运行的时候，能够起到飞轮储能的作用，保证在风速偶尔降低的情况下，发电机旋转速度不会急速降低，平缓了输出的波动。
（３）采用外转子式结构另外一个优点就是，能在同等性能的情况下，扩大了转子的内面积，这样可以布置更多的永磁体，从而减小整个发电机的直径，达到减小发电机质量的目的。常见的２ｋＷ风力发电系统的顶部总质量约为１２０ｋｇ（以青岛风王发电机有限公司ＦＤ４．０－２ｋＷ为例），而此发电机由于采用外转子结构，整个质量约为４５ｋｇ，加上叶片以及整流罩等，预计整个顶部装置（不含塔架）质量约为５０ｋｇ左右。
３发电机的设计计算
在普通法电机的计算基础上，关于永磁发电机的计算拥有
风
轮机
发
电机整流器蓄电池逆变器
用户
１２３４５６
１０９８７
４６
《装备制造技术》２００８年第５期
多种思路，着眼点不同，计算过程中的侧重点也不同。其中直接法计算法的特点是计算过程简单，但是误差较大，对于发电机设计的初步设计计算比较合适，故可以与后期的试验分析相结合进行修改，最后得到满意的结果。
本发电机首先采用直接计算法，计算出大体尺寸，然后利用Ａｎｓｙｓ软件对其进行有限元分析。３．１定子绕组
本电机采用正规６０°相带绕组，取每对极每相槽数为２，整个发电机为３６槽结构。
表１三相槽号分配图
３．２主要尺寸
转子内径Ｄ１计算采用公式：
Ｄ１＝
６．１ＰＮ
!ｉＫＢＫｗ１Ａ＇Ｂ"ｎＮ#
３
!
（１）
其中!ｉ为计算极弧系数，ＫＢ为磁场波形系数，Ｋｗ１为计算基波绕组系数，Ａ＇为预选线符合，Ｂ"为气隙磁感应强度，ｎＮ为电机的额定转速，#为长径比。
利用式（１）计算Ｄ１后，初选气隙长度"，定子外径Ｄ２为：
Ｄ２＝Ｄ１－２"
（２）
３．３定子冲片
选用梨形槽，如图３所示。
图３冲片图
４发电机的有限元分析
发电机的有限元分析主要过程可以简述为：发电机模型的建立—＞材料的分配及网格划分—＞边界条件及载荷加载—＞后处理。
发电机结构为６极对，３６槽，本文对发电机的整体进行二维电磁场分析。由于发电机分析中最多的是垂直于电机轴的平行平面场，这时电流密度和磁失位只有Ｚ轴方向的分量，所有采用矢量磁位Ａｚ求解。对电机做如下假设：
自动拖把
（１）采用二维场模拟实际磁场，选用ＭＳＫ国际单位制，圆柱坐标系。
（２）不计交变磁场在导电材料中的涡流反应，因此永磁同步发电机的磁场可作为非线性稳定磁场来处理。
（３）忽略装配误差。
（４）铁芯里的磁导率各向同性。
在以上假设前提下，得下列非线性泊松方程和边界条件：
""ｘ$"Ａｚ"ｘ#$＋""ｙ
$"Ａｚ"ｙ%&
＝－Ｊ
ｚ
（３）
式中，$为磁阻率，$＝１%，%为磁导率；Ａｚ为磁矢位，Ｊｚ为等
效面电流密度。
求解区域Ω：整个剖分区域；边界区域Г：定子外圆边界Ｂｎ１＝０；
发热的鞋子
４．１发电机模型的建立
整个Ａｎｓｙｓ分析过程采用命令流的形式。在电机模型的建立过程中，采用点—线—面的形式进行建模。首先建立１／６个模型，然后通过复制旋转的方式建立整个模型。建立的模型如图４：
图４模型建立
４．２发电机网格的划分
考虑到对发电机多个位置的气隙磁密进行求解，需要对发电机做旋转。这样有两种方式来实现。○１将整个模型作为一个整体，进行网格划分，每次求解以后，删除已经划分的网格和加载条件，再将电机转子旋转一个角度，重新划分单元并加载条件。○２将整个模型一分为二，定子作为一个整体定义，转子和气隙作为一个整体定义，二者单独划分网格，且转子网格比定子网格更加密集，然后在气隙与定子交界处加ａＺ方向的约
束方程将二者的网格联结成一个整体，然后加载边界条件并求解，在计算完一个角度后，去掉约束条件及边界条件，旋转转子，然后重新约束重新加载即可再次计算。
显然第二种方式优于第一种方式，本文采用的即是第二种方式来划分网格，网格划分效果见图５：
图５网格划分
Ｄ２
Ｄ
３
Ａ相
熏蒸桶１７１３１９２５３１－３４－４－１０－１６－２２－２８Ｂ相３９１５２１２７３３－３６－６－１２－１８－２４－３０Ｃ相
５１１１７
２１２９
３５
－２
－８
－１４
－２０－２６
－３２
４７
ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．５，２００８假山模型
４．３边界条件的加载
