永磁风力发电机及其设计方法、系统、电子设备和介质与流程

1.本发明涉及发电机设计技术领域，特别涉及一种永磁风力发电机及其设计方法、系统、电子设备和介质。


背景技术：

2.在目前的风力发电机设计中，通常采用永磁体作为励磁源，可以实现高功率密度、高转矩密度。但是，永磁体的使用可能会导致转子永磁体发生部分或所有磁体发生不可逆的退磁故障。电机不可逆退磁是指永磁体局部或整体在定子电流的作用下，工作点移动到退磁曲线的拐点以下，当撤掉定子电流或定子电流变小时，永磁体不能按照原有的退磁曲线回复，而在拐点以下生成了一条新的回复线，该条曲线上的剩余磁感应强度明显低于原有曲线，进而造成电机反电势降低，造成电磁转矩等性能的损失。
3.在风力发电机实际投入使用的全生命周期中，由于运行年限一般较长，在运行过程中可能多次出现短路故障、缺相运行、环境温度影响等诸多问题，尤其是短路故障会产生巨大的逆向磁场导致永磁体不可逆退磁。而这将直接影响风力发电机的运行性能、发电量等。所以，在传统设计过程中，设计人员会对风力发电机退磁情况进行评估，以避免永磁体发生不可逆退磁。
4.目前，若要完全避免在任一情况下永磁体发生不可逆退磁，设计人员往往会通过缩小设计边界，如降低永磁体工作温度等方式，牺牲一部分经济性能以达目标。据此得出的设计方案理论上可以保证，在风力发电机的全生命周期中发电量不会因为退磁而产生损失。然而该传统的永磁风力发电机设计方法不允许永磁体发生退磁，通过缩小设计边界，牺牲电磁性能，进一步制约了全生命周期的经济效益的提升。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的缺陷，提供一种永磁风力发电机及其设计方法、系统、电子设备和介质。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明提供一种永磁风力发电机的设计方法，所述设计方法包括：
8.基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围，并在所述可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点；
9.其中，所述第一约束条件用于限制发电机绕组绝缘等级，所述第二约束条件用于限制永磁风力发电机的设计尺寸；
10.预设若干种退磁影响事件，以及每种所述退磁影响事件在设定全生命周期内的发生次数以及每次发生对应的发生时间；
11.对于所述设定全生命周期内中的每种所述退磁影响事件，分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率，并获取所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的第一发电关联参数；
12.获取所述永磁风力发电机在第一基准工作温度下对应的第二发电关联参数；
13.其中，所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数均为与所述永磁风力发电机的发电量相关联的信息；
14.比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果，并基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数。
15.较佳地，所述比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果，并基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数的步骤包括：
16.比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果；
17.判断所述比较结果是否大于预设范围的上限值，若是，则选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用所述目标基准工作温度重新设计所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数，并重新执行所述基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围，并在所述可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点的步骤；
18.若否，则判断所述比较结果是否落入所述预设范围，若落入所述预设范围，则选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新所述永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将选取出的预设温度工作点对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数；若所述比较结果小于所述预设范围的下限值，则将所述第二发电关联参数对应的第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数。
