文 献 综 述

1.课题的背景与意义

风能作为一种清洁可再生能源，储量巨大，分布广泛，在目前化石能源日渐枯竭的时代，对风能的利用受到各国高度重视。2014年德国风力发电占总发电量的9%，2015年，德国境内累计1700座大型风力发电机全年发出的电力将相当于2座核电厂，可取代全国10%的用电需求。目前，世界上对风能的利用方式以风力发电的形式为主。我国的风力资源非常丰富，在开阔的北方地区与东部沿海地区有大量的风能分布，因此这些地区布置了大量风力发电系统。传统风力发电机启动转矩大，启动风速约4m/s左右，因此传统风力发电系统只能布置在高风速的偏远地区。与此同时，我国对低风速地区风能的采集和转化不足。要实现低风速区域风能的采集，即将风力发电系统布置在城市、岛区或山区等区域，则必须解决一些技术问题例如低风速启动和运行问题。作者认为，研究新型的电机结构及其在风力发电中的应用是解决低风速启动发电问题的有效办法。

传统的双馈异步风力发电系统由风力机、齿轮箱、异步电机和整流/逆变器构成，它可根据风机的转速调节励磁电流频率，达到恒频输出的目的，通过励磁电流的幅值和相位的变动实现发电机有功、无功功率的独立调节。但其一般需配用高速齿轮箱，这增加了运行过程中的震动、摩擦损耗和噪声问题。

直驱式永磁风力发电系统其取消了增速齿轮箱，包含有风力机、永磁同步发电机、脉宽调制型整流器和脉宽调制型逆变器，避免了增速齿轮带来的弊端，具有重量轻、效率高、寿命长、动态响应快的优点。直驱发电机转速较低，一般为每分钟几十至几百转，为保证其输出频率在正常范围内（30～80Hz），发电机的设计定转子直径较大，极对数较多。在电机设计过程中，确定定子直径后，会出现因转子永磁磁极数量过多导致磁极极距降低，励磁磁势不足的问题。

鉴于社会生产对新能源日益增长的需求，巨大的用电负荷令化石燃料供给愈加紧俏。若住宅、气象站、军队等部门弃用柴油发电机而选择使用风力发电提供电能，甚至建设小型分布式发电系统，那么社会对化石燃料的依赖将会降低。相比于传统风力发电机体积巨大、起动风速过高的不足，小型风力发电机体积小、易启动、安装维修便捷的优势将在低风速区域带来更多经济和环保效益。

鉴于社会生产对新能源日益增长的需求，巨大的用电负荷令化石燃料供给愈加紧俏。若住宅、气象站、军队等部门弃用柴油发电机而选择使用风力发电提供电能，甚至建设小型分布式发电系统，那么社会对化石燃料的依赖将会降低。相比于传统风力发电机体积巨大、起动风速过高的不足，小型风力发电机体积小、易启动、安装维修便捷的优势将在低风速区域带来更多经济和环保效益。

2. 双凸极永磁电机在风力发电中的应用

双凸极电机（Doubly salient permanent magnet motor简称DSPM）是20世纪50年代被提出的一种新型结构的电机，进入90年代后得到人们的广泛关注和深入研究，其具有结构简单坚固、制造方便、工作可靠、易于维护的优点，在风力发电场合具有很好的应用前景。

双凸极电机属于变磁阻电机，变磁阻电机包含单边凸极和双边凸极两种，为了获得最大的磁阻最大值与最小值比值，以及更好的机电能量转换特性，双凸极电机受到了研究人员更多的亲睐。典型的变磁阻电机利用磁阻的不等，磁通总向磁阻小的路线集中，作为电动机工作时，通电的定子绕组以磁力吸引铁磁性的转子，使磁力产生切向分力，即产生对转子的转矩。定子的通电顺序根据位置传感器检测到的转子位置所对应的最有利于对转子产生向前转动转矩的那一相定子通电，转子转过一定角度后由下一个最有利于转子产生转矩的一相通电。控制系统不断改变定子绕组的通电相序，使转子向一个方向持续转动。

