定子永磁型风力发电系统关键基础问题

针对风电单机容量不断增大、向海上发展等所面临的机组体积与重量日益增大，制造、安装、维护更加困难，对机组可靠性要求越来越高等新形势，本项目以提高风电系统能量效率及可靠性与容错能力为目标，提出并研究了一种模块化、容错能力强的多相定子永磁型风力发电机系统。重点研究了该电机系统的电磁、结构和冷却设计理论与原则，建立了多相磁通切换型永磁风力发电机的数学模型，阐明了结构参数、电磁参数与性能之间的映射关系，制定了该类型电机的一般设计原则和方法，为分析和设计该电机奠定了基础。发现了定子永磁型电机定子铁心存在直流偏磁、局部磁滞回环等特有物理现象，提出了综合考虑各向异性导热、接触热阻模拟、场路耦合等功能的精细化多场耦合仿真平台，实现了对电机进行完整、精确的电磁热性能参数仿真计算。从元件级（电机本体与变流器）至系统级（多相定子永磁型风力发电系统），建立了完善的高可靠性设计方案与故障下的高性能容错运行方案，提高了多相永磁直驱风力发电系统的可靠性。创建了涵盖叶轮、变流器、电机定子绕组不对称、定子绕组短路、定子绕组开路等不同故障的永磁风力发电系统故障诊断理论与方法，为实现高性能容错运行奠定了重要基础。此外，还研究了多相绕组的连接规则与协同控制、多目标最优控制以及主动缺相运行策略等基础科学问题。全面掌握了该电机系统的基本工作原理、通用设计理论与分析方法、控制策略及实现方法等关键技术，并试制研制了多种规格多相定子永磁型风力发电机，构建了实验平台，形成了较为系统完整的理论与技术体系，发表期刊论文60篇，SCI收录32篇，获授权发明专利24件。相关成果获2016年度国家技术发明二等奖等奖励，培养了2名IEEE Fellow、1名优青等高层次人才。

针对风电单机容量不断增大、向海上发展等所面临的机组体积与重量日益增大，制造、安装、维护更加困难，对机组可靠性要求越来越高等新形势，以提高风电系统能量效率及可靠性与容错能力为目标，提出并研究一种模块化、容错能力强的多相定子永磁型风力发电机系统。重点研究该电机系统的电磁、结构和冷却设计理论与原则，多物理场耦合建模与仿真，多相绕组的连接规则与协同控制，多目标最优控制，可靠性设计与容错控制策略以及主动缺相运行策略，在线监测与故障诊断技术等基础科学问题，取得理论与技术创新，全面掌握该电机系统的基本工作原理、设计与分析方法、控制策略及实现方法等关键技术，试制原理样机，构建实验平台，形成较为系统完整的理论与技术体系，为更深入的后续研究和实际应用奠定基础。本项目既面向国家重大需求又饱含丰富而深刻的科学问题，将为风力发电技术的发展探索一条新的技术路线，不仅具有重要的科学意义与学术价值，而且应用前景广阔。

早在1955年，美国学者Rauch和Johnson就开始研究永磁体方置于定子上的新型永磁无刷电机，图2所示即为最早出现的定子永磁型无刷电机结构示意图。该电机提出时作为一台单相永磁发电机运行，其工作原理如下:当转子在图2所示的A, B, C, D四个不同位置分别与定子齿对齐时，在A位置和D位置磁路完全相同，此时永磁体产生的磁通都会从左至右地进入上下两个绕组中。而当转子移动到B或C时，为永磁磁通提供了不同的路径，进入绕组中的磁通方向变为从右至左。由此，固定在定子骊部的电枢线圈中匝链的磁链极性和数量都会随着转子位置而改变，于是会在绕组中感应出交变电动势。但由于受到当时永磁体性能等因素的限制，此电机的电磁性能落后于直流电机和同步电机等电励磁电机，因此在此后的几十年中未受到重视。

随着以钕铁硼(NdFeB )为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、计算机技术、控制理论的发展，从20世纪90年代开始，陆续出现了三种

新型结构的定子永磁型无刷电机及其驱动系统 ，如图3所示。这3种结构分别为:1)双凸极永磁(doubly-salient permanent magnet DSPM)电机2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)电机; 3)磁通切换永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)电机。这3种新型永磁无刷电机在结构上最明显的特点是永磁体均置于定子，转子上既无永磁体又无绕组，因此，将它们统称为定子永磁型无刷电机。

