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1、 摘要当今对可再生能源的开发利用中，风能由于其突出的优点而成为了研究的热点，风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实的选择。直驱永磁同步风力发电机去掉了风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动电机转子运转在低速状态，这样就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，从而提高了运行的可靠性。本文对风力发电机的发展史和风力发电机的种类进行了详细的介绍；根据永磁电机的技术要求，进行电磁方案的初步设计，确定电机的基本结构、永磁体和铁心尺寸及绕组参数；应用ANSOFT软件进行风力发电机的设计并优化永磁发电机的性能指标。关键词: 风力发电机，永磁电机设计，ANSOFT软件 ABSTRA
2、CT Recently ,the renewable energy such as wind power have been strongly encouraged because of environmental problem and shortage of traditional energy sources in the near futureWithout the typical gearbox in wind-generating system and the disadvantages caused by gearbox，the PMSG(Permanent Magnet Syn
3、chronous Generator)is directly driven by the wind turbine at low speed，which makes the operation of the generator more liable.The history of the development of wind turbines and wind turbine types were described in detail; Based on permanent magnet motor of the technical requirements，designer makes
4、the preliminary design of the electromagnetic program, and determines the basic structure of the motor, permanent magnet and the core size and winding parameters; Apply ANSOFT ware to design wind turbine and to optimize performance of permanent magnet generator. KEY WORDS： Wind turbine, permanent ma
5、gnet motor design, ANSOFT software目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 风力发电机的发展历史概述11.2 风力发电机的分类21.2.1直驱式风力发电机21.2.2双馈式风力发电机21.3 永磁风力发电机的特点31.4 本设计开发的风力发电机4第2章 永磁风力发电机的设计52.1发电机结构的选取52.2 永磁同步发电机电机转子磁路结构62.2.1切向式转子磁路结构62.2.2径向式转子磁路结构72.2.3混合式转子磁路结构82.2.4轴向式转子磁路结构82.3 励磁电动势和气隙合成电动势92.4 交、直轴电枢反应和电枢反应电抗122.5 固有电压调
6、整率和降低措施132.6 短路电流倍数的计算142.7 永磁同步发电机电动势波形152.8 永磁材料的性能和选用162.8.1热稳定性162.8.2磁稳定性172.8.3化学稳定性172.8.4时间稳定性172.8.5永磁材料的选择原则为：172.8.6 主要尺寸的选择182.8.7 永磁体尺寸与电磁负荷的选择192.8.8 定子绕组参数202.9手算算例23第3章 运用ansoft软件进行风力发电机的设计283.1 ansoft软件介绍283.2 RMXPRT介绍及应用283.2.1 RMXPRT工作界面283.2.2RMXPRT的特点303.3 Maxwell控制板313.3.1定子设计3
7、23.3.2定子绕组设计333.3.3转子磁极数据343.4设计输出353.5性能曲线41第4章 结论48致谢49参考文献5052 第1章 绪论1.1 风力发电机的发展历史概述 我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增大20万台。随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得、各种曾经被
