5M風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

5M風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析,風(fēng)力發(fā)電機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計,有限元分析 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1.5兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)用永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計 摘要 2009年哥本哈根會議的召開，顯示國際已經(jīng)開始越來越重視環(huán)保。環(huán)保、低碳將是未來能源發(fā)展的一個趨勢。而火力發(fā)電每年都要消耗大量的煤炭，產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。因此研制出能夠代替火力發(fā)電的新能源就顯得意義深遠(yuǎn)。而風(fēng)力發(fā)電且具有綠色環(huán)保無污染等特點，已日益得到關(guān)注，近年來，我國的風(fēng)能開發(fā)正處在起步階段，但發(fā)展速度很快，遍布許多沿海城市及偏遠(yuǎn)山區(qū)，正逐步為人類造福。如何提高風(fēng)能的利用和轉(zhuǎn)化效率是目前技術(shù)方面重點研究方向，不僅符合了時代發(fā)展的潮流，也和我國的基本國情和戰(zhàn)略方針相一致。同時做好節(jié)能環(huán)保也是當(dāng)前科研人員在研究過程中應(yīng)盡的義務(wù)。 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)去掉了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，讓風(fēng)力機(jī)直接拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護(hù)成本大等問題，提高了運(yùn)行可靠性。采用高磁能積的永磁材料作為磁極，就省去了勵磁繞組產(chǎn)生的損耗，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單，效率也隨之提高。但由于其運(yùn)行轉(zhuǎn)速低，一般定子外徑都比較大。 因此，為了減小電機(jī)尺寸和改善冷卻效果，本文以內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行分析。先通過感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和水輪機(jī)等經(jīng)驗公式確定基本尺寸，又對電機(jī)進(jìn)行磁路分析計算，最后又分別從軸向長度、 氣隙寬度、極弧系數(shù)和每極每相槽數(shù)參數(shù)等對電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，以便使設(shè)計結(jié)果更加合理。 關(guān)鍵詞　直驅(qū)式；永磁同步；風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；內(nèi)轉(zhuǎn)子  1.5 MW Wind Turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator Abstract Held in Copenhagen in 2009, showing more and more attention to international environmental protection has begun. Environmental protection, low-carbon energy development will be a future trend. The thermal power consumption of large amount of coal each year, resulting in serious pollution. Therefore developed a new energy to replace the thermal power generation becomes significant. The green wind power and has no pollution, has received increased attention in recent years, China's wind energy development is in its infancy, but rapid development around the many coastal cities and in remote mountainous areas, gradually the benefit of mankind. How to improve the efficiency of wind energy utilization and conversion technologies is the focus of research, not only the development trend of the times, too, and China's basic national conditions and the strategy and guiding principle. At the same time do a good job saving and environmental protection is currently in the process of research, scientists obligations. Direct drive permanent magnet synchronous wind turbine wind power system to remove a common gearbox, direct drive motor for wind turbine rotor is operating at low speed state, which no gearbox caused by noise, high failure rate and maintenance costs etc, and improved reliability. using the high-energy product of permanent magnets as pole, eliminating the need for field windings to produce the loss, the simple structure of the motor efficiency is improved. As drive permanent magnet synchronous wind turbine running speed is low, generally larger than the diameter of the stator. Therefore, in order to reduce the size of the motor and improve the cooling effect, within this radial permanent magnet synchronous wind turbine as an example for analysis. First through the induction motor, permanent magnet motors and turbines and other empirical formula to determine the basic size, then the motor magnetic circuit analysis and calculation, and finally from the axial length, respectively, air gap width, pole arc coefficient and the number of slots per pole per phase parameters the motor is optimized to make the design more reasonable results. Keywords Direct drive; Permanent magnet synchronous;Wind energy;Wind generator;Inner rotor 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打 - III - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 風(fēng)力發(fā)電的意義 1 1.2 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 3 1.2.1 中國及世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展歷程 3 1.2.2 我國及世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展趨勢 4 1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的簡介 5 1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及電能的儲備介紹 5 1.