永磁同步风力发电机的设计特点与方法

1.永磁同步发电机电磁的设计特点

（1）在磁路计算上，由于采用永磁材料励磁，因此要求永磁材料的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc都要大，且永磁材料的退磁曲线应呈线性变化。另外，与电励磁不同，永磁体工作点的确定是在其回复直线上，而不是在一般的平均磁化曲线上。

（2）永磁同步发电机的励磁磁场不能人工调节，所以要求它的外特性要比电励磁同步发电机的外特性要硬，也就是说，要求它的外特性陡度要小，近似直线。从而保证它的电压调整率变化不大，以满足工程实际需要。

（3）由于永磁同步发电机没有励磁绕组，永磁体本身的磁阻很大，因此其同步电抗比电励磁电机小得多，超瞬变电抗比电励磁电机大，而超瞬变电流I″也较小，且与Xd相差不大。

（4）在设计时，通常电励磁同步发电机空载特性的工作点最好选择在其平均磁化曲线的拐点附近，而永磁同步发电机的永磁体空载工作点最好选在回复直线的最大磁能积点附近，这样可以充分利用永磁体提供的有效磁能，当然在具体设计中，还要根据实际情况来确定。

由于永磁材料特性的复杂性及分散性，给永磁同步发电机的设计带来很大困难，也就是说，永磁同步发电机的几个主要性能指标以及参数，如电压调整率、同步电抗等的最后确定需要设计师们的不断完善与实践后才能解决，因而，在最初设计时要留有余地。

永磁同步发电机与电励磁同步发电机比较，在电磁设计方面要注意以下方面：

1）根据技术要求，选择合适的永磁转子结构和永磁材料。

2）永磁同步发电机不需要设计计算励磁绕组，但要计算和确定永磁体的体积、尺寸和工作点。

3）永磁同步发电机的参数计算和校核可以借助永磁体工作图进行。

4）在某些设计参数的选择与特性计算上，永磁同步发电机往往与所选用的永磁材料和转子结构型式有关。

2.永磁同步风力发电机的设计特点

与一般的永磁同步发电机相比，在风电场的永磁同步发电机还有一些特殊性，主要表现在：

（1）发电机的运行环境恶劣，要求发电机安全可靠性高，能防雨雪、防沙尘。因此设计时要注意发电机的定子电流密度比传统电机的取值小，以降低发电机运行温升。

（2）由于发电机由风轮直接驱动，故要求发电机的额定转速要非常低。要充分利用其圆周线速度缩小体积，形成直径大而轴向长度短的结构。

（3）设计时要求发电机起始建压转速低，以最大限度地提高风能利用系数，因此要合理地选择绕组匝数和铁芯长度。

（4）设计时要求发电机的转矩脉动应尽量小以使系统平稳运行，发电机输出电压波形应尽量呈正弦波。低速发电机由于极数很多而电机外径不能过大，因此定子槽数有限，不能像传统电机一样采用正常的分布绕组和短距绕组，所以采用分数槽绕组来削弱高次谐波，减小转矩脉动。

3.永磁同步发电机的设计分析方法

永磁同步发电机的设计分析方法可以分为基于“路”、基于“场”和基于“场路结合”三大类，主要有等效磁路法、电磁场解析法和电磁场数值计算法，以及由电磁场计算衍生出的多种分析方法。

（1）等效磁路法。等效磁路法是最为常见的传统电机设计方法，它是利用“场化路”的思想，把空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿界面和长度均匀分布，将磁场的计算转换为磁路的计算。在永磁发电机的设计中，一般将永磁体等效为磁势源或者磁通源，其余按照电励磁电机的磁路计算来进行。该方法形象、直观，且计算量小，运用方便。但等效磁路法只适用于方案的估算、初始方案设计和类似方案的比较，要获得比较精确的计算结果还必须辅以其他分析方法。

