文献综述

1 引言

现今最广泛使用的能源是煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消耗量增长迅速。但是，石油和天然气的储量是有限的，煤炭资源虽然远比石油和天然气资源丰富，但是直接应用煤炭会严重污染环境，温室效应造成的全球变暖问题已经对人类的生存产生了越来越大的威胁。20 世纪 70 年代世界连续出现了石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑新能源和可再生能源的利用问题。”开发利用可再生能源，改善能源结构，减排温室气体，保护环境”已成为了世界各国政府的共识。一场世界性的开发利用新能源的浪潮已经到来^[1]。

水能、生物质能、太阳能、风能、地热能和海洋能等是可再生能源，它们用过以后可以恢复补充，而且无污染。地球上可以利用的风能为 MW，可利用风能是地球上可利用的水力的10倍。因此，在可再生能源中，风能是一种非常可观的、有前途的能源。由于风能的突出的优点，导致风力发电成为研究的热门。变速恒频风力发电技术因其高效性为人们所看重，而其中的直驱式风力发电系统因其可实现性和短期就能见到收益的特点更受到了广大用户的青睐^[2]。

文献[3]和文献[4]介绍了盘式两相双凸极永磁同步发电机是一种结构简单、坚固可靠的低速交流永磁同步发电机它可以由风力机直接驱动。它具有结构紧凑、通风效果好、转动惯量大和高效率等的特点，比较适用于直驱式的变速恒频的风力发电系统中。

2 盘式两相双凸极永磁发电机的发展

文献[5]中讲述1821年，法拉第发明了第一台异步电动机#8212;#8212;盘式异步电动机（以下简称盘式电机）。因为其绕组沿盘状电枢铁心径向放置，产生沿轴向的气隙磁通，因而也称为轴向磁场电机。但由于当时此类电机的定转子铁心制造困难，采用铣槽工艺不仅生产率低，还会造成齿槽宽度分度不均，以及引起铁心钢片间短路，增加铁耗；其次是运行时定转子之间产生轴向电磁吸力，使轴承负荷增大，寿命缩短，机械损耗增加，效率降低。因此，当1837年柱式电机（即径向磁场电机）问世以后，盘式电机便受到冷落。一百多年来，柱式电机一直处于主导地位，具有明显的优势。但是，径向磁场电机也有一些固有的缺点，如齿根处狭窄的”瓶颈效应”，转子散热条件不好，转子铁心利用率不高等，要求从外形上加以变革，以促进电机的发展。特别是在铁心材料的利用上，柱式电机只能达到 70％～75％，而盘式电机可达到 95％及以上。于是，盘式电机再度受到了重视^[6]。

随着技术的进步，进入 70 年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展，在生产生活中发挥了越来越大的作用。在风力发电方面，变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越引起人们的重视，国内外许多学者都将目光投向直驱式的风力发电系统^[7]。在这种变速风力发电机组中，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机直接连接到风力发电机组的轴上，转子的转速随风速而改变。中型及大型风力机的转速约为 10～40r/min，比水轮机地转速还要低。这么低的转速直接驱动发电机，势必会造成发电机的转子磁极数显著增加，因此转子采用永磁体，整个电机采用盘式结构代替以往的圆柱式结构，可以使转子结构简单，电机制造更加方便。盘式永磁同步发电机的定子内径很大，因而转子尺寸及惯量很大，这样就不会因为风力机的一个轻微扰动而对发电机的输出产生很大的影响，这对平抑风力起伏引起的电动势的波动是有利的。因此盘式永磁同步发电机的应用越来越受注目，作为一种应用于风力发电系统中的新型电机的研究也正在获得不断发展 ^[8]。

3 盘式两相双凸极永磁发电机结构

文献[9]分析了盘式永磁发电机机轴向尺寸短，重量轻，体积小，结构紧凑，由于采用永磁体磁钢激磁，转子无损耗，电机运行效率高，而且定、转子对等排列，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。盘式永磁发电机机的典型结构如图3.1所示^[10]，定、转子均为圆盘形，在电机中对等放置，产生轴向的气隙磁场。定子铁心由双面绝缘的冷轧硅钢片带料卷绕而成，绕组导体沿径向放置。转子为高磁能 积的永磁薄钢片和强化纤维塑料构成的薄圆盘^[11]。