淺談小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

?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。
? ?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(kāi)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)閷偾鍧嵞茉矗瑢?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(pán)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(lái)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(lái)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(méi)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(lái)說(shuō)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(lái)確定，通過(guò)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(guò)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(chē)削而成。在加工過(guò)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(lái)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(wèn)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(guò)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。