19.较佳地，所述在所述可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点的步骤之后，所述分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率的步骤之前还包括：
20.基于散热模型调整设定损耗，获取将永磁体的工作温度调整至所述预设工作温度点时对应的损耗值；
21.其中，所述设定损耗包括定子铁耗、转子损耗、指压板损耗、谐波损耗、轴承损耗、电缆损耗、变流器损耗、辅助损耗中的至少一种；
22.基于所述损耗值计算得到发电机绕组对应的绕组温度；
23.基于所述绕组温度计算得到绕组电阻值；
24.根据所述损耗值和所述绕组电阻值，计算得到发电机的输入电流大小；
25.调整所述输入电流大小中的电流相位以满足所述设计目标下的目标电压等级；
26.获取调整后的所述输入电流下，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的第一额定并网功率；
27.筛选出所述第一额定并网功率大于或者等于所述设计目标中的目标额定并网功率，且小于最大额定并网功率的预设工作温度点。
28.较佳地，所述分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率的步骤包括：
29.分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设
工作温度点下对应的退磁曲线；
30.基于所述退磁曲线调整风力发电机的额定电流的电流相位以满足所述设计目标下的目标电压等级；其中，所述额定电流为在风力发电机每个所述预设工作温度点对应的所述第一额定并网功率下的电流大小；
31.基于调整后的所述额定电流以及永磁体退磁后的所述退磁曲线，计算得到永磁体退磁后在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率。
32.较佳地，所述获取所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的第一发电关联参数的步骤包括：
33.基于不同的风速在设定时间段内的持续时长、用电单价和发电机的制造成本，计算得到所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的净现值 npv；
34.其中，所述净现值npv的大小与发电机的发电量大小呈正相关。
35.较佳地，所述计算得到所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的净现值npv的步骤之前还包括：
36.基于不同的风速和对应的所述风速下的转子损耗，计算得到发电机在不同的所述风速下的并网功率；
37.在额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，调整所述额定电流的相位且保持电流大小不变直至满足所述设计目标下的目标电压等级，并计算得到永磁体退磁后在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
38.在非额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，采用未发生任何退磁影响事件时发电机对应的电流大小及相位计算得到退磁影响事件发生后的并网功率；或者采用电流补偿的方式对发电机的发电量进行补偿，直至达到未发生任何退磁影响事件时发电机对应的发电量。
39.较佳地，所述比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果，并基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数的步骤包括：
40.根据所述净现值npv建立净现值npv矩阵；
41.其中，所述净现值npv矩阵中的每个参数分别对应不同的所述预设工作温度点和不同的退磁情况两个维度下的净现值npv；
42.对同一所述预设工作温度下所有的净现值npv进行计算处理得到第一处理值npv，以获取每个所述预设工作温度对应的第一处理值npv；
43.获取所述第一基准工作温度下对应的第二处理值npv；
44.计算得到不同的第一处理值npv与所述第二处理值npv的比值；
45.判断是否存在所述比值大于第一设定阈值，则选取对应的预设工作温度点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用所述目标基准工作温度重新设计得到所述永磁风力发电机对应的目标设计参数，并重新执行所述基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围，并在所述可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点的步骤；
