一、引言
项目所设计的是100W永磁同步风力发电机。永磁同步发电机的运行性能指标要求是多方面的。针对本毕设所设计的电机的应用场合及技术要求，在设计过程中有以下几点需要特殊注意，整个设计也是围绕这几点展开。
首先是要求中对电机的体积大小有了明确的限制，在相对较小的体积中为了达到需要的目标，那么需要进行大量的优化工作，充分利用空间。
其次是永磁体要求采用嵌入式，较于表贴式而言，嵌入式结构有其独特的优势，也有不足的地方，因此需要进行讨论分析，针对嵌入式结构，设计转子的磁路结构，以便完全发挥利用嵌入式的优点。 然后是指标中对电压调整率有明确的规定和要求。由于本次毕设的永磁电机一旦制成后磁场将无法随着电场得建立而改变，因此优化电压调整率成为设计的重点之一。
最后是齿槽转矩，因为本电机用于风力发电，针对风力小且频繁的特点，对于风力发电机而言，最重要的指标之一就是齿槽转矩。因此在设计过程中应该一直以此为方向和指标。
二、初步方案确定
（1）绕组的选取
选择不同类型的绕组，不仅关系到绕组端部的长度和电机的损耗，也对加工工艺有一定影响。电机的绕组可以分为两大类，分布式绕组和集中式绕组。分布式绕组多采用整数槽绕组，永磁同步电机常用的集中式绕组多为分数槽绕组。对于分布式整数槽绕组来说，采用较大的每极每相槽数时，谐波漏抗减小，附加损耗降低；每槽的导体数减少，使槽漏抗减小，且有利于散热。而且本次设计的永磁电机主要用于风能发电，而在风能发电领域最重要的指标之一就是齿槽转矩。而采用分数槽绕组可以很好的降低齿槽转矩。因此本次设计每极每相槽数为0.3的10极9槽这一经典极槽配合作为分数槽绕组方案。
（2）永磁材料的选取
钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴
永磁。室温下剩余磁感应强度r B 现可高达1.47T ，磁感应矫顽力c H 可达992kA/m
（12.4kOe)，最大磁能积高达3397.9/kJ m (50MG·Oe)，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是衫的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。
本次设计采取烧结钕铁硼。粘结钕铁硼虽然价格便宜，可是为了达到同样的性能，永磁体体积过大，影响转子结构，且电压调整率过高。因此采用烧结钕铁硼材料[8]。
（3）永磁体尺寸
永磁体的尺寸连同电动机的转子磁路结构，便决定了电动机的磁负荷，而磁负荷则决定着电动机的功率密度和损耗。
对内置切向式转子磁路结构的电动机，永磁体尺寸的确定比较复杂。因为它与许多因素都有关。如，确定永磁体的磁化方向长度时，应考虑它对永磁体工作点的影响，对电动机抗不可逆退磁能力的影响和电动机的弱磁扩速能力（因为永磁体的磁化方向长度直接决定了电动机直轴电感的大小和永磁磁链的大小）等[9]。
值得注意的是永磁体的磁化方向长度与电动机的气隙长度有着很大的关系，气隙越长，永磁体的磁化方向长度也越大。 表1 永磁体磁化方向长度对电机性能的影响
永磁体尺寸：W3.5 × D50 × H25 mm
永磁体尺寸：W4 × D50 × H25 mm 额定负载时永磁体工作点：0.5726
负载时气隙磁密：1.1782T
负载时定子齿磁密：1.6957T
负载时定子轭磁密：1.2083T
额定负载时输出电压：14.2677V
额定负载时输出功率：101.9154W
电压调整率：23.9462%
定子铁耗：14.1114W
定子铜耗：9.7635W
效率：75.2% 额定负载时永磁体工作点：0.5925 负载时气隙磁密：1.2039T 负载时定子齿磁密：1.7327T 负载时定子轭磁密：1.2347T 额定负载时输出电压：17.0910V 额定负载时输出功率：100.6528W 电压调整率：21.8519% 定子铁耗：15.1121W 定子铜耗：8.8268W 效率：74.9%
永磁体尺寸也会影响定子轭磁密齿磁密，而且还需要通过不断地调整永磁体此尺寸使得最终的铁耗铜
耗尽量平衡，使得输出效率最高。表1为设计并计算出的永磁体磁化方向不同的两个电机的性能比较。
由表格比较可知，当采用增大永磁体磁化方向宽度的手段增大永磁体的体积，会使得定子磁密增大，导致定子铁耗增大，铁耗铜耗不平衡。不过增大永磁体的
体积，可以明显的降低电压调整率。
反之，如果减小永磁体总体积，会导致负载时输出电压下降，为了保证输出电压则需要增加每槽导体数，导致铜耗和定子电流密度增加。
关于电压调整率目前只是初步计算，需要通过仿真软件进行进一步仿真后更精确地得出。因此如果仿真时发现电压调整率依然无法满足15%的条件，则可以适当地采取这种方法。不过过量提高永磁体体积会极槽配合不平衡，无法在规定体积内达到最优的比例，导致在相同的输出功率情况下采取了更多的永磁体导致成本上升。所以还需要与其他优化手段进行配合运用。
因此通过初步的不断调整后，初步选取较优的永磁体尺寸为W4.7×D70 ×H24.5 mm。
（4）转子结构尺寸
在转子结构尺寸的设计中，关键的参数为转子磁路的选取、气隙长度以及轴向长度。
1、转子磁路的选取
