一種垂直軸風機用雙三相不均齒永磁直驅發電機

本發明涉及電機，具體涉及一種垂直軸風機用雙三相不均齒永磁直驅發電機。

背景技術：

1、永磁游標電機是近年來電機技術發展的新熱點，其是在永磁同步電機的基礎上結合了磁場調制效應發展而來的，具有低轉速、大轉矩的特點，廣泛應用在直驅型風力發電機、重載電力拖動系統等領域種。

2、傳統永磁游標電機的調制齒在圓周方向上分布均勻，同相繞組纏繞的定子齒磁通同步性較差，從而導致合成電勢減小，并且在直驅風力發電機領域使用時，電機轉速受環境風速影響較大，為了進一步開發永磁游標發電機的潛能，本發明提出了一種新型定子結構，其采用了不均勻分布的調制齒，減小了同相繞組內的相位差，增大了電機空載反電勢幅值，并利用不均勻齒實現了電角度差可調的雙三相繞組。雙三相繞組可通過組合兩相繞組，產生多種不同的額定工作功率，可以很好的在小型直驅風力發電機領域應用。

3、在此基礎上，本專利提出了一種垂直軸風機用雙三相不均齒永磁直驅發電機及其多目標優化算法，來規范化快速設計不均勻齒電機。并且提出了基于熵權優劣解距離法和黑翅鳶算法結合的多目標權重代理優化算法，更夠客觀計算優化目標的權重系數，并體現在電機的代理模型上。權重代理模型可以對優化目標的重要性進行分級，以重要性更高的目標進行優化，結合智能算法，可以高效的對電機進行全局多目標優化，具有良好的工程應用價值。

技術實現思路

1、本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

2、為此，本發明提出了一種新型定子結構，其采用了不均勻分布的調制齒，提高了定子齒上的電磁同步性，增大了電機空載反電勢幅值，并利用雙三相繞組結合多模式工作原理實現了電機在不同環境風速下不借助機械裝置穩定轉速的功能。并且本文提出了一種針對于不均勻齒游標電機的優化設計方法，可以高效的設計優化此類電機。

3、為達上述目的，本發明的技術方案如下：

4、一種垂直軸風機用雙三相不均齒永磁直驅發電所述垂直軸風機用雙三相不均齒永磁直驅發電機具體包括：定子和轉子，定子套在轉子中；定子包括定子鐵心和定子繞組，定子鐵心上有定子軛、定子齒和不均勻分布的調制齒，調制齒通過定子齒與定子軛連接，并且調制齒與定子齒在徑向上有一定的偏轉角度，定子繞組為環形集中繞組，繞在定子齒上，定子齒、調制齒及定子繞組數量相同；轉子部分包括磁橋、轉子鐵心和永磁體，磁橋將轉子鐵心連接。

5、一種先進的多目標優化算法，該算法創新性地融合了熵權優劣解距離法與黑翅鳶算法的優勢。具體而言，熵權優劣解距離法被用于精確計算代理模型中各個優化目標的優化權重，從而實現對優化目標的分級優化處理。在此基礎上，代理模型能夠利用樣本集數據高效計算出電機的映射函數。進一步地，通過引入黑翅鳶算法，該算法能夠高效的得到電機的最優參數。這種結合不僅提高了優化過程的效率，還增強了算法在處理復雜多目標優化問題時的準確性和魯棒性。

6、進一步的，所述定子齒寬度與調制齒寬度不同，定子齒要較寬于調制齒，調制齒與定子齒數量相同。

7、進一步地，所述的不均勻調制齒在圓周方向上呈現非均勻分布，但遵循特定的分布規律。具體而言，以同一相繞組上的齒作為一組，每組內部的兩齒之間的間距保持一致，并且所有組別中的這一距離是相同的。然而，不同組別之間，即兩組相鄰的不均勻調制齒之間的距離并不固定。為了便于闡述，我們將這些繞組標記為abc和abc兩類。在雙三相繞組結構中，相對應的相位，例如a與a、b與b以及c與c，之間的齒組間距是恒定不變的。本專利中引入了“不均勻系數”的概念來描述這種特殊的布局方式。鑒于存在兩種不同類型的間距安排，因此定義了兩種不同的不均勻系數用以區分它們：c1代表一組齒內的兩齒間距，反應不均勻齒對發電機性能的提升；c2代表齒組間間距，代表了不均勻齒對發電機工作范圍拓展，具體定義為：