8、广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等、无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争；渐渐被淘汰。欧洲中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，称为著名的风车之国。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制机通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量机计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理念，采用了新型风力机设计理念，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极
9、、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初，经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。1.2 风力发电机的分类1.2.1直驱式风力发电机直驱式风力发电机是一种由风力
10、直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去驱型风力发电机齿轮箱这一传统部件。直驱风力发电机的优点是：由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。 直驱风力发电机的缺点是： 是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，
11、为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。1.2.2双馈式风力发电机交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。双馈式风力发电机组的优点是：采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，
12、补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。双馈式风力发电机组的缺点是：双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采
13、用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。表 1.1机型和特性双馈型风力发机组永磁直驱风力发电机组统维护成本 较高（齿轮箱故障多）低系统价格中高系统效率较高高电控系统体积中较大变流其容量全功率的1/3全功率变流变流系统稳定性中高电机滑环半年换碳刷，两年换滑环无碳刷，滑环电机重量轻重电机种类励磁永磁，设计时要考虑永磁体退磁问题1.3 永磁风力发电机的特点1.发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。2.可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机
14、组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。3.运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。4.电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。 但同时也存在一定缺点：需要对发电机输出的全部功率进行变频控制，故需配备全功率变频器，变频器成本较高，控制系统体积庞大；永磁发电机使用高导磁率的钕铁硼和钐钴等，这些磁性材料价格很高；永磁发电机功率因数特性差，必须由变频器来进行补偿；要求永磁材料具有很高的稳定性，而
15、高温以及电枢反应等原因可能导致永磁材料失磁。1.4 本设计开发的风力发电机本设计开发的风力发电价为5KW直驱式永磁风力发电机，通过掌握电机设计的原理特点，熟悉永磁电机基本原理和应用，完成并设计出5KW永磁式风力发电机，完成后，并对设计的电机进行各性能的计算，从而得出符合本设计的要求。第2章 永磁风力发电机的设计 2.1发电机结构的选取电机的总成本取决于材料价格和制造工艺的复杂程度。一个风力发电机组的整体设计还取决于发电机的重量和尺寸。在大多数例子中不能详细论述各种电机的设计及要求。直驱发电机直径比非直驱的发电机大得多，总重量与带增速箱的非直驱发电机相比几乎相同，制造成本稍高。研究结果表明，直驱
16、电励磁发电机似乎是最笨重又最昂贵的选择方案。原则上来说直驱型永磁发电机没有受磨耗的电刷和齿轮箱，并具有全功率变流器的优势，是其中的最佳方案。永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。与电励磁同步发电机相比，它不像电励磁同步电机那样需要结构复杂、体积庞大的励磁绕组，提高了气隙磁密度和功率密度，他在同功率等级下，减小了电机体积，具有体积小、重量轻、效率高的优点。因此，直驱风力发电中，永磁同步发电机比电励磁同步发电机更有优势。永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。磁极