变磁阻电机包含了开关磁阻电机、步进电机和双凸极电机，而双凸极电机又包括了永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机、磁通反向双凸极电机和磁通切换双凸极电机。开关磁阻电机（SRM）不同于步进电机，它是一种有位置反馈的自同步电机，其转速由电机的驱动力矩和负载的阻力矩共同决定的。步进电机是开环工作的，其转速由脉冲频率决定。开关磁阻电机有简单的转子结构，转子由硅钢片叠压制成，转子上没有线圈与磁钢，适合在高温以及高转速下工作，得到了航空电气领域的倾力研究，但开关磁阻电机始终和功率变换器配合工作，使得其发电工作变得复杂且不够可靠。

为避免开关磁阻电机的弊端在工作时导致潜在故障，科研人员将永磁体安装在开关磁阻电机结构中，形成了双凸极永磁电机（DSPM）。当定转子极弧长度满足一定关系时，双凸极电机的总气隙磁导为恒定值，此时永磁体工作点将不随转子的转动而改变，因此双凸极电机在静止时没有定位力矩，双凸极电机绕组上的交链磁通只与磁导成正比，因此双凸极电机作为发电机工作时，非常适合于低风速启动发电应用。双凸极电机的定子内安置有高矫顽力，低磁导率的永磁体，因此双凸极电机磁路的磁阻大，绕组电感较小，令电流换相能够快速完成。此外，双凸极电机作为工作时，电枢反应产生的磁链和磁动势远远小于永磁体产生的磁链和磁动势，因此合成磁链主要由永磁体决定。开关磁阻电机的电枢反应完全由电枢电流决定，其绕组电流远大于双凸极永磁电机，故双凸极永磁电机工作时产生更少的热量和噪音。

3. 双凸极永磁电机国内外发展概况

双凸极电机结构在二十世纪中期被提出，直到1995年第一个双凸极电机被美国威斯康星大学T.A.Lipo教授设计出并进行了初步实验。这种新式的机电一体化可控调速系统由双凸极永磁电机、位置传感器、功率变换器和控制器四个部分支持完成运作。双凸极电机和开关磁阻电机相似，转子为双凸极结构，它们的不同在于，双凸极电机的转子或定子上置有永磁体，可得到更大的转矩/电流比和更好的调速性能。

T.A.Lipo教授设计了一台三相6/4结构永磁双凸极电机，实现了对这一电机的调速运行，并首先提出对这种电机的弱磁控制方法以及减小定位力矩的方法[1,2]。他所设计的6/4结构双凸极电机的定子部分近似为正方形，这样的设计可以增加软磁材料磁化方向面积，提高气隙的磁感应强度，从而提高电机的性能。其定子极上安置有集中式绕组，空间上相对应的两个凸极绕组拥有相同的电磁特性，因此将这两个电枢元件串联成一相，于是构成一台三相双凸极永磁电机。

当DSPM电机的定子极弧满足一定条件时，磁铁工作点不随转子位置角而改变,绕组永磁磁链仅与该相磁成正比;永磁转矩远大于磁阻转矩且与电流成正比，因此，在正、负半周分别通入正、负电流时，电机均产生正转矩，使该电机的单位体积出力比开关磁阻电机成倍增加。同时，由于转子(或定子)内嵌入低磁导率的永磁材料，使绕阻电感小，这一方面使电流迅速换向成为可能，另一方面使磁场储能小，电机的能量转换率高。由于DSPM电机中电枢反应磁链远小于永磁磁琏，对合成磁链影响不大，而开关磁阻电机只有电枢反应磁链，它的大小主要由电流决定，故DSPM电机的绕组电流可以远小于开关磁阻电机的绕组电流，因而DSPM电机的发热和噪声远小于开关磁阻电机

参考文献

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