8、

9、其中，其中，θt為調制齒間角度，pr為電機的永磁體極對數，nst為電機的定子齒數，θg為相鄰調制齒組間角度。

10、進一步地，所述集中繞組構成了一種雙三相繞組結構。通過改變這兩組三相繞組之間的串并聯配置，可以實現對電機工作模式的調整。為了統一表述方向性，本文規定以繞組產生電動勢的方向作為正方向。基于此定義，可以通過以下五種方式來實現電機的不同功率輸出：aa繞組并聯、aa正向串聯、ab反向串聯、ac正向串聯以及ac反向串聯。這些不同的連接方式使得電機能夠呈現出五種具有不同功率特性的串聯工作模式。值得注意的是，每一種特定的工作模式都有其最適宜的操作風速區間。因此，根據實際應用中的具體需求靈活切換電機的工作狀態，可以確保在更多樣化的環境條件下實現高效穩定的能量轉換。

11、進一步地，所述定子鐵心由形狀相同的硅鋼片沿軸向疊壓而成。

12、進一步地，所述轉子永磁體采用沿圓周切向方向進行充磁，所有永磁體的寬度保持一致，且永磁體的磁極相對安裝。相鄰永磁體之間夾裝有轉子鐵心。

13、進一步地，所述轉子鐵心的數量與永磁體一致，并且所有轉子鐵心的寬度也保持一致。

14、進一步的，所述永磁體在軸向上分為多段安裝，同一槽中永磁體充磁方向一致。

15、進一步的，轉子鐵心為電機實際上的磁極，切向充磁的永磁體產生的磁場先后通過轉子鐵心、氣隙、調制齒、定子齒。

16、進一步地，所述的磁橋結構用于連接轉子鐵心。具體而言，該結構通過將所有間隔設置的轉子鐵心進行連接實現，其中圓周方向上的一半轉子鐵心全部連接至一個磁橋上，而另一半則保持未連接狀態。此外，連接部分的寬度與鐵心的寬度保持一致。

17、進一步的，所述調制齒和轉子永磁體有一定的數量配合關系，即pg＝|pr-nst|，其中pg為繞組極對數，pr為永磁體極對數，nst為定子齒數，對于本專利提出的雙三相不均齒永磁直驅發電機，定子齒數為應12的整數倍。

18、進一步的，所述熵權優劣解距離法是一種決策分析方法，通過計算數據集中的理想解和當前數據解的距離得到每個參數的評分，而在熵權優劣解距離法的計算過程中，會得到每個優化參數對每個優化目標的優化權重，以及各優化參數的敏感度，綜合考慮敏感度和優化權重得到代理模型權重，公式為

19、

20、其中，代表了ith優化變量的jth優化目標的權重，g(xi)代表優化參數的綜合敏感度。

21、進一步而言，所述代理模型是一種基于數據集進行模型曲線擬合的方法。該數據集源自有限元模型的計算結果，通過代理模型進行擬合后，得到一個多項式方程。此方程作為優化參數與優化變量之間的映射函數，在應用于電機時，需要針對每個具體的優化目標單獨計算其對應的代理模型。隨后，采用熵權優劣解距離法對各目標的權重進行評估并加權處理，最終形成綜合優化代理模型。

22、進一步的，黑翅鳶算法是一種元啟發式算法。該算法采用兩種獨特的迭代計算方式進行優化過程：“攻擊行為”迭代與“遷徙行為”迭代。這兩種迭代計算方式在給定的優化參數范圍內交替進行，旨在通過不斷的搜索和調整，找到電機最優參數組合。具體而言，“攻擊行為”迭代主要模擬黑翅鳶捕獵時的行為模式，通過局部搜索策略對當前解進行微調，以期在小范圍內快速逼近最優解；而“遷徙行為”迭代則模仿黑翅鳶季節性遷徙的過程，通過全局搜索策略探索更廣泛的解空間，以避免陷入局部最優并尋找到全局最優解。這兩種迭代方式相輔相成，共同作用于優化過程中，提高了算法的搜索效率和解的質量。