46.否则，判断是否存在所述比值小于或者等于所述第一设定阈值且大于或者等于第二设定阈值，若存在，则选取最高比值对应的预设工作温度点作为永磁体的目标基准工作温度，并采用目标基准工作温度作为所述永磁风力发电机对应的所述第一基准工作温度
和/或所述第一基准电流参数，并将所述第一基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数；
47.若所有的所述比值均小于所述第二设定阈值，则将所述第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数。
48.较佳地，所述设计目标包括目标额定并网功率、目标额定转速和目标电压等级；
49.所述基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围的步骤包括：
50.基于所述设计目标和所述第二约束条件确定所述永磁风力发电机的尺寸基准参数；
51.所述第二约束条件包括加工装配和运输的限制条件，所述尺寸基准参数包括发电机的包络尺寸参数和内部尺寸参数，所述包络尺寸参数包括外径和 /或轴长，所述内部尺寸参数包括外径、轴长、气隙长度、永磁体厚度、永磁体宽度、定子铁芯尺寸和转子铁芯尺寸中的至少一种；
52.根据所述设计目标对所述尺寸基准参数进行单目标或多目标优化，以获取优化后的尺寸基准参数；
53.基于优化后的尺寸基准参数调整并获取达到所述设计目标的输入电流参数，并基于所述输入电流参数计算得到与发电机关联的损耗参数；
54.基于所述损耗参数和散热模型迭代调整所述输入电流参数，直至获取所述永磁体在初始设计下对应的达到设计目标的工作温度以及在第一约束条件下的可行工作温度范围。
55.较佳地，若干个所述预设工作温度点中包括所述第一基准工作温度且相互之间等差设置；和/或，
56.所述退磁影响事件包括一相短路、两相短路、三相短路、大电流过载、高温过载、过热或匝间短路。
57.本发明还提供一种永磁风力发电机的设计系统，所述设计系统包括：
58.温度范围获取模块，用于基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围；
59.温度点选取模块，用于在所述可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点；
60.其中，所述第一约束条件用于限制发电机绕组绝缘等级，所述第二约束条件用于限制发电机的设计尺寸；
61.参数预设模块，用于预设若干种退磁影响事件，以及每种所述退磁影响事件在设定全生命周期内的发生次数以及每次发生对应的发生时间；
62.实际功率获取模块，用于对于所述设定全生命周期内中的每种所述退磁影响事件，分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
63.第一关联参数获取模块，用于获取所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的第一发电关联参数；
64.第二关联参数获取模块，用于获取所述永磁体在第一基准工作温度下对应的第二发电关联参数；
65.其中，所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数与所述永磁风力发电机的发电量相关联；
66.比较模块，用于比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果；
67.目标参数获取模块，用于基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数。
68.较佳地，所述比较模块用于比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果；判断所述比较结果是否大于预设范围的上限值，若是，则调用所述目标参数获取模块选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用所述目标基准工作温度重新设计所述永磁风力发电机对应的目标设计参数，并调用所述温度范围获取模块；若否，则判断所述比较结果是否落入所述预设范围，若落入所述预设范围，则调用所述目标参数获取模块选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新所述永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将选取出的预设温度工作点对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数；若所述比较结果小于所述预设范围的下限值，则调用所述目标参数获取模块将所述第二发电关联参数对应的第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数。