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu) 6 1.4 本課題研究的背景意義和主要研究內(nèi)容 7 1.4.1 永磁材料及永磁電機(jī)的特點 7 1.4.2 本課題的研究意義 8 第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計過程及永磁材料介紹 10 2.1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡介 10 2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 10 2.1.2 永磁電機(jī)的概述 10 2.1.3 永磁同步發(fā)電機(jī)簡介 11 2.1.4 永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計特點 13 2.2 永磁材料的介紹 14 2.2.1 永磁材料的分類 14 2.2.2 永磁材料的發(fā)展概況 14 2.2.3 永磁材料的主要參數(shù) 15 2.2.4 永磁材料選擇的原則 17 2.2.5 永磁體形狀和體積估算 18 2.2.6 釹鐵硼永磁材料 18 2.2.7 永磁體的充磁 18 2.3 主要設(shè)計目標(biāo) 19 2.4 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點 20 2.5 永磁同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)的確定 21 2.6 本章小結(jié) 22 第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計過程 23 3.1 設(shè)計過程 23 3.2本章小結(jié) 39 第4章 電磁設(shè)計比較分析及方案優(yōu)化 40 4.1電磁設(shè)計的比較 40 4.2方案優(yōu)化 40 4.3本章小結(jié) 42 結(jié)論 43 致謝 44 參考文獻(xiàn) 45 附錄 46 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - V - 第1章 緒論 1.1 風(fēng)力發(fā)電的意義 目前，在全世界范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展勢頭迅猛。從1996到2004年，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的年平均增長率達(dá)28%。截止到2004年底，全世界并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)累計裝機(jī)容量已達(dá)到4532萬kW。已經(jīng)有越來越多的國家把發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為未來電力投資的重點。我國也制定了自己的“乘風(fēng)計劃”以鼓勵風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化。之所以各國如此大力發(fā)展風(fēng)電技術(shù)，是由于風(fēng)力發(fā)電對于解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境污染狀況都有十分重要的意義[1]。 (1)能源危機(jī) 目前世界能源主要來自石油、煤、天然氣和核能。煤炭、石油、天然氣屬于不可再生能源，終究會被開采完畢；核能發(fā)電的關(guān)鍵問題是如何處理核廢料，其處理費用遠(yuǎn)高于建造成本。現(xiàn)在地球人口約60億，到21世紀(jì)中葉，預(yù)計將達(dá)到100億人。單從人口增長的數(shù)字來看，能源消費的增長將是非常驚人的。隨著社會的發(fā)展和人類對能源需求量的不斷攀升，人類正面臨資源枯竭的壓力。近兩年來，世界石油的“價格”飛漲，石油價格始終處于高位，從二十到三十美元一桶漲到五十六美元一桶的歷史高點。高昂的石油價格勢必對世界經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。能源危機(jī)正一步步向人類襲來?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，各國對能源的爭奪，會是全球沖突的主要原因。解決能源危機(jī)的辦法，一是提高燃燒效率以減少資源消耗，或者開發(fā)新材料、新工藝，最大限度的實現(xiàn)節(jié)能；二是開發(fā)新能源，積極利用可再生能源。前者雖然能有效地提高能源利用率，但終究是建立在消耗不可再生資源來發(fā)展生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，不能從根本上解決能源短缺的問題，而開發(fā)利用可再生能源擴(kuò)展了能源的獲得途徑，是一種可持續(xù)的發(fā)展方式。 現(xiàn)在世界能源消費以石油計算約為每年80億噸，按平均消費量每人每年2噸計算，到2040年，石油將出現(xiàn)枯竭，到2060年，核能及天然氣也將終結(jié)。屆時地球的能源已經(jīng)無法滿足近116億人口的能源需求。實際上隨著世界人口的不斷增系人類子孫后代命運(yùn)，刻不容緩的一件大事。 (2)環(huán)境污染嚴(yán)重 從化學(xué)成分上而言，煤、石油和天然氣等化石能源的主要成分是碳。這些化石資源的消耗直接導(dǎo)致了溫室氣體——二氧化碳排量的增加，引起全球變暖。同時，化石能源中含有的少量元素汞、硫、鉛等，燃燒后會生成二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，這些有害氣體污染空氣，毒化水質(zhì)，且能夠形成酸雨，對人畜和其他生物極為有害。 (3)風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越性 風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽光照射到地球表面上，地球表面各處受熱不均，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運(yùn)動，形風(fēng)。據(jù)估計到達(dá)地球的太陽能中雖然只有大約2％轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。作為可再生能源的風(fēng)力資源以其蘊(yùn)量巨大、可以再生、分布廣泛、沒有污染等優(yōu)勢而在各國迅速發(fā)展。雖然風(fēng)能資源還有密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大等缺點，但是仍然不能阻擋其快速發(fā)展的強(qiáng)勁勢頭。目前，美國的風(fēng)力發(fā)電年增裝機(jī)容量已達(dá)到150萬～160萬kW；丹麥約45萬kW；荷蘭約15萬kW；印度約8萬kW。但是風(fēng)電占電網(wǎng)電量的比例還不算大，只有丹麥占3%。但從規(guī)劃來看，到2000年，丹麥要占5%；英國、德國、西班牙、法國、日本、加拿大、印度都制定了加快風(fēng)電發(fā)展的計劃。 (4)風(fēng)力發(fā)電對于中國，意義尤為突出 燃煤發(fā)電一直是我國電力供應(yīng)的主體。雖然我國煤炭產(chǎn)量占世界總產(chǎn)濟(jì)的快速發(fā)展，仍是個很大的問題。需要指出的是，煤炭發(fā)電對環(huán)境的污染有著很大的影響。國家環(huán)境保護(hù)總局指出，2002年燃煤電廠二氧化硫排放量達(dá)到666萬噸，占全國排放總量的34.6%。嚴(yán)格控制燃煤電廠二氧化硫排放對實現(xiàn)全國二氧化硫總量控制目標(biāo)至關(guān)重要。從近年來的發(fā)展情況來看，在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)增速的條件下，我國的石油使用量每年有將近八千萬噸的進(jìn)口量。中國2004年新投產(chǎn)的電力裝機(jī)容量破世界紀(jì)錄，但同時全國卻仍然發(fā)生大范圍拉閘限電現(xiàn)象。形成這種巨大反差的基本原因是，快速增長的電力供給趕不上更快速增長的電力需求。 在我國，風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要集中在北部、西北和東北的草原、戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼上。這些地區(qū)缺少煤炭及其他常規(guī)能源，并且冬春季節(jié)風(fēng)速高，雨水少；夏季風(fēng)速小，降雨多，風(fēng)能和水能具有非常好的季節(jié)補(bǔ)償作用。另外在我國內(nèi)陸地區(qū)，由于特殊的地理條件，有些地區(qū)具有豐富的風(fēng)能資源，適合發(fā)展風(fēng)電，比如江西省鄱陽湖地區(qū)以及湖北省通山地區(qū)。沿海發(fā)達(dá)地區(qū)和西北地區(qū)都是我國風(fēng)能資源分布的豐富區(qū)。