定子永磁型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵基礎(chǔ)問題

針對風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機(jī)組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護(hù)更加困難，對機(jī)組可靠性要求越來越高等新形勢，本項(xiàng)目以提高風(fēng)電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯(cuò)能力為目標(biāo)，提出并研究了一種模塊化、容錯(cuò)能力強(qiáng)的多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了該電機(jī)系統(tǒng)的電磁、結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)計(jì)理論與原則，建立了多相磁通切換型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，闡明了結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)與性能之間的映射關(guān)系，制定了該類型電機(jī)的一般設(shè)計(jì)原則和方法，為分析和設(shè)計(jì)該電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)了定子永磁型電機(jī)定子鐵心存在直流偏磁、局部磁滯回環(huán)等特有物理現(xiàn)象，提出了綜合考慮各向異性導(dǎo)熱、接觸熱阻模擬、場路耦合等功能的精細(xì)化多場耦合仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)進(jìn)行完整、精確的電磁熱性能參數(shù)仿真計(jì)算。從元件級（電機(jī)本體與變流器）至系統(tǒng)級（多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），建立了完善的高可靠性設(shè)計(jì)方案與故障下的高性能容錯(cuò)運(yùn)行方案，提高了多相永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。創(chuàng)建了涵蓋葉輪、變流器、電機(jī)定子繞組不對稱、定子繞組短路、定子繞組開路等不同故障的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷理論與方法，為實(shí)現(xiàn)高性能容錯(cuò)運(yùn)行奠定了重要基礎(chǔ)。此外，還研究了多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制、多目標(biāo)最優(yōu)控制以及主動(dòng)缺相運(yùn)行策略等基礎(chǔ)科學(xué)問題。全面掌握了該電機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理、通用設(shè)計(jì)理論與分析方法、控制策略及實(shí)現(xiàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)，并試制研制了多種規(guī)格多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺，形成了較為系統(tǒng)完整的理論與技術(shù)體系，發(fā)表期刊論文60篇，SCI收錄32篇，獲授權(quán)發(fā)明專利24件。相關(guān)成果獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，培養(yǎng)了2名IEEE Fellow、1名優(yōu)青等高層次人才。

針對風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機(jī)組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護(hù)更加困難，對機(jī)組可靠性要求越來越高等新形勢，以提高風(fēng)電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯(cuò)能力為目標(biāo)，提出并研究一種模塊化、容錯(cuò)能力強(qiáng)的多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。重點(diǎn)研究該電機(jī)系統(tǒng)的電磁、結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)計(jì)理論與原則，多物理場耦合建模與仿真，多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制，多目標(biāo)最優(yōu)控制，可靠性設(shè)計(jì)與容錯(cuò)控制策略以及主動(dòng)缺相運(yùn)行策略，在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)等基礎(chǔ)科學(xué)問題，取得理論與技術(shù)創(chuàng)新，全面掌握該電機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理、設(shè)計(jì)與分析方法、控制策略及實(shí)現(xiàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)，試制原理樣機(jī)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺，形成較為系統(tǒng)完整的理論與技術(shù)體系，為更深入的后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)目既面向國家重大需求又飽含豐富而深刻的科學(xué)問題，將為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展探索一條新的技術(shù)路線，不僅具有重要的科學(xué)意義與學(xué)術(shù)價(jià)值，而且應(yīng)用前景廣闊。

早在1955年，美國學(xué)者Rauch和Johnson就開始研究永磁體方置于定子上的新型永磁無刷電機(jī)，圖2所示即為最早出現(xiàn)的定子永磁型無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該電機(jī)提出時(shí)作為一臺單相永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其工作原理如下:當(dāng)轉(zhuǎn)子在圖2所示的A, B, C, D四個(gè)不同位置分別與定子齒對齊時(shí)，在A位置和D位置磁路完全相同，此時(shí)永磁體產(chǎn)生的磁通都會從左至右地進(jìn)入上下兩個(gè)繞組中。而當(dāng)轉(zhuǎn)子移動(dòng)到B或C時(shí)，為永磁磁通提供了不同的路徑，進(jìn)入繞組中的磁通方向變?yōu)閺挠抑磷?。由此，固定在定子驪部的電樞線圈中匝鏈的磁鏈極性和數(shù)量都會隨著轉(zhuǎn)子位置而改變，于是會在繞組中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢。但由于受到當(dāng)時(shí)永磁體性能等因素的限制，此電機(jī)的電磁性能落后于直流電機(jī)和同步電機(jī)等電勵(lì)磁電機(jī)，因此在此后的幾十年中未受到重視。

隨著以釹鐵硼(NdFeB )為代表的新型稀土永磁材料的出現(xiàn)和功率電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了三種

新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ，如圖3所示。這3種結(jié)構(gòu)分別為:1)雙凸極永磁(doubly-salient permanent magnet DSPM)電機(jī)2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)電機(jī); 3)磁通切換永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)電機(jī)。這3種新型永磁無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上最明顯的特點(diǎn)是永磁體均置于定子，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，因此，將它們統(tǒng)稱為定子永磁型無刷電機(jī)。