17、在外转子内圆上，内定子嵌有三相绕组。外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。由于转子直接暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。外转子存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经
18、过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。从磁路结构方面而言，对于大型直驱风力发电机，径向磁场式比轴向磁场式更有经济可行性。就电机性能而言，横向磁通永磁电机因其低速发电性能好、效率高、转矩密度高，可以缩小电机的体积和重量，适合对电机体积、重量要求苛刻的应用场合。但横向磁通永磁电机制造与控制技术复杂，有待进一步研究。因此，径向磁场永磁发电机是大型风力发电机设计中应用较多的转子磁路结构。径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式，价格便宜的铁氧体永磁材料可用于内置式发电机，但转子比表贴式发电机重且机械设计复杂。对于设计大
19、型直驱风力发电机来说，高磁积能表贴式径向磁场永磁发电机似乎是一个好的选择。根据以往的研究经验及比较结果，本文中电机设计采用结构简单而稳定、便于制造的内转子径向表贴式永磁磁路结构。如图2.1所示图2.1 电机外形示意图2.2 永磁同步发电机电机转子磁路结构2.2.1切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构中，磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比轴向式结构、径向式结构要大，但是，在切向式结构中永磁体并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，尤其在级数较多情况下更为突出，因此适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。切向式转子磁路结构由于永磁体和极靴的固定方式不同，通常分为切向套
20、环式结构和切向槽锲式结构。切向套环式转子的磁通路径为：永磁体N极软铁极靴套环的磁性材料段气隙定子铁心气隙套环的磁性材料段软铁极靴永磁体S极。从磁通路径上可以看出：淘换的一部分是主磁路的组成部分，要求磁导性能好；而套环的一部分是两磁极的间隔，需要隔磁。因此套环是由高强度、高电阻率的磁性金属材料和非磁性金属材料交替组合，用电子束焊接而成。1-极靴 2-套环(磁性材料段) 3-套环(非磁性材料段)4-垫片 5-永磁体 6-非磁性衬套 7-转轴 图2.2 切向套环式转子磁路结构示意图2.2.2径向式转子磁路结构径向式转子磁路结构中永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向式结构小。
21、在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势，仅有一个永磁体截面提供每极磁通，故气隙磁密相对较低。径向式转子磁路结构中永磁体的形状主要有环形、星形、瓦片形、和矩形四种。径向星形永磁体转子磁路结构又分为无极靴和有极靴两种，在星形永磁体两端装上软铁极靴后，使交轴电枢反应磁通经极靴闭合，削弱了电枢磁动势对永磁体的去磁作用。适当选择极靴的形状和尺寸，可以使气隙不均匀和极弧系数适宜，以改善空载气隙磁场波形和调节空载漏磁系数，但结构较复杂，制造费时，交轴电枢反应对气隙磁场的作用大，容易使负载气隙磁场严重畸变；使转子直径加大，导致发电机外径加大。图23 径向瓦片形永磁体转子磁路结构2.2.3混合式转子磁路结构混合式
22、转子磁路结构是在径向和切向都放置永磁体，它可以在一定的转子直径下提供更高的气隙磁密，或者可以在气隙磁密相同的情况下缩小转子体积。在切向永磁体和径向永磁体的尺寸、相互位置配合合理的情况下，漏磁系数可以比纯切向和径向结构大大减少，即在额定输出功率和转子尺寸相同的情况下，减少永磁体用量。转子内轭采用磁性材料。混合式转子结构较复杂。对转子槽型和永磁体的加工精度要求高，制造费时。2.2.4轴向式转子磁路结构轴向式转子磁路的代表结构是爪极式转子，爪极式转子通常由两个带爪的法兰盘和一个轴向充磁的圆环或圆柱形永磁体组成。两个带爪法兰盘的爪数相等。左右两个法兰盘对合，爪极互相错开，沿圆周均匀分布。永磁体夹在两个
23、带爪法兰盘中间，一个法兰盘上的爪为N极，另一个法兰盘上的爪为S极，形成极性相异，互相错开的多级转子，法兰盘上的爪起极靴作用。爪极转子的优点：永磁体形状简单、磁性能好、磁化均匀、利用程度高；爪极的存在使气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变；交轴电枢反应在爪极中闭合，爪极之间的漏磁较大，直轴电枢反应对永磁体的去磁作用较小，永磁体具有较大的抗去磁能力；爪极系统具有良好的阻尼作用。特别适用于极性较多或频率较高的中频发电机。爪极转子的缺点：爪极的结构复杂，制造困难费时；当发电机的转速较高或容量较大时，爪极所受的离心力很大，需要采用专门的紧固措施，并适当增大电机气隙；爪极和法兰盘所占转子的体积的比例较大；电机
