永磁同步风力发电机的设计说明
哈尔滨工业大学
《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计
院 (系) 电气工程及其自动化
学科电气工程
授课教师
学号
研究生
二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构
小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。
1.1小型永磁风力发电机的基本结构
按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。
（1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。
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。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。
径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。
a)径向式结构 b)切向式结构
1－永磁体2－硅钢片3－轴4－隔磁套5－紧固套
图1-1 径向式、切向式永磁电机结构图
（2）切向式永磁发电机结构如图1-1 b)所示。切向式转子磁路结构中，永磁体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，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机[2]。
（3）轴向式永磁发电机轴向磁通发电机绕组物理位置被转移到端面，电机的轴向尺寸相对较短。与径向磁场电机相比，轴向磁通电机的磁路长度要短些。电机中导体电流呈径向分布，这样有利于电枢绕组散热，可取较大电负荷，其中双定子中间转子盘式结构用得较多，结构如图1-2所示。它具有结构紧凑、转动惯量大、通风冷却效果好、噪声低、轴向长度短、可多台串联等优点，便于提高气隙磁密、提高硅钢片利用率。缺点是直径大、永磁材料用量大、结构稳定性差。在永磁体结构轴向不对称时，存在单边磁拉力，如果磁路设计不合理，漏磁通大，在等电磁负荷下，效率略低。
1—定子1 2—转子 3—定子2
图1-2盘式永磁电机定、转子结构图
永磁发电机用于风力发电可以省去电励磁发电机的电刷、滑环等装置，结构简单，但也需要满足一些特殊的要求。风力发电要求起动风速低，这就要求永磁电机的定位力矩要尽量小，因此设计时要尽量减小齿槽转矩。另外直驱式风力发电机工作转速低，极数多，考虑到风力发电机的工作环境，在保证电机性能的条件下，体积应设计的尽量小。所以定位力矩和性能体积比成为该电机在设计上的两个主要问题。
减小齿槽转矩的方法，大体可以分为两类：①采用新型结构电机，如无槽电机、磁悬浮电机等。②在传统结构上进行参数优化，如合理地选取极弧系数，采用合适的极槽配合，改变槽开口宽度（或使用磁性槽楔），采用斜槽、斜极、添
加辅助槽、磁极偏移等措施。
1.2 本文的主要研究内容
本设计主要按照任务书中的要求进行三相永磁同步风力发电机的结构设计，在此基础上进行仿真和优化，选取最佳的设计方案。利用有限元软件分析，探讨不同参数对电机性能（空载特性、负载特性、齿槽转矩等）的影响。
设计的技术要求如下：
（1）基本参数
额定功率：
额定功率因数：
额定频率：
额定转速：
额定线电压最大值：（Y接）
电压波形：正弦波
定位力矩：
（2）结构参数
最大外径：
电机长度：
转子永磁体采用表贴式结构
第2章永磁同步风力发电机的电磁设计
2.1 引言
永磁同步风力发电机，同传统的永磁同步发电机一样，在设计时要重点考虑固有电压调整率、电压波形畸变率和功率密度等性能。同时，作为直驱式风力发电机，也需要根据其自身的工作特性考虑其特殊的性能要求，如相电流较大、定位力矩较小等。如何提高电机的功率密度和减小定位力矩是本次设计的难点。
由于有限元法开发周期较长，所以目前永磁电机电磁设计仍较多采用磁路
法。通过磁路计算，初步确定电机的各部分结构和参数，编写计算程序，并核算其性能。本章的内容就是给出永磁同步发电机的主要结构和关键参数的选取和确定方式，初步确定电机的各部分尺寸和结构。
2.2 发电机主要尺寸的确定
本电机设计采用表贴式内转子结构，由于电机的电磁负荷较大，初选永磁体牌号为N38。硅钢片分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片。冷轧硅钢片磁饱和性能比热轧硅钢片好，因电机的磁负荷比较高，极槽数多，考虑到齿部的饱和问题，选用冷轧硅钢片，牌号为DW315-50。电机的转轴上不存在交变磁场，只需要提供足够的机械强度即可，因此材料选为10号钢。机壳材料选用密度较小的铝，以减轻电机重量。电枢铜线对电机的性能影响不大，选择常用材料即可。