磁场问题实际求解过程中，有各种各样的边界条件，但归结起来可概括成三种：狄利克莱（Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ）边界条件，诺依曼（Ｎｅｕｍａｎｎ）边界条件及二者的组合。
本分析中，将整个模型建立成一个封闭的整体，由于外界空气的导磁远小于定转子，故认为磁路在模型中是一个封闭的，加载的边界条件为平行边界条件。
４．４结果分析
电机中空载气隙磁密分布是随转子旋转而变化的，同时每相绕组所交链的磁链也随着时间而变化，变化的磁链在相绕组中感生出了旋转电动势，可直接利用公式求解电机的空载电动势并绘制相应的曲线。
Ｅ＝－Ｎｄ!
ｄｔ
（４）其中，!为于线圈交链部分的磁通。传统的等效磁路法无法精确求出此时的!，而是采用气隙磁通作为近似值代替，而实际上气隙磁通并没有全部通过线圈与线圈交链来产生感应电动势，因此求解结果与真实值相差较大。而在磁场计算的方法中，利用Ａｎｓｙｓ在缠绕线圈部分的定子铁心处截取一个平面，能够求出穿过此平面的磁通，该磁通为与线圈交链时的磁通。本文所述样机共有１２极，因此每一极所占角度为３０°。电机稳定运转时的转速为３００ｒ／ｍｉｎ，在一个极下的３０°的方位内，将电机每旋转０．５°后，求取穿过该界面的磁通。当电机为
匀速旋转时，ｄｔ＝ｄ"
#
tsmm，"为转子转动的机械角度，#为转子的机械角速度，所以：
ｄ!ｄｔ＝ｄ!
ｄ"／#
＝#ｄ!
ｄ"
＝#ｌｉｍ
Δ"→０
Δ!
Δ"
（５）
将转子每次旋转０．５°前后得到的截面的磁通相减求出Δ!，而Δ!为０．５°，因此可算出ｄ!
ｄｔ
，然后利用公式（４）求出空载电动势。
导线弧垂计算公式图６磁力线分布
图７气隙ＢＸ分量
图８气隙反电动势
表２分析和计算结果比较
５结论
本文通过直接计算法计算出电机的大体尺寸，并通过Ａｎｓｙｓ对电机进行了电磁场分析，计算结果和分析结果接近，误差在５％以下，即验证了该种新型结构的小型风力发电机设计方法的可行性，设计出来的电机能达到预期的性能目标，具有实际应用价值。
参考文献：
［１］
［２］
［３］
［４］
［５］
分析值
计算值
误差
气隙磁感基波幅值Ｂ
０．７５７５６７３３１
０．７７３７５２６０２
２．０９％
气隙电动势Ｅ
４７．８
５０
４．
４％
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ＣＨＥＮＪｉａ－ｑｕａｎ，ＦＥＮＧＪｉａ－ｈｕｉ，ＭＡＰｅｎｇ，ＸＵＥＪｕａｎ－ｎｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｎｔｈｅｓｍａｌｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，Ｂｒｉｎｇｉｎｇｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｐｅｒｍａ－ｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ａｎｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ（ＰＭＢＬＤＣＭ）．Ｔａｋｅｔｈｅ２ｋＷｍｏｔｏｒａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｄｅ－ｓｉｇｎｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｉｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｗａｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｓｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｔｈｅｍｏｔｏｒｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅａｉｍ．
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