24、质量增加，不宜做成工频发电机；爪极中的脉动损耗较大，导致效率下降。此外，永磁同步发电机的磁路结构还有飞轮式转子磁路结构，复合励磁磁路结构，静止永磁体的磁路结构。2.3 励磁电动势和气隙合成电动势永磁同步发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E0（V）；在负载运行时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势E（V），计算公式与永磁同步电动机相同，为 E0=4.44fNKdp0K （2.1） E=4.44fNKdpNK （2.2）式中 N电枢绕组每相串联匝数； Kdp绕组因数； K气隙磁通的波形系数 0每极空载气隙磁通（Wb） N每极气隙合成磁通（Wb）空载时 = （
25、2.3） = （2.4） = （2.5）负载时 （2.6） （2.7）式中 m外磁路合成磁导标幺值 m=+ 主磁导标幺值 漏磁导标幺值0空载漏磁系数 （2.8） 永磁体提供每极磁通的截面积（cm）对径向结构 对切向结构 永磁体宽度 永磁体轴向长度 （2.9） 直轴电枢反应的标幺值 永磁体每对极磁化方向长度 对径向结构=2 对切向结构= 永磁体磁化方向长度，又称厚度图2.4 发电机空载时电动势(V)图2.5 发电机负载时电动势(V)2.4 交、直轴电枢反应和电枢反应电抗永磁同步发电机负载运行时，电枢绕组电流产生的电枢磁动势既影响气隙磁场的分布和大小，又影响永磁体的工作状态，影响的程度与转子磁路结
26、构有很大关系。对于有极靴的转子磁路结构，由于永磁体的磁导率最小，交轴电枢反应磁通主要经极靴闭合，当极靴有足够高度时，电枢反应对永磁体几乎没有影响。对气隙磁场的影响则与电励磁同步发电机基本相同，而且它的作用是可逆的，当负载去掉后气隙磁场能回复到原来的形状。对于无极靴的转子磁路结构，交轴电枢反应磁通经永磁体闭合，使永磁体的一侧去磁，另一侧增磁，因而需要进行永磁体最大去磁工作点的校核计算，以防止产生永磁体的不可逆去磁。由于永磁体的磁导率低，这种结构的交轴电枢反应磁场比同规格的电励磁同步发电机小得多，因而交轴电枢反应电抗也小得多。从电磁场计算可以看出，直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应磁通，一部分经过
27、磁导率小得永磁体，另一部分经过高度饱和的隔磁磁桥，因而直轴电枢反应电抗比同规格电励磁同步发电机小得多。计算交、直轴电枢反应电抗Xaq、Xad时，应首先求得在电枢电流交、直轴分量Iq、Id作用下电枢反应基波磁密幅值Baq1、Bdq1，用公式求得： Xaq= （2.10） Xad= （2.11）其中 Laf电枢计算长度 极距对于有极靴均匀气隙：按额定数据、cos和以求得的阻抗R1、Xq，利用相量计算额定负载时的内功率因数角 图2.6 永磁同步发电机的向量图a）电阻电感性负载 b)电阻电容性负载对于电阻电感性负载： =arctan(sin+Xq)/(cos+R1) （2.12）对于电阻电容性负载：
28、=arctan(XQ-sin)/(cos+R1) （2.13） 额定负载时每极直轴电枢磁动势 Fad=0.45mNKdpKadsinN/p （2.14） 式中Kdp直轴电枢磁动势折算系数，对于均匀气隙 Kdp=（p+sinp）/4sin(p/2) （2.15）2.5 固有电压调整率和降低措施发电机的固有电压调整率U（%）是指在负载变化而转换保持不变时所出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性，用额定电压的百分数或标幺值表示： U=（E0-U）/100 （2.16）其中U输出电压（V）对于电阻电感性负载，输出电压：U=-IN（R1cos+X1sin） （2.17）从上两式中可以看出，
29、为了降低电压调整率，必须在给定E0值得情况下尽量增大输出电压U，为此既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通量，又要减小电枢电阻R1和漏抗X1.1)为了降低电枢反应引起的去磁磁通量，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力Hc大回复磁导率小的永磁材料；同时增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影响。其次需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用。为此应选用剩磁密度Br大的永磁材料；并应增加永磁体提供每极磁通的截面积，这时磁通明显增加，可以有效地减少每相串联匝数。2)为了减小定子漏抗X1，需要选择宽而浅的定子槽型；减少电枢
30、绕组每相串联匝数。但要注意小的电枢绕组每相串联匝数是短路电流增大；缩短绕组端部长度；适当加大气隙长度；加大长径比等。3)为了减小电枢电阻，需减小电枢绕组每相串联匝数和增大导体截面积。2.6 短路电流倍数的计算永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路和瞬态（冲击）短路。瞬态短路电流通常大于稳态短路电流，常常先求出稳态短路电流倍数Ik*，然后乘以经验修正系数后得出稳态短路电流倍数。当永磁同步发电机稳态短路时，可以推出下式： E0=Ed+Ik*INXadsink （2.18）E0=4.44(bm0-hm00)fNKdpkBrAm10-4=4.44fNKdpKBrAm10-4 （2.19） Xd=4.44