69.较佳地，所述设计系统还包括：
70.损耗值获取模块，用于基于散热模型调整设定损耗，获取将永磁体的工作温度调整至所述预设工作温度点时对应的损耗值；
71.其中，所述设定损耗包括定子铁耗、转子损耗、指压板损耗、谐波损耗、轴承损耗、电缆损耗、变流器损耗、辅助损耗中的至少一种；
72.绕组温度计算模块，用于基于所述损耗值计算得到发电机绕组对应的绕组温度；
73.绕组电阻值计算模块，用于基于所述绕组温度计算得到绕组电阻值；
74.输入电流计算模块，用于根据所述损耗值和所述绕组电阻值，计算得到发电机的输入电流大小；
75.电流参数调整模块，用于调整所述输入电流大小中的电流相位以满足所述设计目标下的目标电压等级；
76.第一额定功率获取模块，用于获取调整后的所述输入电流下，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的第一额定并网功率；
77.目标额定并网功率筛选模块，用于筛选出所述第一额定并网功率大于或者等于所述设计目标中的目标额定并网功率，且筛选出小于最大额定并网功率的预设工作温度点。
78.较佳地，所述实际功率获取模块包括：
79.退磁曲线获取单元，用于分别获取在每个所述发生时间发生所述退磁影响事件后，永磁体在每个所述预设工作温度点下对应的退磁曲线；
80.电流调整单元，用于基于所述退磁曲线调整风力发电机的额定电流的电流相位以
满足所述设计目标下的目标电压等级；其中，所述额定电流为在风力发电机每个所述预设工作温度点对应的所述第一额定并网功率下的电流大小；
81.实际功率获取单元，用于基于调整后的所述额定电流以及永磁体退磁后的所述退磁曲线，计算得到永磁体退磁后在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率。
82.较佳地，所述第一关联参数获取模块用于基于不同的风速在设定时间段内的持续时长、用电单价和发电机的制造成本，计算得到所述永磁风力发电机在每个所述预设工作温度点下的净现值npv；
83.其中，所述净现值npv的大小与发电机的发电量大小呈正相关。
84.较佳地，所述设计系统还包括：
85.功率计算模块，用于基于不同的风速和对应的所述风速下的转子损耗，计算得到发电机在不同的所述风速下的并网功率；
86.所述功率计算模块用于在额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，调整电流的相位且保持电流大小不变直至满足所述设计目标下的目标电压等级，并计算得到永磁体退磁后在每个所述预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
87.所述功率计算模块用于在非额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，采用未发生任何退磁影响事件时发电机对应的电流大小及相位计算得到退磁影响事件发生后的并网功率；或者采用电流补偿的方式对发电机的发电量进行补偿，直至达到未发生任何退磁影响事件时发电机对应的发电量。
88.较佳地，所述设计系统该包括：
89.矩阵建立模块，用于根据所述净现值npv建立净现值npv矩阵；
90.其中，所述净现值npv矩阵中的每个参数分别对应不同的所述预设工作温度点和不同的退磁情况两个维度下的净现值npv；
91.所述第一关联参数获取模块用于对同一所述预设工作温度下所有的净现值npv进行计算处理得到第一处理值npv，以获取每个所述预设工作温度对应的第一处理值npv；
92.所述第二关联参数获取模块用于获取所述第一基准工作温度下对应的第二处理值npv；
93.所述比较模块用于计算得到不同的第一处理值npv与所述第二处理值npv的比值，并判断是否存在所述比值大于第一设定阈值，则选取对应的预设工作温度点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用所述目标基准工作温度重新设计得到所述永磁风力发电机对应的目标设计参数，并调用所述温度范围获取模块；
94.否则，所述比较模块用于判断是否存在所述比值小于或者等于所述第一设定阈值且大于或者等于第二设定阈值，若存在，则调用所述目标参数获取模块选取最高比值对应的预设工作温度点作为永磁体的目标基准工作温度，并采用目标基准工作温度作为所述永磁风力发电机对应的所述第一基准工作温度和/或所述第一基准电流参数，并将所述第一基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数；
95.所述比较模块用于若所有的所述比值均小于所述第二设定阈值，则将所述第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为所述永磁风力发电机对应的所述目标设计参数。
