垂直轴PMaSynRM风力发电机优化设计及减振研究.pdfVIP

摘要

在碳达峰、碳中和的国家战略目标下，我国持续发展清洁能源发电，垂直轴风

力机以其体积小、成本低和控制简单等优势符合分布式新能源发电技术的要求，而

且近些年来，随着永磁材料的价格持续上涨，供需紧缺，铁氧体的优势逐渐凸显，

但由于铁氧体的剩磁较低，无法实现普通永磁电机的高转矩高功率密度。为解决上

述问题，本文基于新型永磁电机即永磁辅助同步磁阻电机(PermanentMagnetAssisted

SynchronousReluctanceMotor，PMaSynRM)，利用其转子结构的多样性和低转速大

转矩的特点，优化设计了适用于垂直轴风力发电系统的电机。本文的主要工作如下：

首先，针对11kW垂直轴风机的风轮设计展开研究，选取NACA系列翼型，提

出了以翼型厚度与弯度组合的优化设计，确定翼型优化目标函数为升阻比，构建优

化模型，完成了对翼型的优化设计。在叶片设计方面，对叶片的弦长和叶片数量进

行设计，以提升垂直轴风力发电机的性能，提高最大风能利用率。

其次，基于电磁计算公式确定PMaSynRM的定转子基本尺寸，通过优化裂比确

定定转子的最优内外径，比较了不同槽型、不同绕组形式、转子障层数、磁障占比、

及永磁体用量等以提高电机的性能，运用有限元软件得到PMaSynRM静态场和瞬态

场下的工作特性曲线。通过退磁风险校验，推出永磁体发生均匀退磁故障的判断依

据，仿真分析可知电机初步设计合理，在额定运行情况下不会产生退磁现象。

而后，分析了电机产生振动的机理，并以此作为依据对初步设计的PMaSynRM

进行结构优化，采用了一种迭代模式下田口法的结构优化方法，以电机齿槽转矩、

输出转矩和径向电磁力为优化目标，优选了目标参数，在Maxwell中对电机转矩性

能、电感性能和磁场计算三个方面进行优化前后电机性能对比分析。

最后，对减振后的PMaSynRM进行振噪验证，在Workbench场中导入减振后的

定子三维模型，分析电机的振动模态和固有频率，然后对电机振动位移和振动加速

度进行谐响应分析，再将振动分析结果作为激励加载到噪声场中，分析不同频率下

电机声压云图以及声压级云图。分析对比电机优化后主要频率点下的振动速度峰值、

振动位移峰值和声学特性，验证算法的有效性。

关键词垂直轴风力发电机；永磁辅助同步磁阻电机；风轮设计；电机优化；振动

分析；噪声

万方数据

万方数据

Abstract

Underthenationalstrategicgoalofpeakingcarbonemissionsandachievingcarbon

neutrality,Chinacontinuestodevelopcleanenergypowergeneration.Verticalaxiswind

turbinesmeettherequirementsofdistributednewenergygenerationtechnologywiththeir

advantagesofsmallsize,lowcost,andsimplecontrol.Inrecentyears,withthecontinuous

riseinthepriceofpermanentmagnetmaterialsandtheshortageofsupplyanddemand,

theadvantagesofferritehavegraduallybecomeprominent.However,duetothelow

residualmagnetismofferrite,itisimpossibletoachievethehightorqueandhigh