31、fNKdpKBrAm10-4 （2.20） Ed=Ik*IN （2.21）Ik*=（2.22）式中 k稳态短路时的内功率因数角，k=arctan。短路电流对永磁体去磁作用的大小，除与短路电流倍数有关外，还取决于转子磁路结构形式和空载漏磁系数的大小。对于有软极极靴、极间浇铸非磁性材料、转子上安放阻尼笼有阻尼系数的磁路结构，瞬态短路电流对永磁体的去磁作用大大削弱，并接近于稳态短路电流的去磁作用。对于无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电阻率很大，几乎没有阻尼作用，瞬态短路电流的去磁作用很大。2.7 永磁同步发电机电动势波形实际电动势波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦型畸变率来表示。电压波形正
32、弦性畸变率是指该电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根值与该波形基波有效值的百分比用kU(%)表示，即U2 kU=100 （2.23）式中线电压中v次谐波的有效值（V）U1线电压的基波有效值（V）为了减小电压波形正弦性畸变率，除采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组、斜槽等措施外，还应改善气隙磁场波形，它不但与气隙形状和极弧系数有关外，还与有无软铁极靴和稳磁处理方法有关。图2.7 永磁同步发电机气隙磁场波形和电动势波形a) 空载气隙磁场波形 b) 负载气隙磁场波形 c） 线电动势波形 2.8 永磁材料的性能和选用为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料
33、的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。2.8.1热稳定性热稳定性是指永磁体有所处环境的温度的改变而引起磁性能变化的程度，故称温度稳定性，当永磁体的环境温度从t0升到t1时，磁密从B0降为B1，当温度从t1回到t0时，磁密回升至B0，而不是;以后温度在t和t间变化，则磁密在B0和B1间变化。磁性能的损失可以分为两部分： 1.可逆损失 这部分损失是不可避免的。各种永磁材料的剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度可用温度系数Br以%表示，单位为K-1。 Br=100 （2.24）2.不可逆损失 温度恢复后磁性
34、能不能回复到原有值得部分，称为不可逆损失，通常以其损失率IL（%）表示。 IL=100 （2.25）不可逆损失又可分为不可恢复损失和可恢复损失。前者是指永磁体重新充磁也不能复原的损失，一般是因为较高的温度引起永磁体微结构的变化（如氧化）而造成的。后者是指永磁体重新充磁后能复原的损失。2.8.2磁稳定性 磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。理论分析和实践证明，一种永磁材料的内禀矫顽力H越大，内禀退磁曲线的矩形度越好，则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。当Hci和HK大于某定值后，磁退曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线相重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工
35、作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。2.8.3化学稳定性受酸，碱，氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。容易氧化，故在生产过程中需要采取各种工艺措施来防止氧化，要尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高其抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层。2.8.4时间稳定性永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境或其他外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。研究表明，它与材料的内禀矫顽力Hci和永磁体的尺寸比L/D有关。对永磁材料而言，随时间