定子永磁型无刷电机电动汽车领域

电动汽车/混合动力汽车以其超低的排放甚至零排放、节能环保等特点，受到了高度重视，并获得日益广泛的应用。电机驱动系统是电动汽车的心脏。但电动汽车的特殊运行环境和条件，要求电机系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强、免维护、转矩出力大等。特别是在混合动力汽车中，电机系常与内燃机集成为一体，环境温度高，对电机系统的冷却散热提出了严峻挑战 。

在定子永磁型电机中，永磁体和电枢绕组均位于定子侧，易于对永磁体和绕组进行直接冷却，因此非常适合电动汽车领域。图给出一台混合动力汽车用三相定子12槽/转子10极FSPM电机，该电机采用模块化结构，可以显著提高电枢绕组槽满率，并减小绕组端部尺寸，使得电机更为紧凑，进一步提高汽车空间利用率。

定子永磁型无刷电机飞轮储能领域

在飞轮储能系统中，电机驱动飞轮高速旋转，将电能转换成飞轮的旋转机械能，使得飞轮储能系统非常适合用作电网能量缓冲器和可再生能源发电系统的储能装置等。但是，采用传统转子永磁电机驱动的飞轮储能系统，即使既不充电也不放电，飞轮处于待机储能状态时，高速旋转的永磁体，将在电机铁心中产生大量损耗，不仅增加了发热量，给飞轮系统的散热提出了更高要求，而且导致储能时间只能维持数分钟甚至更短，极大地限制了应用范围。

定子永磁型电机的转子由整块硅钢片叠压而成，结构简单坚固，非常适合高速运行，令电机转子与飞轮直接藕合，可以显著提高飞轮储能系统的能量转换效率及运行可靠性。尤其是使用磁通记忆永磁电机，在飞轮储能系统进行能量转换前对永磁体充磁，在能量转换完成后再对其去磁，避免了转子随飞轮旋转所产生的铁心损耗，飞轮在储能待机状态近似零损耗。在飞轮放电时，更可根据飞轮转速的高低合理控制永磁体磁化水平，在保证正常放电的前提下，使电机铁耗最小，从而可以显著提高能量利用效率，延长飞轮储能时间。

定子永磁型无刷电机轨道交通领域

城市轨道交通所使用的驱动电机主要有旋转电机和直线电机两种 。与旋转电机驱动方式相比，直线电机驱动方式具有诸多优点，如结构简单、寿命长、爬坡能力强、轮径较小、隧道断面小和线路设计自由度大等。较为常见的是直线感应电机和直线式永磁同步电机。目前，直线感应电机驱动的轨道交通线路已获得广泛应用，但直线感应电机的效率和功率因数低;直线式永磁同步电机具有效率高、功率密度高、体积小、性能好等优点，但是传统直线永磁同步电机的电枢绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，需沿轨道铺设永磁体，制造和维护成本高，限制了其在城市轨道交通等长定子应用场合中的使用。2100433B

定子永磁型电机主要有DSPM电机、FRPM电机和FSPM电机三类，每一类型电机在结构上又有很多变化，它们既有共性，又有个体差异性。它们的共性主要体现在:

1)转矩产生机理相同。传统的直流电机、感应电机以及同步电机，都属于双边磁场电机，即励磁磁场在一边(定子或转子)，电枢磁场在另一边(转子或定子)，定转子之间的相对运动使电枢绕组中的磁链发生交变，从而感应出电势，当绕组中通入电流后，电流与电势相互作用实现机电能量转换。而定子永磁型电机的励磁源和电枢绕组都位于定子，它依靠定子直流励磁源与转子凸极的调制作用，使定子绕组中的磁链发生交变，从而产生感应电势与电磁转矩，实现机电能量转换;

2)定、转子铁心结构类似，均呈凸极结构;

3)永磁体和电枢绕组均位于定子，与转子永磁型电机相比，可方便地对永磁体进行直接冷却，从而控制其温升;

4)凸极转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构特别简单可靠，并且易于和某些应用对象直接藕合，集成一体 ;

5)电枢绕组多为集中式绕组，端部短，用铜少，电枢绕组的电阻小，铜耗低。 另一方面，由于不同类型电机中永磁体用量和布置方式不同，导致其不同的性能和特点。比如，DSPM电机的永磁体用量较少，磁链为单极性，其转矩密度也相对较低;而FSPM电机的永磁体用量较多，并且磁链为双极性，其转矩密度较高。此外，它们的感应电势波形也不同，DSPM电机和FRPM电机的电势波形基本呈梯形波，更适合采用BLDC控制模式，而FSPM电机的电势具有正弦波形，更适合BLAC控制方式等。