2.2.1 主要尺寸基本关系式
永磁同步发电机的主要尺寸是电枢直径(定子内径)和轴向计算长度，
与传统电机一样，主要尺寸的基本关系式：
dp
i i i K K AB P n L D Φ?=δα4
1i 101.6 (2-1)
式中有的量是技术要求给定的(计算电磁功率和转速)，或是变化范围不大的(计算极弧系数，气隙磁场波形系数
和绕组系数
)，可以通过初选电
磁负荷来确定电机尺寸。但在本设计中，因技术要求中给定了电机的直径和长度范围，因此可直接按照给定的外形尺寸来确定电机的主要尺寸。初定定子外径148mm ，内径110mm ，轴向长度170mm 。
2.2.2 气隙长度的选择
永磁电机的气隙长度是很重要的参数，它不仅影响电机的装配工艺和杂散损耗，同时对电机的交、直轴同步电抗有影响。为减小过大的杂散损耗，降低电机的振动和噪声和便于电机装配，永磁电机的气隙长度通常比同规格的感应电机的气隙大。设计时可参照同规格的感应电机的气隙长度，并做适当修改。
本设计中，气隙长度
。
2.3 永磁体设计
永磁体尺寸包括永磁体轴向长度，磁化方向长度和宽度。轴向长度取与铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度。磁化方向长度的选取影响着电机的直轴电抗进而影响电机的许多性能。应使永磁体工作于最佳工作点，过大会造成材料浪费，增加成本；过小会使永磁体易于退磁，而且加工难度大，废品率增加。宽度的选取关系到每极磁通的大小，的大小与极弧系数有关，而对电压波形、漏磁系数和齿槽转矩等有重要影响。
在本设计中预取永磁体磁化方向长度，极弧系数，永磁体宽度按转子外径和极弧系数计算得到，。
2.4 定子绕组和铁心设计
2.4.1 绕组形式的确定
定子绕组的形式有分布式和集中式。集中式绕组的线圈直接绕在一个齿上，节距y=1。与分布式绕组相比，不仅降低了绕线的难度，而且端部短，电阻小，铜耗低，可以有效的降低电机的成本和发热[13]。
在电机极数和相数一定的情况下，定子槽数由每极每相槽数q决定。q可以为整数也可以是分数。但直驱式风力发电机中，由于电机转速较低，极数较多，q取整数会使电机定子槽数过多，这不仅使电机外径增大，还使加工成本增加，绝缘材料用量增大，降低槽利用率。更重要的是使电机齿槽转矩很大。与此相比，分数槽绕组(q取分数，本设计中取q<1)不仅能使电机槽数减少，而且能有效的减小齿槽转矩。
基于以上考虑，本设计中定子绕组采用双层分数槽集中绕组。
2.4.2 极槽数的确定
永磁电机中，极槽数的设计对电机的性能有很大的影响。合理的极槽配合可
以保证电机具有较高的绕组因数，能够改善电压波形和减小齿槽转矩。
在给定转速和频率的情况下，电机的极对数可由公式(2-2)确定
n f
p 60
(2-2)
定子槽数由每极每相槽数q 来确定。根据文献[9]，为保证集中式绕组的绕组因数大于0.95，q 的范围为0.2773-0.4178，电机的槽数Z 可取17-37。根据文献[14]，为满足三相对称和短距的要求，选取Z=36。即电机的极槽数为30极36槽。经验证，该极槽配合能实现较高的绕组系数和较小的齿槽转矩。
2.5 电机的路算结果
按以上原则选取电机的主要参数后确定电机结构并核算性能，得到电机的路算结果见表2-1～2-4。
表2-1电机重要尺寸表(mm) 表2-2 主要结构参数表
表2-3 电机主要电磁负荷表 表2-4 电机性能参数表
极弧系数 0.77 每极每相槽数 0.4 绕组因数 0.933 绕组每相串联匝数 60 每槽导体数 10 并联支路数 1 槽满率%
64.9
转子外径
110 定子外径 148 定子内径 111 气隙长度 0.5 轴径 40 转子铁心长度 170 定子铁心长度
170
电流密度
4.148 电负荷A/cm 139.981 气隙磁密T 0.809 齿磁密T 1.777 定子轭磁密T 1.564 转子轭磁密T 0.305 永磁体磁密T 0.993 每相绕组电阻 0.142 每相绕组漏抗
0.282
永磁体空载工作点 0.855/0.145 永磁体负载工作点 0.843/0.157 空载励磁电势（线max ）
V
41.392
输出电压（线max ）V
31.225 定子铁耗W 51.263 绕组铜耗W 75.556 总损耗W 185.81 输出功率W 541.682 效率%
72.404
第3章永磁同步风力发电机的有限元分析
3.1 分析模型的建立
根据第2章电磁设计中确定的方案建立电机的二维电磁场分析模型，对电机的静态磁场和瞬态磁场进行分析。
由于电机结构沿轴向是对称的，因此只建立二维模型进行分析。按几何对称性，电机的结构可分为若干个周期。本电机为30极36槽，可分为6个周期。为了缩短Maxwell 2D运行时间，本文对电机的2个周期进行建模分析。所建立模型如图3-1所示。
图3-1 永磁同步发电机有限元仿真模型图