36、的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系，因此可以从较短时间的磁通损失来推算出长时间的磁通损失。2.8.5永磁材料的选择原则为：1. 应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标.2. 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。3. 有良好的机械性能，以方便加工和装配。4. 经济性要好，价格适宜。 图2.8 常用永磁材料的磁化曲线2.8.6 主要尺寸的选择首先，根据电机任务书中的给定参数的转速和发电机的频率f，可以根据公式(2.5)确定发电机的极对数p。 P=60f/ =16 (2.26)发电机的主要尺寸包括定子内径D以及发电机的轴向长度，有的参数或是技术要
37、求给定的(计算电磁功率和转速n)，或是变化范围不大的(如极 弧系数、气隙磁场波形系数和绕组系数)，电机的电磁负荷A变化范围很小，因此电机常数基本不变，根据公式可以估算出电机的体积。接下来是如何确定电机的定子内径以及发电机的轴向长度。发电机的定子内径与发电机的极 对数p及极距成正比，因此若能确定在根据极距确定了定子内径，则可以根据电机常数来确定铁心的长度了。但是在现在的研究中并没有具体的经验公式或系列曲线来确定电机的定子内径尺寸。水轮发电机与直驱风力发电机外形很相似，且要求有大的飞轮力矩，其转子直径和外形尺寸较大，运行转速不高，这些特点与直驱风力发电机非常相似。我们可以通过借鉴积累了丰富经验的水
38、轮发电机的设计理论。虽然对于永磁同步电机的设计而言，准确度较差。但是具有很好的指导意义。 在设计过程中，我们也可以在这些分析的基础上查阅已经投入运行的直驱永磁同步风力发电机的经验数据，来确定更为合理和准确的电机尺寸。在确定发电机基本数据时，应当考虑发电机的一些特征。电机的一些基本要求要考虑充分，比如效率要高、转矩波动要小。进一步说，电机的尺寸和重量不能过大，成本不能太高。低速电机可能直径会较大，长度较小，外形酷似一个大圆盘。极数很多，但不允许极距和槽距过短。同时，由于机械上的原因，电机直径大，气隙也要大。直径大到一定程度时，表贴式永磁体就需要绑扎带缠绕在转子上来保护。低速电机的气隙长度至少是直
39、径的2。气隙的大小也比一般的小容量电机大，可以利用风吹过电机的定子绕组时带走定子绕组地热量，给绕组降温，保证电机的工作温度不超过规定值。本设计的基本数据如下表2-2所示：表2-1 基本数据定子(D23)转子(D23)外径290内径70内径205长度250齿顶宽6.6056极弧半径101.5齿低宽6.57207铁心长度260槽绝缘厚度0.2单位：mm2.8.7 永磁体尺寸与电磁负荷的选择确定永磁体尺寸主要包括永磁体轴向长度Lm和磁化方向长度和极弧系数轴向长度一般取得与电机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度。磁化方向长度会影响电机的气隙磁密、抗去磁能力等。在确定永磁体磁化方向长度时太厚会造成永磁
40、体的浪费，增加电机的成本；为避免当去磁磁动势较大时磁钢的可能出现的不可逆去磁，永磁体也不能太薄，否则会导致加工的废品率上升、成本提高且使永磁体不易运输和装配。磁化方向长度的确定主要还是依据全电流定律，对一个极的磁路积分，定转子轭磁压降、定子齿部磁压降和气隙磁压降都可以根据相应预设的相应磁密来确定，而这些磁压降之和就是永磁材料一个极所能提供的磁势，此磁势与磁钢厚度和永磁材料的矫顽力有关，永磁材料的矫顽力有材料特性决定，所以可以得到磁钢厚度。极弧系数指一个极距下永磁磁极所占有的宽度。而永磁体的宽度直接决定了永磁体能够提供的磁通量，另外，极弧系数的大小对电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数也有很大的影
41、响心2I，对于径向表贴式磁极转子结构，极弧系数越大，极间漏磁会上升，另外还会增加感应电势三次谐波分量，进而引起转矩波动和损耗的增加，因此我们要综合考虑各种因素来确定极弧系数的大小，总的来说，永磁同步电机的极弧系数要比电励磁的凸极电机稍高，一般在0.650.8之间。表2-3是永磁体的数据。表2-2 永磁体的数据永磁体材料类型n38sh永磁体宽度（mm）29.7863永磁体最大厚度（mm）6.5永磁体密度（kg/m3）7800永磁体重量（kg）5.70108剩余磁通密度（）1.25矫顽力（kA/m）930极弧半径（mm）101.5机械极弧范围0.75电动极弧范围0.7583922.8.8 定子绕组
42、参数在极数、相数一定的情况下，定子的槽数由每极每相槽数q决定。槽数对电机的影响教大，可以是整数也可以是分数。由于直驱永磁同步发电机转速低，一般极数较多，而在开槽时，应保证齿、轭磁通密度及机械强度，所以开槽的个数也有一定限制，因此q也不可能取得太大。开槽时应在保证齿、轭磁通密度及机械强度的前提下，尽量加大齿槽面积，使得槽内容纳绕组的线径增加，从而减小铜耗，提高电机的效率。另外，在设计时应考虑对其它性能参数的影响以及发电机成本等综合因素来确定每极每相槽数、齿槽面积和绕组线径陋引。采用分数槽绕组时，每极每相槽数q可以成 ( 2.27)式中 m电机相数；P极对数；Q电机铁心槽数公式中N/D为不可约分数，可以是真分数，也可以是假分数；c/d为不可约真分数，而b则为整数。和整数槽绕组一样，分数槽绕组也有多种不同的构成方式；按照相带分可以有相带绕组、相带绕组和大小相带分数槽绕组，同样也有单层、双层绕组等。在使用三相分数槽绕组时，只有当q的分母D不是3或者是3的倍数时，才能获得对称的三相绕组，另外，在采用60相带分数槽绕组时，绕组每相的最大并联支路数=2p/D。本设计的绕