如果能夠充分開發(fā)地區(qū)的風(fēng)能優(yōu)勢，則風(fēng)力發(fā)電正好可以彌補(bǔ)東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電力短缺的題。在西北經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)發(fā)展風(fēng)電，既可以提高當(dāng)?shù)厝嗣裆钏?，又可以增加就業(yè)并向經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)賣電，提高地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。 由我國供電比例分布可知，火力發(fā)電和水力發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入了較為成熟的階段，作為傳統(tǒng)的發(fā)電方式提供并支撐國內(nèi)大部分電力需求，而火力發(fā)電的資源大部分是不可再生的。我國煤的探明儲量為世界人均值的51.3%，石油僅為11.3%，天燃?xì)庵挥?.78%，人均商品能源消費量為世界人均值的55%，為發(fā)達(dá)國家人均值的17%，家庭人均用電量只有美國的2.4%[1]。如何提高電能轉(zhuǎn)化效率，更加節(jié)約能源且環(huán)保的發(fā)電方式的利用提上日程。風(fēng)能、核能、太陽能以及潮汐能等新興發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用不僅占據(jù)著大部分比重，其發(fā)展技術(shù)也最為成熟且符合時代發(fā)展的潮流，從而作為新能源發(fā)展的主流。近年來，世界上風(fēng)電事業(yè)以近30%的增長率迅速發(fā)展。 1.2 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 1.2.1 中國及世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展歷程 2006年，按全球風(fēng)力發(fā)電市場份額排名，前幾位的公司分別是：丹麥Vestas公司（占全球風(fēng)力發(fā)電市場的份額為33.7%）, 德國Enercon公司（14.8%）,英國Gamesa公司（13.8%）,美國GE Wind公司（13.0%）,德國西門子公司（7.5%）,印度/德國Suzlon/Repower合資公司（6.3%）,德國Nordex公司（4.3%）,其它公司占6.6%。 2009年中國成為第一大風(fēng)電裝機(jī)市場,裝機(jī)容量新增13.75百萬千瓦,創(chuàng)下了世界紀(jì)錄.而且三家中國風(fēng)機(jī)供應(yīng)商躋身全球風(fēng)機(jī)制造商前十排名，見表1-1。 表1-1 2009年全球十大風(fēng)機(jī)供應(yīng)商 (據(jù)BTM) 排名 公司 國別 全球市場份額(%) 1 Vestas 丹麥 12.5 2 通用電氣 美國 12.4 3 華銳風(fēng)電 中國 9.2 4 Enercon 德國 8.5 5 金風(fēng)科技 中國 7.2 6 Gamesa 西班牙 6.7 7 東方電氣 中國 6.5 8 Suzlon 印度 6.4 9 西門子 德國 5.9 10 RePower 德國 3.4 就世界范圍來說，風(fēng)力發(fā)電起步于丹麥，之后，美國將其應(yīng)用于農(nóng)村，電氣化得以發(fā)展。1975年，美國研發(fā)了100千瓦的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，1985年研發(fā)了8000千瓦機(jī)組，1976年西德研制了1000千瓦機(jī)組，1978年研制成功5000千瓦機(jī)組。到目前為止，美英德等國家將兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域。我國第一個風(fēng)電場在山東榮成建立，之后、東北以及沿海地區(qū)相繼建成風(fēng)電場。我國首臺兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)在蘭州研制成功，到20世紀(jì)末，我國已研制成200千瓦大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如圖1-1。 圖1-1中國風(fēng)電裝機(jī)容量發(fā)展規(guī)劃 1.2.2 我國及世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展趨勢 我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較慢，由于國內(nèi)對于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究起步較晚，缺乏經(jīng)驗，風(fēng)電價格過高，推廣難，并且由于國外對于風(fēng)電核心技術(shù)的保護(hù)而難以獲取等一系列因素導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域的拓展艱難。 我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將沿著優(yōu)化技術(shù)，大力創(chuàng)新，微機(jī)自動控制，無人現(xiàn)場值守的方向發(fā)展。如何控制風(fēng)機(jī)方向最大限度提升風(fēng)能利用率，延長風(fēng)機(jī)壽命，降低發(fā)電成本以及減少維護(hù)量和事故，同時還能減少噪聲，提高風(fēng)能利用效率和發(fā)電質(zhì)量，解決功率波動等問題是有待攻破的技術(shù)難題。這就要求風(fēng)電機(jī)組在中型機(jī)、小型機(jī)成熟的基礎(chǔ)上向大型、巨型機(jī)發(fā)展，大力發(fā)展風(fēng)電場。增加裝機(jī)容量是重點發(fā)展方向。目前，世界各國開發(fā)利用的風(fēng)能資源尚不到全世界風(fēng)能資源的20%，而海上風(fēng)能可開發(fā)量是陸地風(fēng)能儲量的3倍。大幅提高海上風(fēng)電必將成為今后發(fā)展的一個方向。瑞典的納蘇登羅海上風(fēng)力發(fā)電場已得到證實并投入實際應(yīng)用。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正朝著大功率高效率的方向發(fā)展，未來海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)將是一個趨勢，如何結(jié)合現(xiàn)今流行的雙饋異步電機(jī)和永磁電機(jī)的優(yōu)勢，研究出更具發(fā)展?jié)摿Φ拇笮吞栵L(fēng)力機(jī)將決定著未來風(fēng)電的發(fā)展。永磁同步發(fā)電機(jī)將是一個趨勢，在此基礎(chǔ)上不斷精益求精，不斷改進(jìn)，優(yōu)化高壓電機(jī)，異步電機(jī)，半直驅(qū)電機(jī)。使中國的風(fēng)電更加成熟化，國際化。 1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的簡介 1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及電能的儲備介紹 圖1-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、齒輪箱、聯(lián)軸器、偏航系統(tǒng)、剎車結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架與調(diào)速調(diào)向裝置構(gòu)成。如圖1-2所示。分為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（100W-1kW）、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1kW-100kW）、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（100kW-1000kW）和特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1000kW以上）。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能也可以利用很多方式儲存起來。例如，蓄電池儲存風(fēng)電電能，電解水儲存風(fēng)電電能，水庫儲存風(fēng)電電能，壓縮空氣儲存風(fēng)電電能，飛輪儲存風(fēng)電電能，超導(dǎo)儲能和電網(wǎng)儲存電能。此外，利用電力電子整流/逆變技術(shù)也可以將電能直接通過并網(wǎng)的方式進(jìn)行供電。如圖1-3所示。 圖1-3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制結(jié)構(gòu) 1.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu)包括無刷雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，中傳動比齒輪箱型機(jī)組以及三葉片變速恒頻水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如圖1-4所示。其中，直驅(qū)式永磁風(fēng)電機(jī)組將成為趨勢。 