3.2 静态场分析
图3-2为电机的磁力线分布图。显然，磁力线对称且径向分布。相邻磁极间的磁力线构成磁流通路径，相邻两个磁极间有一定的漏磁，但由于极弧系数不是很大，磁极间距比较远，漏磁较少。
图3-2 有限元分析磁力线图
图3-3为1个周期（5极6槽）内磁通密度沿圆周方向分布曲线，最大磁密为1.0727T，平均磁密0.7881T。与路算的结果（0.809T）相比，误差2.7%，在
10%以内。由于定子开槽形的影响，导致了气隙磁阻不均匀，经过定子齿部路径的磁阻要小于经过槽部路径的磁阻，因此，更多的磁力线沿着磁阻小的路径进入定子齿， 而进入槽的磁力线就相对要少得多。由此导致了气隙磁密在接近齿的地方幅值高，接近槽的地方幅值低。
20
40
60
80
100
120
-1.0
-0.50.00.51.0B (T )
Distance （mm ）
图3-3 圆周方向气隙磁密曲线
3.3 瞬态场分析
3.3.1 空载磁场分析
空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，通过空载特性我们可以了解到电机的磁路设计的是否合理。
图3-4为电机额定转速下空载反电势相电压波形曲线。分析其波形畸变率，在后处理计算器中得到线电压波形并进行傅立叶分解，得到各次谐波含量和大小如图所示。可以看出电机空载感应线电压基波幅值为27.5V,有效值为 19.45V 。路算结果18.37V ，与场算误差 5.6%。但是电压波形的正弦度并不好，畸变率7.41%。
5
10
1520
-30
-20-10010
2030E 0(V )
t (ms)
图3-4 额定转速下空载反电势波形图
齿槽转矩波形如图3-5所示，齿槽转矩最大值。
2
4
6810
-2.0
-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0T C (N m )
α(deg)
图3-5 齿槽转矩波形图
漏磁系数是指电机中永磁体提供的总磁通与进入电枢的气隙主磁通的比值，它反应的是永磁体向外电路提供的总磁通的有效利用程度，漏磁通相对较大时永磁体的利用率就差。该永磁风力同步发电机是径向结构电机，漏磁系数可通过下式进行计算：
4
321m
A A A A --=ΦΦ=
δσ (3-1)
式中
、
、
、
分别为图3-6中节点1、2、3、4处的磁矢位。
图3-6 电机冲片图
根据该方法求得电机的漏磁系数。
利用Maxwell 2D 软件的场计算器还可以得到额定转速时空载气隙磁密以及定、转子齿和轭的磁密，甚至电机内部任意一点的磁场参数。结果见表3-1。
3.3.2 负载磁场分析
电机负载运行时，绕组中电流不再为零，电枢绕组电流产生的电枢磁动势会影响气隙磁场的分布和大小。图3-7～3-9为发电机负载运行时的分析结果。可以得到电机平均转矩34.34N·m，额定输出相电流基波幅值为19.885A，额定电压31V，平均输出功率为533.818W。在额定负载下，该直驱永磁同步风力同步发电机能够输出额定的电压及功率值。发电机负载性能的场算结果与路算结果对比见表3-1。
图3-7 额定负载电机转矩图
图3-8 额定负载相反电势波形
图3-9 额定负载相电流波形
场算结果路算结果
空载
气隙磁密(T) 0.7881 0.809
定子齿磁密(T) 1.754 1.777
定子轭磁密(T) 1.526 1.564 空载线电压基波最大值（V）40.66 41.392
负载负载线电压最大值(V) 31 31.225 负载相电流最大值(A) 19.885 20.031 平均功率W 533.818 541.682
效率（%）74.2 72.404
可以看出，电机的场算结果和路算结果接近，在允许误差范围内，说明路算结果较为准确。
总结
本文对一台直驱式永磁同步风力发电机进行了结构设计和性能分析，主要内容如下：用磁路法对电机进行了结构设计和参数计算，给出了各部分结构和参数的选取和确定原则，初步确定了电机的基本电磁结构和各部分尺寸。并用有限元法对磁路法计算出的电机模型进行仿真分析，与路算结果进行对比。当然，一个完整的电机本体设计还包括很多文章中未提及的细节和内容，比如利用电磁场有限元仿真软件，还可以对电机的主要性能进行分析并在结构上进行优化设计。例如本文中极弧系数和定子内径对电机齿槽转矩和输出电压有影响，磁极偏移和分段斜极这两种方法可以减小齿槽转矩，从而提升电机的总体性能。由于篇幅有限，在此没有一一介绍。
参考文献
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Generator for a Direct-Coupled Wind-Turbine System. IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22（1）：86-94.