本毕业设计为小型直驱式永磁同步发电机，转子磁路采用切向式或径向式。这两种磁路的特点见表2-2。
由于本次设计的发电机转速较低，且功率仅为百瓦级，因此不同结构的成本差异并不是很大。为了减少体积和满足频率要求，所以一般选用切向式结构。
分别设计两种电机，采用的永磁体的总体积相等，一个的转子采取切向式，另一个采取径向式。由二者永磁体的工作点可以看出，径向式由于永磁体只有一面提供磁通，因此由切向式改为径向式可以很好的改善永磁体工作点过低的情况。
径向式另一个优点则是减少漏磁。由于切向式中永磁体离气隙及定子过远，会产生大量漏磁，而更为贴近气隙的径向式可以很好的解决这一问题。不过目前由于仅采用简单的数值计算，尚未进行模拟仿真，因此无法准确得出切向式的漏磁情况，因此若在下一阶段的仿真时发现切向式漏磁过大影响性能时，会考虑径向式结构。不过由于采用的是嵌入式结构，两种方式的永磁体距离气隙均较远，因此径向式可以的降低漏磁的特性无法完全发挥出来。
采用径向式后磁通减少，为了达到较高的输出电压只能提高每槽导体数，进而导致只能选取更为细的
导线，使得电流密度大幅增大。由于本电机没有采用冷却手段，因此在长时间运行时，电流密度过大会产生较大的热量，严重时会烧毁电机。从机械结构上来看，径向式转子在旋转式较切向式更容易发生形变，影响电机性能。
表2 切向式与径向式转子磁路结构的比较
切向式转子磁路结构径向式转子磁路结构
图2-1切向式转子磁路结构
图2-2径向式转子磁路结构
切向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，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，由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。
径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，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。
图例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。
由于本次设计的发电机转速较低，且功率仅为百瓦级，因此不同结构的成本差异并不是很大。为了减少体积和满足频率要求，所以一般选用切向式结构。
分别设计两种电机，采用的永磁体的总体积相等，一个的转子采取切向式，另一个采取径向式。由二者永磁体的工作点可以看出，径向式由于永磁体只有一面提供磁通，因此由切向式改为径向式可以很好的改善永磁体工作点过低的情况。
径向式另一个优点则是减少漏磁。由于切向式中永磁体离气隙及定子过远，会产生大量漏磁，而更为贴近气隙的径向式可以很好的解决这一问题。不过目前由于仅采用简单的数值计算，尚未进行模拟仿真，因此无法准确得出切向式的漏磁情况，因此若在下一阶段的仿真时发现切向式漏磁过大影响性能时，会考虑径向式结构。不过由于采用的是嵌入式结构，两种方式的永磁体距离气隙均较远，因此径向式可以的降低漏磁的特性无法完全发挥出来。
采用径向式后磁通减少，为了达到较高的输出电压只能提高每槽导体数，进而导致只能选取更为细的导线，使得电流密度大幅增大。由于本电机没有采用冷却手段，因此在长时间运行时，电流密度过大会产生较大的热量，严重时会烧毁电机。从机械结构上来看，径向式转子在旋转式较切向式更容易发生形变，影响
电机性能。
2、气隙长度的选取
通过表3可以看出，增大气隙长度可以明显的降低电压调整率和齿槽转矩，可是却相应的需要增大永磁体体积，增加电机成本，因此需要综合考虑各项指标。
表3 气隙长度对电机性能的影响
气隙长度（mm）永磁体尺寸（mm）电机性能
额定负载时输出电压：14.2677V
额定负载时输出功率：101.9154W
电压调整率：23.9462%
定子铁耗：14.1114W
定子铜耗：9.7635W
效率：75.2%
0.8 W3.7 × D50 × H25 额定负载时输出电压：14.0155V
额定负载时输出功率：100.1137W
电压调整率：21.0168%
定子铁耗：11.1628W
定子铜耗：11.1717W
效率：75.9%
1.2 W5 × D50 × H24 额定负载时输出电压：14.7602V
额定负载时输出功率：105.4339W
电压调整率：18.6292%
定子铁耗：10.2193W
定子铜耗：12.8088W
效率：76.3%
1.5 W7 × D50 × H23 额定负载时输出电压：13.9310V
额定负载时输出功率：99.5106W
电压调整率：13.69922%
定子铁耗：11.4752W
定子铜耗：9.3941W
效率：76.7%
通过不断地修正气隙长度，同时增大永磁体体积，直到最终电压调整率达到15%以内，取气隙长度为1mm。
3、轴向长度
在计算过程中可以发现，当长径比增大后，电机的性能会显著提高。通过计算发现当轴向长度达到90mm时，包括电压调整率在内的各项参数均达到要求。可是由于在实际的制作中，由于有端盖以及导线端头的存在，为了保证电机的整
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