圖1-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一種典型結(jié)構(gòu) 圖圖1-5風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)向及旋轉(zhuǎn)方向 風(fēng)電場的位置將會由強(qiáng)風(fēng)地帶向弱風(fēng)地帶轉(zhuǎn)移，從陸地向沿海地區(qū)和島嶼轉(zhuǎn)移，由平坦地帶向復(fù)雜地帶轉(zhuǎn)移，大型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和小型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)并列發(fā)展。同時，向并網(wǎng)大型化運(yùn)行和離網(wǎng)分散化運(yùn)行的方向發(fā)展。其控制技術(shù)也會隨著不同地域及要求的不同而演化成多樣化形式。對于電機(jī)的本體設(shè)計以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化也將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。 1.4 本課題研究的背景意義和主要研究內(nèi)容 1.4.1 永磁材料及永磁電機(jī)的特點 永磁材料是矯頑力在8kA/m以上，剩磁穩(wěn)定，當(dāng)受到外磁場干擾時幾乎不發(fā)生變化的硬磁材料，是經(jīng)過外部磁場飽和充磁后，無需外部能量而持續(xù)提供磁場的一種特殊材料。全球永磁材料產(chǎn)值的平均增長率在8%以上，永磁材料產(chǎn)量和性價比不斷提高。近幾年來，國際上對這種材料的開發(fā)進(jìn)展很快，當(dāng)今永磁體已逐步發(fā)展為鋁鈷鎳、鐵氧體及稀土永磁體三大類。利用永磁體而研制的永磁交流發(fā)電機(jī)是由法國人皮克希在1832年研制的。我國沈陽工業(yè)大學(xué)唐任遠(yuǎn)研制的1120千瓦稀土永磁同步電動機(jī)是目前單機(jī)容量最大的永磁電機(jī)。相對于電勵磁，永磁電機(jī)取消了勵磁系統(tǒng)的損耗從而提高了效率；取消了勵磁繞組勵磁電源和生熱從而結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，運(yùn)行可靠；其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，電機(jī)的尺寸和形狀靈活多樣?？蛇M(jìn)行有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，通過對永磁電機(jī)的電磁計算和優(yōu)化以及材料的選取使永磁體盡量工作在最大磁能積的工作點上。 本文就直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多、外徑大等特點，對電機(jī)材料尺寸的選取，永磁體的計算，定轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)的確定，電樞反應(yīng)工作特性的分析以及起動和調(diào)速性能的分析進(jìn)行一系列工作，如圖1-6所示直驅(qū)式多級永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。 圖1-6直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 1.4.2 本課題的研究意義 盡管我國的風(fēng)能利用起步晚，但是發(fā)展很快，無論在發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上，都有很大提高。截至2005上半年，中國已建立40多個風(fēng)電場，裝機(jī)容量約為76.4萬千瓦，但風(fēng)電裝機(jī)容量僅占全國裝機(jī)容量的0.17%。即便在風(fēng)電發(fā)展最快的維吾爾自治區(qū)，目前全區(qū)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量僅為12.55萬千瓦，占當(dāng)?shù)匮b機(jī)容量的2.0%。 雖然我國的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，但是技術(shù)水平還比較低。國內(nèi)的風(fēng)電市場多為國外廠商所占據(jù)，迄今為止中國還沒有一臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口到國外。國際上成為主流機(jī)型的兆瓦級機(jī)組在我國尚處于仿制階段。如美國主流1.5兆瓦，丹麥主流2.0～3.0兆瓦，近年來，國外已研制出4.5兆瓦以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。雖然有報道說國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了1.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但多是和國外公司技術(shù)合作的結(jié)果，這些合資公司只能進(jìn)行總裝，不能掌握核心技術(shù)。真正有自主知識產(chǎn)權(quán)、能獨立生產(chǎn)的企業(yè)還沒有出現(xiàn)。 我國風(fēng)電發(fā)展緩慢、技術(shù)水平不高與很多因素有關(guān)。其一，國內(nèi)風(fēng)電研究起步晚，投入不足，缺乏技術(shù)創(chuàng)新和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗；其二，風(fēng)電價格過高需要政策的支持。據(jù)了解，風(fēng)電上網(wǎng)要比火電高0.2元，如果價差在地方電網(wǎng)內(nèi)分?jǐn)?，地方電網(wǎng)就有可能背上沉重的包袱，所以解決這個問題，需要立足于全局，并制定相應(yīng)的法律以及可執(zhí)行的分?jǐn)倷C(jī)制，以解決公司或地方部門投資風(fēng)電的后顧之憂；其三，國外風(fēng)電廠商技術(shù)保護(hù)嚴(yán)格，中國企業(yè)很難獲得風(fēng)電的核心技術(shù)，這就需要國家在項目招標(biāo)等方面進(jìn)行合理的引導(dǎo)，吸引外商技術(shù)轉(zhuǎn)讓。本課題旨在研究目前已在國外處于主流地位的MW級永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，熟悉大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計的特點，總結(jié)設(shè)計的規(guī)律，積累其設(shè)計的經(jīng)驗，為以后研制更大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)做好技術(shù)準(zhǔn)備，從而在核心層面上把我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計水平提高一個檔次；國內(nèi)外已經(jīng)有一些MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入使用，總結(jié)這些已并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗，研究出現(xiàn)問題的原因和不足，有助于研究出更高水平的電機(jī)；作為電機(jī)專業(yè)的研究生，參與到電機(jī)設(shè)計的工作中去，運(yùn)用所學(xué)過的理論，親自設(shè)計一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對于深刻掌握電機(jī)設(shè)計理論、通過實踐來透徹理解理論具有十分重要的意義。 本課題以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計為研究方向，選型為內(nèi)轉(zhuǎn)子直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，設(shè)計的目標(biāo)為在滿足基本設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，提高運(yùn)行穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。提高穩(wěn)定性從永磁材料的工作點、定子的溫升和電樞反應(yīng)情況進(jìn)行分析和設(shè)計，避免工作點過低時，溫升過高和電樞反應(yīng)導(dǎo)致的永磁體不可逆去磁。降低成本的分析重點是在電機(jī)整體優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，使永磁體盡量工作在具有最大有效磁能的工作點上，以提高永磁材料的利用率。首先使用等效磁路的方法設(shè)計一臺1.5MW的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，電壓波形和齒槽轉(zhuǎn)矩，以及短路狀態(tài)下永磁體的工作點和短路電流倍數(shù)，檢驗設(shè)計的合理性，并改進(jìn)設(shè)計.