[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社. 2010:74.
[3] 刘婷. 直驱永磁同步风力发电机的设计研究.湖南大学硕士学位论文.
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[4] 花为，张淦.新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析[J].电力科学
与技术学报. 2009, 24(3):27-32.
[5] 黄舒淳. 交流发电机分数槽绕组设计[J].电机技术. 2009（6）：4-8.
[6] 贵献国.永磁伺服电动机优化设计分析[J].微特电机,2007,35 (7):8-9,54.
永磁同步风力发电机的设计说明
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 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。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
永磁同步电机基础知识
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的 磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为 倍。
风力发电机的设计及风力发电系统的研究毕业设计论文
毕 业 论 文 题 目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究 一、基本任务及要求： 1）基本数据：额定功率 600=N P KW 连接方式 Y 额定电压 V U N 690= 额定转速 min /1512r n N = 相数 m=3 功率因数 88.00=?s c 效率 96.0=η 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容： （1） 风力发电机的电磁设计方案； （2） 风力发电系统的研究； （3） 电机主要零部件图的绘制； （4） 说明书。 进度安排及完成时间： 2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目录 摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (10) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (10) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (10) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (20) 第3章风力发电机的设计 (27) 3.1 概述[11] (27) 3.2 风力发电机 (28) 3.2.1 风力发电机的结构 (28) 3.2.2 风力发电机的原理 (29) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (29) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (30) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (30) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (31) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (32)
风力发电机设计与制造课程设计
一．总体参数设计 总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =3.5MW ；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 12m/s （对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW ）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,V r =1.70V ave =1.70×7.0≈12m/s ） 3. 重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中： P r ——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW ； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。 由直径计算可得扫掠面积： 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822 m
4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )()()(△t P t P t P sta t += )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。
高速永磁同步发电机设计研究毕业设计
毕业设计说明书题目：高速永磁同步发电机设计研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
永磁同步电机理论
Measurement of Eddy-Current Loss Coefficient P EC -R ,Derating of Single-Phase Transformers,and Comparison with K-Factor Approach Ewald F.Fuchs ,Fellow,IEEE ,Deniz Yildirim ,Member,IEEE ,and W.Mack Grady ,Senior Member,IEEE Abstract—A power amplifier is used to supply sinusoidal cur-rents of different frequencies for measuring eddy-current losses of a 25kV A single-phase transformer under short-circuit condi-tion.Measured data show that eddy-current loss is a linear func-tion of frequency with power of 2and the eddy-current loss co- efficient linear is computed.New measurement techniques are applied to determine the derating of single-phase transformers with full-wave diode and thyristor rectifier loads.The derating of transformers has been defined such that for the (apparent,real)power transfer of a transformer the total losses are identical to the rated losses at rated temperature.A relation between apparent power,derating and K-factor is given taking into account iron-core and stray-power losses.Measured derating values are compared with computed results based on the eddy-current losses,iron-core losses,stray-power losses,and K-factors.The eddy-current loss co- efficient nonlinear is computed from harmonics caused by diode/thyristor bridge loads. Index Terms—Eddy-current loss,K-factor,nonlinear load,transformer derating. I.I