?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。
? ?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)境污染嚴重，需要大力開發(fā)清潔能源，加上國家地形復雜，人口又多，居住分散，小型風力發(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)速與頻率間有嚴格不變的關(guān)系n=60f/p，即當電源頻率恒定時，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。