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随着交流电动机高性能变频调速技术及永磁同步电动机(PMSM)设计制造技术的

不断进步,以矢量控制技术为核心的PMSM工业伺服驱动器得到了飞速发展,市场

前景良好,带来了很好的社会效益和经济效益。任何一种新研发的伺服驱动器或

PMSM均需要长时间的性能验证,为此需要设计高性能测试平台。到目前为止,变频

传动系统的模拟测试平台大致包括以下几种类型:(1)能量消耗型;(2)能量回

馈型;(3)互馈对拖型。其中,能量消耗型需要直流发电机和功率电阻来模拟实

际负载,系统庞大,控制复杂,能量消耗严重。能量回馈型需要同步电动机和直流

发电机及并网装置,系统复杂,效率较低。互馈对拖型包括两种:共用交流母线型

和共用直流母线型。共用直流母线型的结构相对简单,控制容易,效率最高,整流

设备功率最小。该互馈对拖型测试平台非常适用于测试伺服驱动器2PMSM传动系

统的性能。本文建立了共用直流母线的互馈对拖型测试平台,描述了该测试平台

的工作原理,对整个机电系统进行了建模和仿真分析,给出了该测试平台的实际

运行情况分析,并对互馈对拖测试平台的损耗与效率进行了分析,提出了能效比

的概念。

摘要

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越被人们所关注，风力发电更是受到

人们的重视。现代风力发电技术的发展趋势一是无刷化，二是采用取消增速机构

的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动式永磁风力发电机。尤

其是中小型直接驱动式永磁风力发电机，结构简单，运行可靠，即可并网又可独

立运行，特别适合于我国边远地区，具有广阔的推广应用前景。

目前，国内对直接驱动式永磁风力发电机的研究还处在起步阶段，没有适用

于中小型直接驱动式永磁风力发电机成熟的设计方法，本文以50kw直接驱动式永

磁风力发电机为例，进行该种电机设训方法的研究。

首先，分析直接驱动式永磁风力发电机的设计特点。由于电机转速很低，为

了充分利用其圆周线速度，一般需要采用直径大而轴向长度短的结构，与传统高

速电机的细长结构有很大区别。因电机转速低、极数多而电机外径不能太大，定

子槽数有限，需要采用适当的极数和槽数配合、磁极和绕组结构来削弱电势谐波

和减小转矩脉动。

其次，采用等效磁路的方法，根据电机的技术要求，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，以便建立进行磁场分

析的模型。

再次，基于有限元磁场分析进行电磁性能计算。对己建立的电机模型，采用

二维场路结合的负载电流迭代法，计算不同转子位置下的电机磁场分布、绕组电

压、电流波形及瞬态电磁转矩等，对比分析不同设计方案的电机性能，确定最优

设计方案。

最后，根据永磁电机的励磁不可调性，和定子绕组匝数多，电枢去磁反应大

的特点，采用永磁体径向式和切向式相结合的混合式Halbacll结构，增加气隙磁

密，减小转子扼部磁密，从而提高电机的力能密度和减小电机体积。

关键词:直驱式低速永磁风力发电机设计

1绪论

1.1课题研究的背景与意义

风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动，因而风能也

是太阳能的一种表现形式。地球近地层每年风能总量约为13*10t5w，可以利用的

风能量至少为1012w，约是地球可以利用的水力能源总量的十倍[l]。如果世界风

能的1/10用于发电，则可达世界总发电量的(8一9)%，而由于风力的随机性和风

速变化多端，它的利用效率较低，在风能的实际利用上早期进展缓慢。

随着能源问题和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁的可再生能源，取

之不尽，用之不竭，很好地解决了燃料运输，灰渣处理和环境污染等问题。由于

它是自然能源，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的时代，风力发电越来越受

到人们的重视。世界各国对风力发电的开发利用经过了一个漫长曲折的道路，一

些经济发达国家在上个世纪70年代后期先后制定了发展规划，并投入了相当数

量的开发资金，取得了显著成绩，现在正朝着大型化、商业化、实用化方向发展。

自1990年以来，世界风力发电得到了飞速发展，风力发电装机容量几乎每3年翻

一番，到2002年底世界总装机容量已超过3.1*10，。w[z]。预计到2010年装机

容量将突破10oGw。单机容量从80年代的100一45OkW到90年代的50一750kw，

目前并网型主力机组是MW级风电机组，正在向SMW的单机容量发展，风力机叶片

直径己达80m，塔架高达到100m。