NTRODUCTION R ECENT publications [1],[2]detail the separate measure-ment of the iron-core losses and copper losses of single-phase transformers under (non)sinusoidal load conditions.In order to make a contribution to the recommended practice for es-tablishing transformer capability when supplying nonsinusoidal load currents,the K-factor approach [3]–[5]is modified to im-prove the prediction of the derating [6]of single-phase trans-formers.In [7]the harmonic loss factor is employed not the K-factor as defined in [3].The objective of this paper is to es-tablish a relationship between derating,K-factor and iron-core losses and to measure - (total harmonic distortion of current)values,where the indi-vidual current harmonics can be adjusted within certain limits.Prior work includes the measurement of the temperature due to current harmonics [11]for the same type of pole transformer as tested in this paper:the temperatures were monitored in [11] Manuscript received February 27,1998;revised August 21,1998.This work was supported by the Electric Power Research Institute,Palo Alto,CA,under Contract RP 2951-07. E.F.Fuchs and D.Yildirim are with the University of Colorado,Boulder,CO 80309. W.M.Grady is with the University of Texas,Austin,TX 78712.Publisher Item Identifier S 0885-8977(00)00664-6. for THD
小型风力发电机动力结构设计毕业设计论文
第一章概述 1.1课题研究的目的和意义 数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。 表1-1 1996-2005年世界风电市场增长 从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。
小型家用风力发电机毕业设计
小型家用风力发电机毕 业设计 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。 本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC—DC—AC 变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行了系统仿真。 关键词：风力发电机组；整流——逆变；继电控制 目录
引言 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的
第一章绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。 风力发电概述 1.1.1风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，2020年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，占当时世界总电消费量×104亿kWh的%。 世界风电发展有如下特点：
风力发电机设计
高等教育自学考试毕业设计（论文） 风力发电机设计题目 级机电一体化工程09专业班级 姓名高级工程师指导教师姓名、职称
所属助学单位 2011年 4月1 日 目录 1 绪论………………………………………………………………………………… 1 1.1 风力发电机简介 (1) 1.2 风力发电机的发展史简介 (1) 1.3 我国现阶段风电技术发展状况 (2) 1.4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 (2) 2 风力发电机结构设计……………………………………………………………… 3 2.1 单一风力发电机组成 (3) 2.2 叶片数目 (3) 2.3 机舱 (4) 2.4 转子叶片 (5) 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (5) 3.1联轴器的型号及主要参数 (5) 3.2 初步估计回转体危险轴颈的大小 (5) 3.3 叶片扫描半径单元叶尖速比 (6) 4 风轮桨叶的结构设计……………………………………………………………… 6 4.1桨叶轴复位斜板设计 (6) 4.2托架的基本结构设计 (6) 5 风力发电机的其他元件的设计 (6) 5.1 刹车装置的设计 (6) 6 风力发电机在设计中的3个关键技术问题 (7) 6.1空气动力学问题 (7) 6.2结构动力学问题 (7) 6.3控制技术问题 (7)
7 风力发电机的分类………………………………………………………………… 7 8 风力发电机的选取标准 (8) 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求………………………………………… 8 9.1风力发电机对风能技术要求 (8) 9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 (9) 9.3风力电动机技术之间的能量转换 (10) 10 风力发电机在现实中的使用范例 (10) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 摘要 随着世界工业化进程不断加快，能源消耗不断增加，全球工业有害物质排放量与日俱增，造成了能源短缺和恶性疾病的多发，致使能源和环境成为当今世界两大问题。因此，风力发电的研究显得尤为重要。 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置，这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合实例，通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算，提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡，风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据，对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场，应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量，降低无功补偿的投资。 关键词：风力发电、风电场、无功补偿、电压波动
小型风力发电机毕业设计论文
小型风力发电机毕业设计 摘要 基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。 关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机
Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator
风力发电机组总体设计
