?本文根據自己長期小型發電設備設計經驗，結合現有小型永磁式風力發電機的特點，介紹了目前對永磁同步電機設計在電機結構和優化設計等方向的研究，提出了永磁同步發電機在定子硅鋼片、轉子外殼、軸等結構上進行改進的設計和計算方法。
? ?我國社會經濟發展迅速，對于能源的依賴較多。而能源對我國環境污染嚴重，需要大力開發清潔能源，加上國家地形復雜，人口又多，居住分散，小型風力發電系統因為屬清潔能源，對環境無污染而被廣泛利用。
目前的小型風力發電系統中，主要采用的是永磁發電機，由于永磁直流發電機換向裝置易出現故障，壽命低，造成了風力發電維護難度，直接影響到其度電成本，因此，除了對電壓波形有嚴格要求的系統之外，一般都使用永磁同步電機。
? ? 雖然，永磁同步電機采用永磁體勵磁，無需外加勵磁裝置，無需換向裝置，具有效率高、壽命長等優點。但是由于其勵磁不能調節，從而使得電壓調整率較高，輸出電壓波動范圍較大。傳統的全橋式調整依然會存在一些電壓尖刺，對蓄電池的壽命影響很大。因此，需要對永磁同步電機進行設計改進，使其具有結構簡單、重量輕、高性能的特點，以滿足小型風力發電的實際需要。
? ? 1.永磁同步電機改進研究方向
? ? 1.1.電機結構方面
? ? 永磁電機的結構隨著其技術發展，已有多種形式，主要有：永磁同步電機、永磁無刷直流電機，另外還有永磁盤式電機、永磁無軸承電機等特種電機。它們的設計準則都是利用稀土永磁體的高矯頑力，增加磁通、減小電樞反應、高速運行提高電磁效率。
? ? 1.2.優化設計方面
? ? 在稀土永磁材料價格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇水磁體的工作點，使之在滿足電機性能指標前提下，使所用的永磁材料最少，即電機的成本最低或體積最小。修改電機內部機構尺寸的參數，保證在同等電機性能下，電機的結構更合理，體積最小。
? ? 1.3.磁場分析計算和數值方法的研究
? ? 傳統的電機性能分析方法為等效磁路法，這種分析方法，減少了計算所需要的時間，在初始估算、設計方法比較時比較適用，由于永磁電機內部結構越來越多樣化，磁場分布也變得更加復雜，僅依靠這種分析方法已難以描述電機內部磁場的真實情況。
? ? 永磁電機設計中，除了電機新結構的發明創造外，最重要的發展是用有限元方法進行磁場分析。為了充分發揮永磁材料的優異性能，永磁電機的結構和傳統電機有很大的差別。永磁電機結構復雜，永磁材料的磁特性為各向異性等，這些都給磁場分析帶來了新的課題。對于一些復雜的磁場環境，除了需要進行一維分析外，還需要進行二維分析，除了靜態分析外，還需要進行瞬態分析。
? ? 2.永磁同步發電機結構改進的設計
? ? 2.1.同步發電機結構
? ? 同步電機作為交流電機的一種，其最大的優點是轉速與頻率間有嚴格不變的關系n=60f/p，即當電源頻率恒定時，電動機轉速不變，且與電源頻率成正比。異步電機則沒有這個優點。而且，同步電機定、轉子兩方磁場是相互獨立、可控的。由于永磁電機不需要直流勵磁電源，對于交流同步電機來說省去了勵磁機、自勵系統等。
? ? 2.2.同步發電機結構改進設計
? ? 發電機結構上改進設計主要有：定子硅鋼片、轉子外殼、軸的和軸承等方面設計。
? ? 2.2.1.定子硅鋼片設計
? ? 電機選用硅鋼片時需要注意幾個要點：低鐵損、高磁導率、硬度合適、耐蝕性能良好等。發電機采用牌號為DW360—50的無取向冷軋硅鋼片，其厚度為0.5mm。冷軋硅鋼片的疊壓系數能夠達到0.98，比熱軋約高3％，考慮到加工工藝，預選取疊壓系數為0.93。選擇定子槽的槽型，在小功率永磁電機中，常用的電樞槽型有梨形槽、半梨形槽、矩形槽、半閉口矩形槽等，在尺寸特別小的時候還采用圓形槽結構。沖片數量根據電樞計算所得到的定子長度來確定，通過沖片壓板將沖片壓裝在定子支承軸上，并采用斜槽結構，斜槽的扭轉寬度正好等于一個槽距。
? ? 2.2.2.轉子外殼設計
? ? 為了便于安裝永磁體、便于對電機內部結構進行維護，電機所設計的轉子外殼分成三個部分，包括：轉子前殼、轉子后殼和轉子外殼，通過螺栓連接成一個整體。做成三個部分的好處是，各個部分都可以使用鋼材或鋼管車削而成。在加工過程中，可以根據需要，隨時將三個部分臨時進行組裝，組合起來進行精加工，可以保證整個設備的加工精度。轉子外殼用于安裝永磁鐵，需要在其內表面銑出凹槽。轉子前后殼需要安裝軸承，其結構根據軸承計算獲得尺寸設計。轉子后殼還需要和葉片連接。
? ? 2.2.3.軸的設計
? ? 電機的支承軸可以劃分成四個部分：兩個用于和軸承裝配的軸段，一個安裝定子矽鋼片的軸段，另一個安裝在基座上的軸段。軸的直徑首先由軸承計算所確定，再確定其余軸段的直徑。在設計軸的長度時，需要注意葉片于塔架之間的間距問題，因此在電機到基座之間，軸應該預留一段長度，并通過后續有限元分析，在保證結構強度的前提下，優化這段尺寸。