96.较佳地，所述设计目标包括目标额定并网功率、目标额定转速和目标电压等级；
97.所述第二约束条件包括加工装配和运输的限制条件，所述尺寸基准参数包括发电机的包络尺寸参数和内部尺寸参数，所述包络尺寸参数包括外径和 /或轴长，所述内部尺寸参数包括外径、轴长、气隙长度、永磁体厚度、永磁体宽度、定子铁芯尺寸和转子铁芯尺寸中的至少一种；
98.较佳地，所述温度范围获取模块包括：
99.尺寸参数确定单元，用于基于所述设计目标和所述第二约束条件确定所述永磁风力发电机的尺寸基准参数；
100.尺寸参数优化单元，用于根据所述设计目标对所述尺寸基准参数进行单目标或多目标优化，以优化后的尺寸基准参数；
101.损耗参数获取单元，用于基于优化后的尺寸基准参数调整并获取达到所述设计目标的输入电流参数，并基于所述输入电流参数计算得到与发电机关联的损耗参数；
102.初始参数获取单元，用于基于所述损耗参数和散热模型迭代调整所述输入电流参数，直至获取所述永磁体在初始设计下对应的达到设计目标的工作温度以及在第一约束条件下的可行工作温度范围。
103.较佳地，若干个所述预设工作温度点中包括所述第一基准工作温度且相互之间等差设置；和/或，
104.所述退磁影响事件包括一相短路、两相短路、三相短路、大电流过载、高温过载、过热或匝间短路。
105.本发明还提供一种永磁风力发电机，所述永磁风力发电机包括上述的永磁风力发电机的设计系统。
106.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现上述的永磁风力发电机的设计方法。
107.本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的永磁风力发电机的设计方法。
108.在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
109.本发明的积极进步效果在于：
110.本发明中，通过量化评估永磁体多次不可逆退磁对于永磁风力发电机电磁性能的影响及累积效应，提出了一种复杂约束下永磁风力发电机的近限设计方法，通过合理利用永磁体局部退磁，提高工作电流阈值，实现了永磁体抗退磁能力的匹配性设计，即允许出现永磁体退磁的情况，无需缩小设计边界，比如永磁体可以工作在更高的温度下，此时风力发电机的发电量等性能会得到进一步的提升，使得在后期可能由于故障发生退磁后，发电量虽有部分损失，但发电量基数相较于传统设计方法而言有所提升，进而使得永磁风力发电机在全生命周期内发电量及经济效益能够达到最优。
附图说明
111.图1为本发明实施例1的永磁风力发电机的设计方法的第一流程图。
112.图2为本发明实施例1的永磁风力发电机的设计方法的第二流程图。
113.图3为本发明实施例2的永磁风力发电机的设计方法的流程图。
114.图4为本发明实施例2的三相短路下永磁体退磁分布的示意图。
115.图5为本发明实施例2的永磁直驱外转子风力发电机的结构示意图。
116.图6为本发明实施例2中永磁体n45h在不同温度下的退磁曲线示意图。
117.图7为本发明实施例2中直流铜耗与永磁体温度的关系示意图。
118.图8为本发明实施例2中绕组温度与永磁体温度的关系示意图。
119.图9为本发明实施例2中绕组电阻与永磁体温度的关系示意图。
120.图10为本发明实施例2中额定电流与永磁体温度的关系示意图。
121.图11为本发明实施例2中额定电流相位与永磁体温度的关系示意图。
122.图12为本发明实施例2中输出功率与永磁体温度的关系示意图。
123.图13为本发明实施例2中各种退磁影响事件后的退磁曲线的示意图。
124.图14为本发明实施例2中一种退磁影响事件发生下不同永磁体工作温度下的额定并网功率的变化关系示意图。
125.图15为本发明实施例2中风力放电机在各种风速在一年中对应的时长的示意图。
126.图16为本发明实施例2中输入功率曲线与输入功率的关系示意图。
127.图17为本发明实施例2中一种退磁影响事件发生下npv与永磁体工作温度之间的关系示意图。
128.图18为本发明实施例2中修正系数μ与n’/n的正比例函数关系示意图。
129.图19为本发明实施例2中修正系数μ与n’/n的阶跃函数关系示意图。
130.图20为本发明实施例2中npv’与永磁体温度的关系示意图。
131.图21为本发明实施例2中npv’/npv
y’与永磁体温度的关系示意图。
132.图22为本发明实施例3的永磁风力发电机的设计系统的模块示意图。
133.图23为本发明实施例5的实现永磁风力发电机的设计方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
134.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
135.实施例1