最后總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，提出MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點和設(shè)計時應(yīng)該注意的關(guān)鍵問題。 文章首先講了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，后又對永磁同步發(fā)電機(jī)的原理作了詳細(xì)的介紹，定子槽型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁材料選擇及體積確定、永磁同步發(fā)電機(jī)原理及主要參數(shù)確定，最后，本文又對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，提出了四種優(yōu)化法案，分別從軸向長度、極弧系數(shù)、氣隙寬度和每極每相槽數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使設(shè)計結(jié)果更加合理。 第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計過程及永磁材料介紹 電機(jī)電磁設(shè)計過程是一個復(fù)雜的過程。通常是先根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，查找相關(guān)的資料以及國家標(biāo)準(zhǔn)，從而確定電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)以及一些設(shè)計過程中所要用的技術(shù)原則等。然后再進(jìn)行具體的設(shè)計計算，確定電機(jī)各種尺寸和數(shù)據(jù)。例如首先確定電機(jī)的主要尺寸、氣隙長度、定子槽形以及槽數(shù)、定子繞組形式、匝數(shù)、線規(guī)及其連接方式等。 在確定一些電機(jī)的主要尺寸和數(shù)據(jù)時，一般先根據(jù)在生產(chǎn)實踐中積累的豐富經(jīng)驗和總結(jié)出的電機(jī)尺寸、參數(shù)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，先假設(shè)一些尺寸和數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行電機(jī)的參數(shù)和性能計算，核算它是否符合技術(shù)條件的要求。如果計算結(jié)果中有些性能不能滿足要求，則需更改假設(shè)的某些尺寸和數(shù)據(jù)，直到各項指標(biāo)都達(dá)到技術(shù)條件的要求并從中選出最佳電磁方案為止。 2.1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡介 2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，風(fēng)力發(fā)電專用發(fā)電機(jī)正向高可靠性、低維護(hù)量、減少組件、降低成本、效率高、集成度高的方向發(fā)展。大體趨勢是單機(jī)容量不斷增大。1990年生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的典型的單機(jī)容量為250kW，1996年為750kW，2001年為2MW，目前商業(yè)化運(yùn)行的風(fēng)機(jī)單機(jī)容量已達(dá)到2.5MW，估計在未來的5年里單機(jī)容量將達(dá)到5MW。所采用的發(fā)電機(jī)主要有異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步發(fā)電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)多采用雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。 2.1.2 永磁電機(jī)的概述 我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的國家。19世紀(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機(jī)。 稀土永磁電機(jī)的單機(jī)容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min。我國的稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱稀土王國。 1932年，法國人皮克希發(fā)明了第一臺永磁交流發(fā)電機(jī)，20世紀(jì)80年代末，西門子公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的6相、1.1MW、230r/min永磁同步電動機(jī)，ABB公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的1.5MW永磁同步電動機(jī)和德國AEG研制的用于調(diào)速系統(tǒng)的3.8MW、4極永磁同步電動機(jī)是國外永磁電機(jī)的代表。在國內(nèi)，沈陽工業(yè)大學(xué)開發(fā)了3kW、20000r/min稀土永磁發(fā)電機(jī)。唐任遠(yuǎn)院士主持研制的1120kW稀土永磁同步電動機(jī)，是目前國內(nèi)單機(jī)容量最大的永磁電機(jī)。 2.1.3 永磁同步發(fā)電機(jī)簡介 圖2-1一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 永磁同步發(fā)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行可靠、無需勵磁繞組、損耗小、效率高、形狀和尺寸靈活多樣等特點而在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用廣泛，隨著高性能永磁材料制造工藝的提高，大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也傾向于使用永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常用于變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這時的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由風(fēng)力機(jī)直接拖動，所以轉(zhuǎn)速很低。由于去掉了增速齒輪箱，增加了機(jī)組的可靠性和壽命；利用許多高性能的永磁磁鋼組成磁極，不像電勵磁同步電機(jī)那樣需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的勵磁繞組，提高了氣隙磁密和功率密度，在同功率等級下，減小了電機(jī)體積。根據(jù)電機(jī)基本理論，頻率不變時，低轉(zhuǎn)速要求電機(jī)有足夠多的極數(shù)，因而這種電機(jī)的直徑相對較大。 永磁同步發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上分有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之分。如圖2-1就是一種典型的外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子內(nèi)圓上有高磁能積永磁材料拼貼而成的磁極，內(nèi)定子嵌有三相繞組。外轉(zhuǎn)子設(shè)計，使得能有更多的空間安置永磁磁極，同時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的離心力，使得磁極的固定更加牢固。由于轉(zhuǎn)子直徑暴露在外部，所以轉(zhuǎn)子的冷卻條件較好。外轉(zhuǎn)子存在的問題是主要發(fā)熱部件定子的冷卻和大尺寸電機(jī)的運(yùn)輸問題。 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有許多不同的分類方法： (1)按永磁體所在位置分類：旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，分為切向式、徑向式、混合式和軸向式四種[9]。如圖2-2所示。 （a）徑向式 （b）切向式 (c)混合式 圖2-2 永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) (2)按所使用的永磁材料種類多少分：單一式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)。 (3)按永磁體安置方式分類：表面式和內(nèi)置式。 (4)按永磁體的形狀分類：瓦片形磁極、弧形磁極、環(huán)形磁極、爪極式磁極、星形磁極、矩形磁極。 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部為帶有永磁磁極、隨風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，外部為定子鐵心。除具有通常永磁電機(jī)所具有的優(yōu)點外，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)能夠利用機(jī)座外的自然風(fēng)條件，使定子鐵心和繞組的冷卻條件得到了有效改善，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶來的氣流對定子也有一定的冷卻作用。