1．总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 2．总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即λ＝4-7 左右，叶片数一般取2—3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能
风力发电机控制系统毕业设计(论文)word格式
风力发电机控制系统 风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30％以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gem sa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向 而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统(OS)上， 支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。
桨叶可变风力发电机设计说明
可再生能源论文 题目:桨叶长度可变风电机的理论猜想与初步设计 姓名：涛 学号：3120206016 院系：能源与动力工程学院 专业：工程热物理及节能减排 任课教师：左然 二〇二〇年五月二十九日 一、绪论 （一）研究背景
风能是一种无污染、可再生的清洁能源。早在公元前200年，人类就开始利用风能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有风能利用的记载。自第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电发电并网并使用直至现在，风力发电机经历了近百年的发展历程。20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、快速发展风力发电机，建设了风电场。现在风力发电机制造成本不断下降，已接近水力发电机的水平，制造及使用技术也日趋成熟。20世纪末，世界每年风电装机容量已近20%的增长速度发展，风电成为世界诸能源中发展最快的能源。如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机，就能提供全部电力消耗的20%，可以关闭供电力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放2 SO、2 CO和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电厂，这对于雾霾日益严重的当下有重大意义。 （二）国外发展 2012 年新增风电装机容量最多的10个国家占世界风电装机的87%。与2007 年相比，美国保持第1 名，中国超过西班牙从第3 名上升到第2 名，印度超过德国和西班牙从第5名升至第3 名，前3 名的国家合计新增装机容量占全世界的60%[4]。根据世界风能协会的统计，2012 年全世界风电装机容量新增约2726 万kW，增长率约为29%。累计达到1.21 亿kW，增长率为42%，突破1 亿kW 大关。风电总量为2600 亿kWh，占全世界总电量的比例从2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了2030 年风电满足20%甚至更多电力需求的宏大目标，这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署（IEA）2012 年颁布的《2050 年能源技术情景》判断，2012-2050年，全球风电平均每年增加7000 万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。 我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一，同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10 m 高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上风力资源，我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20 世纪80 年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。（三）发展中存在的问题 风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。由于风速、风向随机变化，引起叶片攻角不断变化，导致风电机组的效率和功率的波动，并使传动力矩产生振荡，影响电能质量和电网稳定性。随着风电技术的发展，现在许多风电机组采用了变桨矩调节技术，其叶片的安装角可以根据风速的随机变化而改变，气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的围，从而有可能在很大的风速围保持较好的空气动力学特性，
永磁风力发电机仿真
（ 二〇一四年三月 风力发电系统综合设计 风力发电系统综合设计 题 目：5KW 永磁风力发电机仿真 学生姓名：xxxx 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：风能与动力工程 班 级：x x x x 指导教师：xxxx
一、设计要求 对5KW永磁同步风力发电机进行仿真，要求查阅相关资料，选取合适的风机数据，通过MATLANB进行仿真，实现并网，并且各方面数据复合并网要求。 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。 二、基本原理 在风力发电风力发电领域基于双馈感应发电机与PMSG的风电系统应用最为广泛。由于PMSG风电系统具有运行效率高、调速范围宽等优点, 且无需齿轮箱、滑环与电刷等，已成为大功率、海上风电领域极具潜力的发展方向。 5K永磁同步发电机是一种由风力直接驱动发电机，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，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。 三、设计内容 1、永磁同步风力发电机结构原理 永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。磁极在外转子内圆上，内定子嵌有三相绕组。如图1 其转子磁路结构多为切向式转子磁路结构，径向式转子磁路结构、混合式转子磁路结构、轴向式转子磁路结构。
永磁同步电机基础知识
(一) P M S M 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 (2)d/q 轴磁链方程： 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。
风力发电机毕业设计正文
中国矿业大学 风力发电机毕业设计（含程序）
第一章绪论 4 1．1 引言 (4) 1．2 国内外风力发电技术的研究现状 (4) 1．3 风力发电机组控制技术概述 (6) 1．3．1 风力机定桨距控制技术 (6) 1．3．2 风力机变桨距控制技术 (6) 1．4 本课题的研究目的和意义 (7) 1．5 本文的主要研究工作 (7) 1．6 本章小结 (8) 第二章风力发电机的控制理论9 2．1 引言 (9) 2．2 风力发电机组的组成 (9) 2．3 风力发电机组空气动力学理论 (10) 2．3．1 风力发电机组空气动力学理论基础 (10) 2．3．2 风力机风轮空气动力学分析 (13) 2．4 风力机变桨距调节原理 (15) 2．4．1 变桨距控制理论简述 (15) 2．4．2 变桨距风力发电机组的运行状态 (17) 2．5 本章小结 (18) 第三章变桨系统的总体方案及机械机构设计19 3．1 风力发电的工作状态分析 (19) 3．2 现有的几种变桨系统比较 (20) 3．3 总体方案的设计 (21) 3．4 方案的选取 (22) 3．5 变桨系统的机构设计 (22) 3．5．1 轮毂 (23) 3．5．2 变浆轴承 (24) 3．5．3 变浆齿轮箱 (26) 3．5．4 电机 (27) 3．5．5 UPS (33) 3．5．6 变浆中心润滑系统 (36) 3．5．7 润滑剂 (38) 3．6 本章总结 (39) 第四章变桨控制系统的硬件和软件的设计40 4．1 变桨系统的功能概述 (40) 4．2 变桨距系统的控制原理 (40) 4．2．1 变距控制 (41) 4．2．2 转速控制A（发电机脱网） (41) 4．2．3 速度控制B（发电机并网） (42) 4．2．4 功率控制 (42) 4．3 控制系统实现方案 (47)