136.如图1所示，本实施例的永磁风力发电机的设计方法包括：
137.s101、基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围，并在可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点；
138.其中，第一约束条件用于限制发电机绕组绝缘等级。
139.第二约束条件用于限制永磁风力发电机的设计尺寸。
140.具体地，第二约束条件包括但不限于加工装配和运输的限制条件，尺寸基准参数包括发电机的包络尺寸参数和内部尺寸参数，包络尺寸参数包括外径和/或轴长，内部尺寸参数包括外径、轴长、气隙长度、永磁体厚度、永磁体宽度、定子铁芯尺寸和转子铁芯尺寸等。
141.设计目标包括但不限于目标额定并网功率、目标额定转速和目标电压等级。
142.s102、预设若干种退磁影响事件，以及每种退磁影响事件在设定全生命周期内的发生次数以及每次发生对应的发生时间；
143.其中，退磁影响事件包括但不限于一相短路、两相短路、三相短路、大电流过载、高温过载、过热或匝间短路。
144.s103、对于设定全生命周期内中的每种退磁影响事件，分别获取在每个发生时间发生退磁影响事件后，永磁体在每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率，并获取永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的第一发电关联参数；
145.s104、获取永磁风力发电机在第一基准工作温度下对应的第二发电关联参数；
146.第一基准工作温度为可以与若干个预设工作温度点中某一个预设工作温度点相同，也可以不同；具体可以根据实际设计需求进行确定与调整。
147.其中，第一发电关联参数和第二发电关联参数均为与永磁风力发电机的发电量相关联的信息；
148.s105、比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果，并基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数。
149.具体地，如图2所示，步骤s105包括：
150.s10511、比较第一发电关联参数和第二发电关联参数以获取比较结果；
151.s10512、判断比较结果是否大于预设范围的上限值，若是，则选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用目标基准工作温度重新设计永磁风力发电机对应的目标设计参数，并重新执行基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围，并在可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点的步骤；
152.若否，则判断比较结果是否落入预设范围，若落入预设范围，则选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将选取出的预设温度工作点对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数；若比较结果小于预设范围的下限值，则将第二发电关联参数对应的第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数。
153.其中，目标基准工作温度为风力发电机对应的新的第一基准工作温度。
154.本实施例中，通过量化评估永磁体多次不可逆退磁对于永磁风力发电机电磁性能的影响及累积效应，提出了一种复杂约束下永磁风力发电机的近限设计方法，通过合理利用永磁体局部退磁，提高工作电流阈值，实现了永磁体抗退磁能力的匹配性设计，即允许出现永磁体退磁的情况，无需缩小设计边界，比如永磁体可以工作在更高的温度下，此时风力发电机的发电量等性能会得到进一步的提升，使得在后期可能由于故障发生退磁后，发电量虽有部分损失，但发电量基数相较于传统设计方法而言有所提升，进而使得永磁风力发电机在全生命周期内发电量及经济效益能够达到最优。
155.实施例2
156.本实施例的永磁风力发电机的设计方法是对实施例1的进一步改进，具体地：
157.在一可实施例的方案中，如图3所示，步骤s101包括：
158.s1011、基于设计目标和第二约束条件确定永磁风力发电机的尺寸基准参数；
159.s1012、根据设计目标对尺寸基准参数进行单目标或多目标优化，以获取优化后的尺寸基准参数；
160.其中，单目标或多目标包括效率、功率因数、成本等。
161.可以采用遗传算法、顺序优化迭代法、梯度下降算法等其他算法进行单目标或多目标优化。
162.s1013、基于优化后的尺寸基准参数调整并获取达到设计目标的输入电流参数，并基于输入电流参数计算得到与发电机关联的损耗参数；