另外，電機(jī)的外徑如果大于4m，往往會給運(yùn)輸帶來一些困難。很多風(fēng)電場都是設(shè)計在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，從電機(jī)出廠到安裝地，很可能會經(jīng)過一些橋梁和涵洞，如果電機(jī)外徑太大，往往就不能順利通過。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)降低了電機(jī)的尺寸，往往給運(yùn)輸帶來了方便。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)中，常見有四種形式的轉(zhuǎn)子磁路，分別為徑向式、切向式和軸向式。相對其他轉(zhuǎn)子磁路而言，徑向磁化結(jié)構(gòu)因為磁極直接面對氣隙，具有小的漏磁系數(shù)，且其磁軛為一整塊導(dǎo)磁體，工藝實現(xiàn)方便；而且徑向磁化結(jié)構(gòu)中，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度接近永磁體的工作點磁感應(yīng)強(qiáng)度，雖然沒有切向結(jié)構(gòu)那么大的氣隙磁密，但也不會太低，所以徑向結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性，也是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。 綜合比較，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，在同等容量等級下，電機(jī)體積較小，同時還具有很好的冷卻條件，徑向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)漏磁小，制造方便，氣隙磁密大，從而把轉(zhuǎn)速提高到最佳值。所以在本文的設(shè)計中，選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)為設(shè)計機(jī)型。 2.1.4 永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計特點 大型永磁同步發(fā)電機(jī)是隨著永磁材料制造工藝的提高而發(fā)展起來的，雖然小型發(fā)電機(jī)中也有永磁機(jī)，但是其中的永磁材料多是一些磁性能較低的磁性材料。隨著高性能稀土永磁材料釹鐵硼逐漸引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，電機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計方法就不能一味套用了。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)有自身的設(shè)計特點和分析方法。 永磁同步發(fā)電機(jī)具有很多優(yōu)點：由于省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費用減少，運(yùn)行更為可靠。采用稀土永磁后可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比；由于省去了勵磁損耗，電機(jī)效率得以提高；處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵磁同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率也比電勵磁同步發(fā)電機(jī)小。 永磁同步發(fā)電機(jī)的缺點是：制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制其輸出電壓和功率因數(shù)；由于永磁材料和加工工藝的分散性，而且永磁材料，特別是鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁的溫度系數(shù)較大，導(dǎo)致電機(jī)的輸出電壓分散，偏離額定電壓；采用稀土永磁后，目前價格仍較貴。隨著電力電子器件性能價格比的不斷提高，目前正逐步采用可控整流器和變頻器來調(diào)節(jié)電壓，上述缺點可以得到彌補(bǔ)。 2.2 永磁材料的介紹 2.2.1 永磁材料的分類 根據(jù)磁性能的不同，可將材料劃分為以下5類[10]： (1)逆磁性材料。包括惰性氣體、許多有機(jī)化合物、石墨以及若干金屬、非金屬等，大多數(shù)物質(zhì)屬于這一類。 (2)順磁性材料。鋁、鎂、含水硫酸亞鐵等屬于這類材料。 (3)反鐵磁材料。鉻、錳等。 (4)亞鐵磁材料。很容易被磁化的一類材料。 (5)鐵磁性材料。包括鐵、鎳、鈷及它們的合金，某些稀土元素的合金和化合物，鉻和錳的一些合金等。 其中后兩項的磁性能較強(qiáng)。 2.2.2 永磁材料的發(fā)展概況 永磁材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與電子信息、礦業(yè)、通信技術(shù)、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)密切相關(guān)，具有重要的戰(zhàn)略意義。全球磁性材料總產(chǎn)值平均每10年增長約1.7倍，而永磁材料產(chǎn)值的年平均增長率則在8%以上。20世紀(jì)90年代以來，我國的永磁材料產(chǎn)業(yè)得到了巨大發(fā)展，永磁材料的生產(chǎn)能力逐年提高，已成為公認(rèn)的永磁材料生產(chǎn)大國。目前，世界永磁材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有以下趨勢： (1)永磁材料的產(chǎn)量和性價比不斷提高，磁體市場發(fā)生較大變化。作為一種商品，永磁材料要占領(lǐng)并鞏固其市場、形成一個產(chǎn)業(yè)，優(yōu)良性能和具有競爭力的價格是非常重要的，可以用性價比表征其商業(yè)價值。性價比為磁體密度與單位價格的乘積再除以其磁能積。性價比的值越小，其商業(yè)價值越大，市場前景越好。 (2)我國已成為永磁體材料生產(chǎn)大國，磁體生產(chǎn)中心向我國轉(zhuǎn)移。第二次世界大戰(zhàn)前的歐洲、第二次大戰(zhàn)后的美國、20世紀(jì)60年代以后的日本均堪稱當(dāng)時的“全球磁體產(chǎn)業(yè)中心”。進(jìn)入21世紀(jì)，“全球磁體產(chǎn)業(yè)中心”已轉(zhuǎn)到我國。1990年，我國ALNiCo產(chǎn)量已居世界第一位；2000年，我國燒結(jié)鐵氧體永磁的產(chǎn)量超過日本總產(chǎn)量；2001年，我國燒結(jié)NdFeB磁體的產(chǎn)量超過日本位居全球第一，當(dāng)年全球燒結(jié)NdFeB磁體總產(chǎn)量為14465t，其中我國6400t，日本6200t，美國1030t，歐洲835t。 2.2.3 永磁材料的主要參數(shù) (1)退磁曲線 圖2-3起始磁化曲線和磁滯回線 其中-矯頑力，-剩磁密度，-飽和磁化強(qiáng)度，-飽和剩磁密度 磁滯回線窄的為軟磁材料，磁滯回線寬的為永磁材料。 圖2-4退磁曲線和磁能積曲線 1,2-退磁曲線 3,4-磁能積曲線 (2)回復(fù)線 圖2-5回復(fù)線 (3)內(nèi)稟退磁曲線 由鐵磁學(xué)理論可知，在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度間的關(guān)系為 (2-1) 而在磁性材料中 (2-2) 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和 (2-3) 內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線的關(guān)系 圖2-6內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線 (4)穩(wěn)定性 1.熱穩(wěn)定性 磁性能的損失包括可逆損失和不可逆損失，如圖2-7所示。 圖2-7可逆損失與不可逆損失 2.磁穩(wěn)定性。 3.化學(xué)穩(wěn)定性。 4.時間穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性的處理方法包括人工時效處理、交流退磁處理、磁接觸穩(wěn)定處理以及溫度循環(huán)穩(wěn)定處理。 2.2.4 永磁材料選擇的原則 永磁材料的種類多種多樣，性能相差很大，因此在設(shè)計永磁電機(jī)時首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標(biāo)。應(yīng)該盡量使永磁體工作點位于回復(fù)線上有最大磁能積的點。歸納起來，選擇的原則為： (1)應(yīng)能保證電機(jī)氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)。 (2)在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性。尤其是直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗較大，溫升較高，因此應(yīng)選擇工作溫度點高的永磁材料，使得發(fā)電機(jī)工作在永磁材料退磁曲線的直線部分。 (3)有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能以方便加工和裝配。 (4)經(jīng)濟(jì)性能好，價格適宜。 根據(jù)現(xiàn)有永磁材料的性能和電機(jī)的性能要求，一般來說， (1)隨著性能的不斷完善和相對價格的逐步降低，釹鐵硼永磁在典籍中的應(yīng)用將越來越廣泛。不僅在部分應(yīng)用場合有可能取代其他永磁材料，還可能逐步取代部分傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)。 (2)對于性能和可靠性要求很高而價格不是主要因素的場合，優(yōu)先選用高矯頑的2:17型稀土鈷永磁。1:5型稀土鈷永磁的應(yīng)用場合將有所減小，主要用于在高溫情況下使用的退磁磁場大的場合。 (3)對于性能要求一般，體積質(zhì)量限制不嚴(yán)，價格是考慮的主要因素，優(yōu)先采用價格低廉的鐵氧體永磁。 (4)在工作溫度超過的場合或?qū)囟确€(wěn)定性要求嚴(yán)的場合，如各種測量儀器用電機(jī)，優(yōu)先采用溫度系數(shù)低的鋁鎳鈷永磁。鋁鎳鈷永磁在永磁材料總量中的比例將逐步下降。 (5)在生產(chǎn)批量大且磁極形狀復(fù)雜的場合，優(yōu)先采用粘結(jié)永磁材料。 2.2.5 永磁體形狀和體積估算 (1)形狀設(shè)計 永磁體的形狀與所選擇的磁極結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于表面式磁極結(jié)構(gòu)，多采用瓦片形磁極；對于內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)，多采用矩形永磁體。 (2)體積估算 永磁電機(jī)的氣隙磁通密度是由永磁材料性能、磁路結(jié)構(gòu)形式、永磁體體積和尺寸以及外磁路的材質(zhì)和尺寸決定的。因此，設(shè)計永磁電機(jī)時，在選擇永磁材料牌號和磁路結(jié)構(gòu)形式后要先確定永磁體的體積和尺寸。而且稀土永磁的價格很貴，單位輸出功率所需永磁體體積通常是衡量電機(jī)設(shè)計優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。 2.2.6 釹鐵硼永磁材料 釹鐵硼永磁材料的主要成分是，是目前磁性能最強(qiáng)的永磁材料。它的最大磁能積可達(dá)KJ/m3，為鐵氧體永磁材料的5~12倍、鋁鈷鎳永磁材料的3~10倍，理論值為KJ/m3；剩磁最高可達(dá)1.47T，矯頑力最高可超過1000kA/m，能吸起相當(dāng)于自身重量的640倍的重物。由于不含鈷且釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，釹鐵硼的價格比稀土鈷要低的多。 釹鐵硼磁體居里溫度低，為310~410，溫度穩(wěn)定性較差，溫度系數(shù)較高，剩磁溫度系數(shù)為-(0.095~0.15)%/K，矯頑力溫度系數(shù)為-(0.4~0.7)%/K，通常最高溫度為150，目前已有商業(yè)化的耐200高溫的釹鐵硼永磁。常溫下退磁曲線為直線，但高溫下退磁曲線的下部發(fā)生彎曲，磁損失較大，若設(shè)計不當(dāng)，易發(fā)生不可逆退磁。 2.2.7 永磁體的充磁 常見的充磁方法： (1)直流充磁 在鐵磁線圈中通直流電，產(chǎn)生充磁磁場。一般適用于體積較小的永磁體，但由于能耗大、起動慢、冷卻困難以及難以產(chǎn)生強(qiáng)的充磁磁場，現(xiàn)已很少使用。 (2)脈沖磁場充磁 先將交流電轉(zhuǎn)成直流電儲存在電容器中，然后使電容瞬時放電或用大容量晶閘管放電，在充磁線圈內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的脈沖電流，從而產(chǎn)生強(qiáng)的脈沖磁場，使線圈內(nèi)的磁體被磁化。由于它具有易產(chǎn)生強(qiáng)磁場、充磁周期短、適于連續(xù)充磁、能量損耗小、造價較低、冷卻問題較易解決、設(shè)備體積小等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。 (3)超導(dǎo)磁場充磁方法 用超導(dǎo)材料繞制螺旋管，降溫到超導(dǎo)臨界溫度以下，其電阻會突然消失，只要在超導(dǎo)線圈上加很小的電壓，就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的超導(dǎo)磁場。所需功率小是其突出的優(yōu)點。 充磁方式包括： 1． 矩形永磁體的充磁方式 矩形永磁體在內(nèi)置式永磁同步電機(jī)中應(yīng)用廣泛 圖2-8矩形永磁體充磁 2． 瓦片形磁極的充磁方式，如圖2-9所示。 （a）徑向充磁 （b）平行充磁 圖2-9瓦片形磁極的充磁方式 2.3 主要設(shè)計目標(biāo) 本課題選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，設(shè)計目標(biāo)如下： (1)基本參數(shù) 額定功率為1500kW，額定電壓690V，額定轉(zhuǎn)速20rpm，額定頻率20Hz，相數(shù)為3，效率96%。 (2)運(yùn)行可靠性 從永磁材料的工作點、定子的溫升和電樞反應(yīng)情況進(jìn)行分析和設(shè)計，提高運(yùn)行的可靠性，避免工作點過低時，溫升過高和電樞反應(yīng)導(dǎo)致的永磁體不可逆去磁。 (3)控制成本 永磁材料制造工藝復(fù)雜，價格昂貴，所以要合理設(shè)計，降低永磁材料的使用量，同時電機(jī)額定運(yùn)行時，應(yīng)使永磁磁極盡量工作 在具有最大磁能的工作點上，以提高永磁材料的利用率。 (4)控制溫升 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)其定子繞組是主要發(fā)熱部件，溫升過高會降低電機(jī)效率和絕緣壽命，引起電機(jī)局部結(jié)構(gòu)變形。永磁材料一般溫度系數(shù)較高，熱穩(wěn)定性差，所以要控制溫升，防止發(fā)生永磁磁極的不可逆去磁。 (5)便于運(yùn)輸 根據(jù)我國實際的道路、橋梁施工狀況，控制電機(jī)定子外徑在4m或更低，就能很好的解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸問題。 2.4 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點 大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是隨著永磁材料制造工藝的提高而發(fā)展起來的，雖然小型發(fā)電機(jī)中也有永磁機(jī)，但是其中的永磁材料多是一些磁性能較低的磁性材料。隨著高性能稀土永磁材料釹鐵硼逐漸引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，電機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計方法就不能一味套用了。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)有自身的設(shè)計特點和分析方法。 (1)結(jié)構(gòu)特點 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速低，固然要求極數(shù)多，外徑偏大；而且永磁電機(jī)的磁負(fù)荷要高，在一定功率等級和電負(fù)荷下，直驅(qū)永磁同步電機(jī)體積要小，所以是一種外徑大、軸向長度小的扁平狀結(jié)構(gòu)。 (2)永磁材料的選取 在永磁電機(jī)中，永磁磁鋼作為電機(jī)的“磁源”，是電機(jī)的核心部件。它通常由很多小的磁塊拼貼而成。高性能的電機(jī)要求各個對稱的磁極磁性能高度一致，然而由于制造工藝所限，廠家的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與永磁材料有一定的偏差，同一型號的永磁材料，不同廠家的產(chǎn)品性能存在一定差別，所以檢測實際性能、選擇具有高度一致性的永磁材料是永磁電機(jī)設(shè)計和制造的前提。 (3)合理設(shè)置磁路 永磁體既是“磁源”，也是磁路的組成部分，它所能提供磁通和磁動勢既與本身的磁性能、磁化方向關(guān)系密切，又與外磁路的材料、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。 (4)齒槽定位轉(zhuǎn)矩 齒槽定位轉(zhuǎn)矩是定轉(zhuǎn)子之間因為齒槽存在導(dǎo)致磁場能量變化產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩，它是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)矩波動的部分成因，也是電機(jī)無法在預(yù)定風(fēng)速啟動的原因，所以在設(shè)計時，要通過選用合適的分?jǐn)?shù)槽繞組、極弧系數(shù)、小的槽開口等手段來降低齒槽轉(zhuǎn)矩。 2.5 永磁同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)的確定 永磁電機(jī)經(jīng)過幾十年的研究，其設(shè)計至今還沒有一套系統(tǒng)的公式和經(jīng)驗曲線作為依據(jù)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形尺寸大、工作轉(zhuǎn)速低，通常是一種扁平狀的結(jié)構(gòu)，這與水輪發(fā)電機(jī)很相似。