（2）电磁场解析法。解析法是求解偏微分方程的经典方法，即设法找到一个连续函数，将它和它的各阶偏导数代入求解的偏微分方程后得到恒等式，且满足初始状态和区域边界上的定解条件。解析法的数学理论形成于19世纪，20世纪初开始应用于电机电磁场的计算，包括分离变量法、格林函数法和积分变换法等。解析法的优点是概念明确、易于理解，具有一定的普适性，表达式明确，能够反映参数之间的依赖关系，理论上具有精确解。但是该方法适用范围非常有限，仅有极少数的问题可以直接求解，大多数问题需要设定很多假设前提条件。因此，电磁场解析法主要用于理论分析，获取简单、但具有典型意义的问题的解答。

（3）电磁场数值计算法。电磁场数值计算法的基本思想是将所求电磁场的区域划分为许多细小的网格，网格与网格之间通过网格边界和节点连接在一起，建立以网格上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组，通过计算机求解得到各节点的函数值。只要节点足够密，这些节点上的函数值就能比较准确地反映场的分布。其主要的实现方法有边界元法、有限差分法、积分方程法和有限元法，随着对理论的深入研究，近年还产生了有限元法和边界元法相结合的混合法。其中，有限元法是最有效、目前应用最为广泛的方法。

（4）场路结合分析法。场路结合是指磁路和磁场的结合，其思路是：利用电磁场数值计算求出漏磁系数、计算极弧系数、电枢有效长度等参数，然后将这些参数结合到等效磁路法的计算中。该方法可以提高磁路计算的准确性，减少对经验数据的依赖，同时所需的计算机内存和CPU时间比完全采用数值计算法要少，可大大缩短电机设计周期。目前已逐步形成了一整套场路结合设计分析方法和计算机辅助软件。

4.永磁同步发电机的定子绕组的设计特点

（1）对交流绕组的设计要求：①在一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势；②在三相绕组中，对基波来说，三相电动势和磁动势必须对称，即三相大小相等而相位上互差120°，并且三相的阻抗也要求相等；③电动势和磁动势波形力求接近正弦波，因此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽可能小；④用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好；⑤制造工艺简单，检修方便。

（2）关于分数槽绕组。

每极每相槽数为

（3）由于永磁同步发电机没有励磁绕组，永磁体本身的磁阻很大，因此其同步电抗比电励磁电机小得多，超瞬变电抗比电励磁电机大，而超瞬变电流I″也较小，且与Xd相差不大。

（4）在设计时，通常电励磁同步发电机空载特性的工作点最好选择在其平均磁化曲线的拐点附近，而永磁同步发电机的永磁体空载工作点最好选在回复直线的最大磁能积点附近，这样可以充分利用永磁体提供的有效磁能，当然在具体设计中，还要根据实际情况来确定。

由于永磁材料特性的复杂性及分散性，给永磁同步发电机的设计带来很大困难，也就是说，永磁同步发电机的几个主要性能指标以及参数，如电压调整率、同步电抗等的最后确定需要设计师们的不断完善与实践后才能解决，因而，在最初设计时要留有余地。

永磁同步发电机与电励磁同步发电机比较，在电磁设计方面要注意以下方面：

1）根据技术要求，选择合适的永磁转子结构和永磁材料。

2）永磁同步发电机不需要设计计算励磁绕组，但要计算和确定永磁体的体积、尺寸和工作点。

3）永磁同步发电机的参数计算和校核可以借助永磁体工作图进行。

4）在某些设计参数的选择与特性计算上，永磁同步发电机往往与所选用的永磁材料和转子结构型式有关。

2.永磁同步风力发电机的设计特点

与一般的永磁同步发电机相比，在风电场的永磁同步发电机还有一些特殊性，主要表现在：

（1）发电机的运行环境恶劣，要求发电机安全可靠性高，能防雨雪、防沙尘。因此设计时要注意发电机的定子电流密度比传统电机的取值小，以降低发电机运行温升。

（2）由于发电机由风轮直接驱动，故要求发电机的额定转速要非常低。要充分利用其圆周线速度缩小体积，形成直径大而轴向长度短的结构。

（3）设计时要求发电机起始建压转速低，以最大限度地提高风能利用系数，因此要合理地选择绕组匝数和铁芯长度。

（4）设计时要求发电机的转矩脉动应尽量小以使系统平稳运行，发电机输出电压波形应尽量呈正弦波。低速发电机由于极数很多而电机外径不能过大，因此定子槽数有限，不能像传统电机一样采用正常的分布绕组和短距绕组，所以采用分数槽绕组来削弱高次谐波，减小转矩脉动。