163.s1014、基于损耗参数和散热模型迭代调整输入电流参数，直至获取永磁体在初始设计下对应的达到设计目标的工作温度以及在第一约束条件下的可行工作温度范围。
164.其中，散热模型包括有限元模型、cfd(计算流体动力学)模型、热网络模型等。
165.另外，为了不出现永磁体退磁的情况，可以获取每种退磁影响事件下永磁体的退磁体积占比；当退磁体积占比大于第一设定阈值时，则调整尺寸基准参数，重新执行步骤s1011，直至使得每种退磁影响事件下永磁体的退磁体积占比均小于第一设定阈值，并获取调整后的尺寸基准参数。
166.如图4所示，为退磁影响事件为三相短路情况下，永磁体上退磁分布的示意图；其中，a对应三线短路后发生退磁的退磁区域。
167.需要注意的是，本实施例在首次进行设计时，需要进行上述的退磁校核操作，而在后续重新设计的执行步骤中，则无需再执行上述的退磁校核操作，仅需进行温度校核处理即可。
168.步骤s103之前还包括：
169.基于散热模型调整设定损耗，获取将永磁体的工作温度调整至预设工作温度点时对应的损耗值；
170.其中，设定损耗包括定子铁耗、转子损耗、指压板损耗、谐波损耗、轴承损耗、电缆损耗、变流器损耗、辅助损耗中的至少一种；
171.基于损耗值计算得到发电机绕组对应的绕组温度；
172.基于绕组温度计算得到绕组电阻值；
173.根据损耗值和绕组电阻值，计算得到发电机的输入电流大小；
174.调整输入电流大小中的电流相位以满足设计目标下的目标电压等级；
175.获取调整后的输入电流下，永磁体在每个预设工作温度点下对应的第一额定并网功率；
176.筛选出第一额定并网功率大于或者等于设计目标中的目标额定并网功率，且筛选出小于最大额定并网功率的预设工作温度点。
177.步骤s103包括：
178.分别获取在每个发生时间发生退磁影响事件后，永磁体在每个预设工作温度点下对应的退磁曲线；
179.基于退磁曲线调整风力发电机的额定电流的电流相位以满足设计目标下的目标电压等级；其中，额定电流为在风力发电机每个预设工作温度点对应的第一额定并网功率下的电流大小。
180.基于调整后的额定电流以及永磁体退磁后的退磁曲线，计算得到永磁体退磁后在
每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率。
181.步骤s103中，获取永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的第一发电关联参数的步骤包括：
182.基于不同的风速在设定时间段内的持续时长、用电单价和发电机的制造成本，计算得到永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的净现值npv；
183.其中，净现值npv的大小与发电机的发电量大小呈正相关。
184.具体地，计算得到永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的净现值 npv的步骤之前还包括：
185.基于不同的风速和对应的风速下的转子损耗，计算得到发电机在不同的风速下的并网功率；
186.在额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，调整电流的相位且保持电流大小不变直至满足设计目标下的目标电压等级，并计算得到永磁体退磁后在每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
187.在非额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，采用未发生任何退磁影响事件时发电机对应的电流大小及相位计算得到退磁影响事件发生后的并网功率；或者采用电流补偿的方式对发电机的发电量进行补偿，直至达到未发生任何退磁影响事件时发电机对应的发电量。
188.在一可实施的方案中，步骤s105包括：
189.s10521、根据净现值npv建立净现值npv矩阵；
190.其中，净现值npv矩阵中的每个参数分别对应不同的预设工作温度点和不同的退磁情况两个维度下的净现值npv；
191.s10522、对同一预设工作温度下所有的净现值npv进行计算处理得到第一处理值npv，以获取每个预设工作温度对应的第一处理值npv；
192.其中，所有的净现值npv通过求和、求期望值等计算方式进行计算处理得到第一处理值npv。
193.s10523、获取第一基准工作温度下对应的第二处理值npv；
194.s10524、计算得到不同的第一处理值npv与第二处理值npv的比值；
195.s10525、判断是否存在比值大于第一设定阈值，则选取对应的预设工作温度点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用目标基准工作温度重新设计得到永磁风力发电机对应的目标设计参数，并重新执行步骤s101；否则，判断是否存在比值小于或者等于第一设定阈值且大于或者等于第二设定阈值，若存在，则选取最高比值对应的预设工作温度点作为永磁体的目标基准工作温度，并采用目标基准工作温度作为永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将第一基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数；