水輪發(fā)電機(jī)要求具有大的飛輪力矩，因而其轉(zhuǎn)子直徑和外形尺寸較大，水輪發(fā)電機(jī)的工作條件決定了其運(yùn)行轉(zhuǎn)速不高，所以水輪發(fā)電機(jī)的這些特點說明了水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計理論可以應(yīng)用到永磁電機(jī)中來。而對于不同容量和轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)，人們已經(jīng)積累了大量的設(shè)計和制造經(jīng)驗，參考資料也很多，所以對于永磁電機(jī)的設(shè)計而言，這些都是很好的借鑒。 (1)電機(jī)主要尺寸的選擇 電機(jī)的主要尺寸包括定子鐵心內(nèi)徑和鐵心長度。確定電機(jī)主要尺寸的通常做首先確定極距，然后根據(jù)式子(2-4)確定鐵心內(nèi)徑，最后由電機(jī)常數(shù)來確定長度。 (2-4) 式中τ為極距；為定子內(nèi)徑；p為極對數(shù) 電機(jī)設(shè)計中確定極距的依據(jù)是實際電機(jī)制造過程中得出的曲線和經(jīng)驗公式。一定容量的電機(jī)，其極距τ和容量之間存在如(2-5)所示的關(guān)系。 (2-5) 式中為經(jīng)驗系數(shù)，介于9到12.5之間 電機(jī)設(shè)計的基本理論表明，電機(jī)的主要尺寸與其容量和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，這可式子(2-6)看出。其中，為電機(jī)常數(shù)；為鐵心的等效長度；p為計率；n為轉(zhuǎn)速。由于極弧系數(shù)，氣隙磁場波形系數(shù)和繞組系數(shù)負(fù)荷變化范圍很小，所以電機(jī)常數(shù)基本不變。在根據(jù)極距確定了定子內(nèi)，就可以根據(jù)電機(jī)常數(shù)來確定鐵心的長度了。 (2-6) 值得說明的是，這些設(shè)計和分析的思路來源于水輪發(fā)電機(jī)，而水輪發(fā)電機(jī)與同步電機(jī)結(jié)構(gòu)還有一定的差別，所以上面的計算結(jié)果誤差較大，較好的辦法這些分析的基礎(chǔ)上查閱已經(jīng)投入運(yùn)行的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，來確定合理和準(zhǔn)確的電機(jī)尺寸。文獻(xiàn)二十八給出了總結(jié)的永磁發(fā)電機(jī)尺寸和容量之曲線關(guān)系。計算比較可以看出，傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計方法具有很好的指導(dǎo)，但是對于永磁同步電機(jī)的設(shè)計而言，準(zhǔn)確度較差。 (2)鋼厚度的確定 永磁磁鋼厚度對電機(jī)的性能影響主要有三個方面，首先磁鋼厚度會影響氣隙磁密的大小，磁鋼較厚，氣隙磁密就會加大，功率密度增大；其次會影響到電機(jī)抗去磁能力的強(qiáng)弱，磁鋼較薄，所能提供的磁動勢就會小，當(dāng)去磁磁勢較大時，就有可能造成磁鋼的局部不可逆去磁；磁鋼厚度還會影響到電機(jī)成本，永磁材料的制造工藝復(fù)雜，成本較高，過多的采用會增加電機(jī)的制造成本。 磁鋼厚度的確定主要還是依據(jù)全電流定律，對一個極的磁路積分，定轉(zhuǎn)子軛磁壓降、定子齒部磁壓降和氣隙磁壓降都可以根據(jù)相應(yīng)欲設(shè)的相應(yīng)磁密來確定，而這些磁壓降之和就是永磁材料一個極所能提供的磁勢，此磁勢與磁鋼厚度和永磁材料的矯頑力有關(guān)，永磁材料的矯頑力有材料特性決定，所以磁鋼厚度可以得到。 (3)極弧系數(shù)的確定 極弧系數(shù)指一個極距下永磁磁極所占有的寬度。極弧系數(shù)的大小對電機(jī)的電壓波形、轉(zhuǎn)矩紋波和漏磁系數(shù)影響很大[30]，對于面裝式的轉(zhuǎn)子磁極，極弧系數(shù)過大，會造成感應(yīng)電勢三次諧波分量的增加，從而引起轉(zhuǎn)矩波動和損耗的增加，同時，極間漏磁也會上升。對于取什么樣的極弧系數(shù)才能提供好的電壓波形和降低轉(zhuǎn)矩紋波，這要視電機(jī)的其它參數(shù)來綜合考慮?？偟膩碚f，永磁同步電機(jī)的極弧系數(shù)要比電勵磁的凸極電機(jī)稍高，一般在0.65-0.8之間。 (4)氣隙磁密的確定 面裝式永磁同步電機(jī)的氣隙磁密要比普通同步電機(jī)的氣隙磁密大，通常達(dá)到0.8T以上，這也體現(xiàn)了永磁電機(jī)高功率密度的特點。 (5)每極每相槽數(shù)的確定 每極每相槽數(shù)對電機(jī)性能影響很大。選擇分?jǐn)?shù)槽繞組能夠顯著的改善電動勢波形，降低諧波的含量。但是由于分?jǐn)?shù)槽繞組磁勢中含有分?jǐn)?shù)次諧波，容易和主極磁場作用產(chǎn)生干擾力，甚至引起定子鐵心的共振，所以有時候也選用整數(shù)槽繞組。多極低速的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其定子內(nèi)徑不可能非常大，而槽寬有限，這就使得永磁電機(jī)的槽數(shù)不可能太多，從而也限制了不會太大。在小功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，有時每極每相槽數(shù)取值比1還小。為了減少定子槽數(shù)，每極每相槽數(shù)取為1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)線電壓諧波和齒槽定位轉(zhuǎn)矩較大，需要采取諸如優(yōu)化磁極極面等方法來解決。在本設(shè)計中，由于每極每相繞組為1.25，很好的利用了分?jǐn)?shù)槽限制電勢諧波的作用，諧波含量很小，而齒槽定位轉(zhuǎn)矩也不是很大。 2.6 本章小結(jié) 本章簡單介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況及結(jié)構(gòu)特點，對于永磁材料的也進(jìn)行了一系列分析介紹，以及各類材料的性能分析及選取。對于電機(jī)鐵心、繞組、電機(jī)定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑選擇、定子槽形、電機(jī)磁路的確定進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過參考國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取，以此進(jìn)行計算，對電機(jī)電磁計算整個過程作了詳盡的步驟介紹。 第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計過程 本文以1.5MW直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁計算過程為例進(jìn)行設(shè)計分析。 3.1 設(shè)計過程 一． 額定數(shù)據(jù)及主要尺寸 （1）額定數(shù)據(jù) 1．額定功率kW 2．相數(shù) 3．額定電壓V V 4．額定相電流V 5．效率 6．功率因數(shù) 7．額定轉(zhuǎn)速r/min 8．額定頻率Hz 9．固有電壓調(diào)整率 （2）永磁材料參數(shù)，如表3-1所示 10．永磁材料牌號 NdFeB B42VH 表3-1永磁材料參數(shù) 材料 NdFeB 型號 42VH 1.3T 987KA/m 最大磁能積 336.225KJ/m3 相對磁導(dǎo)率 1.05 內(nèi)稟矯頑力 1034.54KA/m 溫度系數(shù) -0.11 密度 7．5g/cmm3 溫度系數(shù) -0.57 拐點位置 0.1T 不可逆損失率 0 11．預(yù)計工作溫度 TC 12．工作溫度時的剩磁密度 T 工作溫時計算矯頑力 kA/m 13．相對回復(fù)磁導(dǎo)率 H/m （3）永磁體尺寸 14．永磁體磁化方向長度=20mm =82.4mm 15．永磁體軸向長度=1000mm 16．永磁體段數(shù)1 17．極對數(shù) 18．永磁體每極截面積mm2 19．永磁體每對極磁化方向長度 20．永磁體體積m3 21．永磁體質(zhì)量kg （4）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)子磁軛選用3 mm厚鋼板 22．氣隙寬度mm2 23．轉(zhuǎn)子外徑mm 24．轉(zhuǎn)子內(nèi)徑mm 25．轉(zhuǎn)子鐵心長度mm mm，疊壓系數(shù)0.97 26．轉(zhuǎn)子軛高度 27．極弧系數(shù)，計算極弧系數(shù) 28．極間寬度 mm mm （5）定子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 定子硅鋼片牌號DW360-50 29．定子外徑mm 30．定子內(nèi)徑mm 31．定子鐵心長度mm 32．每極每相槽數(shù) 33.定子槽數(shù) 34．繞組節(jié)距 35．短距比 36．短距因數(shù) 37．分布因數(shù) 38．繞組因數(shù) 39．預(yù)估永磁體空載工