3.永磁同步发电机的设计分析方法

永磁同步发电机的设计分析方法可以分为基于“路”、基于“场”和基于“场路结合”三大类，主要有等效磁路法、电磁场解析法和电磁场数值计算法，以及由电磁场计算衍生出的多种分析方法。

（1）等效磁路法。等效磁路法是最为常见的传统电机设计方法，它是利用“场化路”的思想，把空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿界面和长度均匀分布，将磁场的计算转换为磁路的计算。在永磁发电机的设计中，一般将永磁体等效为磁势源或者磁通源，其余按照电励磁电机的磁路计算来进行。该方法形象、直观，且计算量小，运用方便。但等效磁路法只适用于方案的估算、初始方案设计和类似方案的比较，要获得比较精确的计算结果还必须辅以其他分析方法。

（2）电磁场解析法。解析法是求解偏微分方程的经典方法，即设法找到一个连续函数，将它和它的各阶偏导数代入求解的偏微分方程后得到恒等式，且满足初始状态和区域边界上的定解条件。解析法的数学理论形成于19世纪，20世纪初开始应用于电机电磁场的计算，包括分离变量法、格林函数法和积分变换法等。解析法的优点是概念明确、易于理解，具有一定的普适性，表达式明确，能够反映参数之间的依赖关系，理论上具有精确解。但是该方法适用范围非常有限，仅有极少数的问题可以直接求解，大多数问题需要设定很多假设前提条件。因此，电磁场解析法主要用于理论分析，获取简单、但具有典型意义的问题的解答。

（3）电磁场数值计算法。电磁场数值计算法的基本思想是将所求电磁场的区域划分为许多细小的网格，网格与网格之间通过网格边界和节点连接在一起，建立以网格上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组，通过计算机求解得到各节点的函数值。只要节点足够密，这些节点上的函数值就能比较准确地反映场的分布。其主要的实现方法有边界元法、有限差分法、积分方程法和有限元法，随着对理论的深入研究，近年还产生了有限元法和边界元法相结合的混合法。其中，有限元法是最有效、目前应用最为广泛的方法。

（4）场路结合分析法。场路结合是指磁路和磁场的结合，其思路是：利用电磁场数值计算求出漏磁系数、计算极弧系数、电枢有效长度等参数，然后将这些参数结合到等效磁路法的计算中。该方法可以提高磁路计算的准确性，减少对经验数据的依赖，同时所需的计算机内存和CPU时间比完全采用数值计算法要少，可大大缩短电机设计周期。目前已逐步形成了一整套场路结合设计分析方法和计算机辅助软件。(www.xing528.com)

4.永磁同步发电机的定子绕组的设计特点

（1）对交流绕组的设计要求：①在一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势；②在三相绕组中，对基波来说，三相电动势和磁动势必须对称，即三相大小相等而相位上互差120°，并且三相的阻抗也要求相等；③电动势和磁动势波形力求接近正弦波，因此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽可能小；④用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好；⑤制造工艺简单，检修方便。

（2）关于分数槽绕组。

每极每相槽数为

每极槽数为

每极槽数为

式中　Zs——定子槽数；

m——相数；

p——发电机的极对数；

A、a——整数；c/d、C/D——不可约分的分数。

理论和实践证明，D越大，发电机的启动阻转矩越小。此外，随着q值的增加，负序阻抗降低，这是我们希望的。但同时，过分增大q值，发电机抑制高次谐波的能力降低，因此，并不是q越大越好，而是阻转矩小到满足要求即可。