定子永磁型無刷電機(jī)電動(dòng)汽車領(lǐng)域

電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車以其超低的排放甚至零排放、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，受到了高度重視，并獲得日益廣泛的應(yīng)用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟。但電動(dòng)汽車的特殊運(yùn)行環(huán)境和條件，要求電機(jī)系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、可靠性強(qiáng)、免維護(hù)、轉(zhuǎn)矩出力大等。特別是在混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)系常與內(nèi)燃機(jī)集成為一體，環(huán)境溫度高，對電機(jī)系統(tǒng)的冷卻散熱提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 。

在定子永磁型電機(jī)中，永磁體和電樞繞組均位于定子側(cè)，易于對永磁體和繞組進(jìn)行直接冷卻，因此非常適合電動(dòng)汽車領(lǐng)域。圖給出一臺混合動(dòng)力汽車用三相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極FSPM電機(jī)，該電機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以顯著提高電樞繞組槽滿率，并減小繞組端部尺寸，使得電機(jī)更為緊湊，進(jìn)一步提高汽車空間利用率。

定子永磁型無刷電機(jī)飛輪儲能領(lǐng)域

在飛輪儲能系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，使得飛輪儲能系統(tǒng)非常適合用作電網(wǎng)能量緩沖器和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置等。但是，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛輪儲能系統(tǒng)，即使既不充電也不放電，飛輪處于待機(jī)儲能狀態(tài)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的永磁體，將在電機(jī)鐵心中產(chǎn)生大量損耗，不僅增加了發(fā)熱量，給飛輪系統(tǒng)的散熱提出了更高要求，而且導(dǎo)致儲能時(shí)間只能維持?jǐn)?shù)分鐘甚至更短，極大地限制了應(yīng)用范圍。

定子永磁型電機(jī)的轉(zhuǎn)子由整塊硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，非常適合高速運(yùn)行，令電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率及運(yùn)行可靠性。尤其是使用磁通記憶永磁電機(jī)，在飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換前對永磁體充磁，在能量轉(zhuǎn)換完成后再對其去磁，避免了轉(zhuǎn)子隨飛輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的鐵心損耗，飛輪在儲能待機(jī)狀態(tài)近似零損耗。在飛輪放電時(shí)，更可根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)速的高低合理控制永磁體磁化水平，在保證正常放電的前提下，使電機(jī)鐵耗最小，從而可以顯著提高能量利用效率，延長飛輪儲能時(shí)間。

定子永磁型無刷電機(jī)軌道交通領(lǐng)域

城市軌道交通所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)兩種 。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、爬坡能力強(qiáng)、輪徑較小、隧道斷面小和線路設(shè)計(jì)自由度大等。較為常見的是直線感應(yīng)電機(jī)和直線式永磁同步電機(jī)。目前，直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通線路已獲得廣泛應(yīng)用，但直線感應(yīng)電機(jī)的效率和功率因數(shù)低;直線式永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度高、體積小、性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)直線永磁同步電機(jī)的電樞繞組和永磁體分別放置在電機(jī)的初級和次級，需沿軌道鋪設(shè)永磁體，制造和維護(hù)成本高，限制了其在城市軌道交通等長定子應(yīng)用場合中的使用。2100433B

定子永磁型電機(jī)主要有DSPM電機(jī)、FRPM電機(jī)和FSPM電機(jī)三類，每一類型電機(jī)在結(jié)構(gòu)上又有很多變化，它們既有共性，又有個(gè)體差異性。它們的共性主要體現(xiàn)在:

1)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理相同。傳統(tǒng)的直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及同步電機(jī)，都屬于雙邊磁場電機(jī)，即勵(lì)磁磁場在一邊(定子或轉(zhuǎn)子)，電樞磁場在另一邊(轉(zhuǎn)子或定子)，定轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動(dòng)使電樞繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而感應(yīng)出電勢，當(dāng)繞組中通入電流后，電流與電勢相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。而定子永磁型電機(jī)的勵(lì)磁源和電樞繞組都位于定子，它依靠定子直流勵(lì)磁源與轉(zhuǎn)子凸極的調(diào)制作用，使定子繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢與電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換;

2)定、轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)類似，均呈凸極結(jié)構(gòu);

3)永磁體和電樞繞組均位于定子，與轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)相比，可方便地對永磁體進(jìn)行直接冷卻，從而控制其溫升;

4)凸極轉(zhuǎn)子僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，既無永磁體，也沒有繞組，結(jié)構(gòu)特別簡單可靠，并且易于和某些應(yīng)用對象直接藕合，集成一體 ;

5)電樞繞組多為集中式繞組，端部短，用銅少，電樞繞組的電阻小，銅耗低。 另一方面，由于不同類型電機(jī)中永磁體用量和布置方式不同，導(dǎo)致其不同的性能和特點(diǎn)。比如，DSPM電機(jī)的永磁體用量較少，磁鏈為單極性，其轉(zhuǎn)矩密度也相對較低;而FSPM電機(jī)的永磁體用量較多，并且磁鏈為雙極性，其轉(zhuǎn)矩密度較高。此外，它們的感應(yīng)電勢波形也不同，DSPM電機(jī)和FRPM電機(jī)的電勢波形基本呈梯形波，更適合采用BLDC控制模式，而FSPM電機(jī)的電勢具有正弦波形，更適合BLAC控制方式等。