对整数槽绕组（即每极每相槽数q为整数的绕组）及其电动势分析表明，当采用短距和分布绕组时能改善电动势波形。在大容量低速电机（如本文所设计的永磁风力发电机）中，极数很多，由于槽数的限制，每极每相槽数不可能太多。这时，若采用较小的整数q值，一方面，不能利用分布效应来削弱由于磁极磁场的非正弦分布所感应的谐波电动势；另一方面，也使齿谐波电动势的次数较低而幅值较大。在这种情况下，若采用每极每相槽数q等于分数的绕组，即分数槽绕组，便能得到较好的电动势波形。

（3）绕组电流密度。由于永磁同步发电机是与风力机直接耦合，安装在十几米乃至上百米高塔的机舱中，要求发电机安全可靠性高，且发电机的额定转速很低，故选取该电机的电流密度j≤4A/mm2。同时在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少定子齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。

5.定转子槽数配合的设计原则

定子、转子槽数配合对提高永磁同步发电机启动性能，降低附加损耗、振动和噪音都有很大影响，选择时一般宜遵循以下原则：

（1）尽量避免一、二阶齿谐波产生同步附加转矩。

Z2≠Z1

Z2≠Z1±P

Z2≠Z1±2P

式中　Z1、Z2——定子、转子槽数。

（2）尽量减小异步附加转矩（定子斜槽能起到较好的作用）。

Z2≤1.25（Z1+p）

（3）尽量避免单向振动力。

Z2≠Z1±1

Z2≠Z1±p±1

异步电机为减小附加损耗和异步附加转矩，常采用少槽配合形式，稀土永磁同步发电机中受转子永磁体的制约，多槽配合形式有时更为有利。

式中　Zs——定子槽数；

m——相数；

p——发电机的极对数；

A、a——整数；c/d、C/D——不可约分的分数。

理论和实践证明，D越大，发电机的启动阻转矩越小。此外，随着q值的增加，负序阻抗降低，这是我们希望的。但同时，过分增大q值，发电机抑制高次谐波的能力降低，因此，并不是q越大越好，而是阻转矩小到满足要求即可。

对整数槽绕组（即每极每相槽数q为整数的绕组）及其电动势分析表明，当采用短距和分布绕组时能改善电动势波形。在大容量低速电机（如本文所设计的永磁风力发电机）中，极数很多，由于槽数的限制，每极每相槽数不可能太多。这时，若采用较小的整数q值，一方面，不能利用分布效应来削弱由于磁极磁场的非正弦分布所感应的谐波电动势；另一方面，也使齿谐波电动势的次数较低而幅值较大。在这种情况下，若采用每极每相槽数q等于分数的绕组，即分数槽绕组，便能得到较好的电动势波形。

（3）绕组电流密度。由于永磁同步发电机是与风力机直接耦合，安装在十几米乃至上百米高塔的机舱中，要求发电机安全可靠性高，且发电机的额定转速很低，故选取该电机的电流密度j≤4A/mm2。同时在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少定子齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。

5.定转子槽数配合的设计原则

定子、转子槽数配合对提高永磁同步发电机启动性能，降低附加损耗、振动和噪音都有很大影响，选择时一般宜遵循以下原则：

（1）尽量避免一、二阶齿谐波产生同步附加转矩。

Z2≠Z1

Z2≠Z1±P

Z2≠Z1±2P

式中　Z1、Z2——定子、转子槽数。

（2）尽量减小异步附加转矩（定子斜槽能起到较好的作用）。

Z2≤1.25（Z1+p）

（3）尽量避免单向振动力。

Z2≠Z1±1

Z2≠Z1±p±1

异步电机为减小附加损耗和异步附加转矩，常采用少槽配合形式，稀土永磁同步发电机中受转子永磁体的制约，多槽配合形式有时更为有利。