196.若所有的比值均小于第二设定阈值，则将第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数。
197.下面具体说明本实施例的永磁风力发电机的设计原理：
198.s1、根据设计目标a及约束条件b1进行永磁风力发电机初始设计，具体设计过程如
下：
199.s1.1、根据设计目标a及第二约束条件b1.2，确定永磁风力发电机的初始尺寸参数；
200.s1.2、根据第一约束条件b1.1，假设发电机部件(包括绕组和永磁体) 工作温度，并据此确定电磁材料物性；调整输入电流，使得初始设计满足设计目标a，并计算电磁性能；
201.s1.3、在满足设计目标a且s1.1中包络尺寸不变的情况下，进行永磁风力发电机内部尺寸的单/多目标优化，得到最优的内部尺寸参数；
202.s1.4、根据最优内部尺寸参数对应的设计方案，永磁风力发电机损耗，输入至散热模型计算各部件实际温度，根据实际温度更新电磁模型中电磁材料物性，重新调整输入电流使得满足设计目标a，反复迭代，直至电磁模型中假设的各部件工作温度与散热模型计算的各部件实际工作温度一致；
203.s1.5通过散热模型，校验绕组实际工作温度是否满足第一约束条件b1.1，若满足，则进一步确定绕组绝缘等级，若不满足第一约束条件b1.1，则返回至步骤s1.1，重新确定包络尺寸和内部尺寸参数；
204.s1.6、对当前设计方案进行退磁校核，包括：计算退磁影响事件(或称极端情况)下永磁体退磁情况，退磁影响事件包括短路情况和过载情况，
205.若至少有一种退磁影响事件下永磁体的退磁体积占比大于阈值α1，0≤α1＜1，则返回至步骤s1.1，且重新确定内部尺寸参数，或者保持包络尺寸不变且重新确定内部尺寸参数；否则将当前设计作为最终的初始设计方案z，并将初始设计方案z作为基准设计方案y，进入步骤s2；
206.s2、根据退磁影响事件发生概率信息，给出在全生命周期n(如20年) 发生退磁影响事件的k种情形，其中第j种情形共发生退磁影响事件mj次，其中1≤j≤k，mj≥1；
207.s3、在第一约束条件b1.1下，确定永磁体的可行工作温度范围及变动范围内的h个永磁体工作温度点，变动范围的上限由第一约束条件b1.1确定，下限由当前设计方案的永磁工作温度确定；具体的，上限小于或者等于第一约束条件b1.1对应的永磁体工作温度，下限小于或者等于当前设计方案的永磁体工作温度，h个永磁体工作温度点包括基准设计方案y对应的永磁体工作温度；
208.s4、确定步骤s3中的h个永磁体工作温度点对应的电流，包括通过散热模型调整损耗，使得在某一损耗值下，永磁体达到工作温度点，并根据这一损耗值计算绕组温度，进一步得到该绕组温度下的绕组电阻，最后根据绕组损耗与绕组电阻得到电流大小，然后通过调整电流相位，使得达到设计目标a中的目标电压等级；
209.判断达到目标电压等级对应的电流输入下，额定并网功率是否小于或者等于上限值β且大于等于设计目标a中的目标额定并网功率，若是，则计算电磁性能(包括电流大小及相位、电磁转矩、反电动势、额定负载端电压等)，并进入步骤s5，否则删除该工作温度点，该工作温度点不进入下面步骤计算，通过筛选最终得到h'个永磁体工作温度点，h’≤h；
210.s5、对于步骤s4中剩余的每一个永磁体工作温度点进行如下计算：
211.根据第j种发生退磁影响事件的情形和输入功率曲线，按顺序计算发生每一次退磁影响事件后的实际额定并网功率，并更新永磁体电磁材料物性 (即退磁曲线)，基于每次退磁影响事件发生后的永磁体电磁材料物性，调整电流相位使其满足设计目标a中电压等
级，直至完成第mj次退磁影响事件后的计算，进一步得到永磁体工作温度对应的第j种情形下永磁风力发电机全生命周期的净现值(npv)并记录，直至所有k种情形下永磁风力发电机的净现值npv计算完成，最终形成一个多永磁体工作温度、多退磁影响事件情形的净现值npv矩阵，净现值npv矩阵维度为h
’×
k；
212.s6、将步骤s5中净现值npv矩阵中的每个元素乘以系数μ，得到一个更新后的净现值npv矩阵，系数μ对应一个永磁体工作温度下的一个退磁影响事件情形，系数μ按照以下方式确定：
213.将全生命周期n年内的额定并网功率大于或者等于下限值γ的年数记为 n’，系数μ为n’/n的非递减函数，且μ取值0至1，下限值γ≤设计目标a 中的目标额定并网功率；
214.s7、将步骤s6中每个永磁体工作温度点对应的k个npv值进行统计处理后得到一个统计值，并记为npv’，统计处理可以是求期望值、求分位数等；最终得到h’组设计方案，每组设计方案中的永磁体工作温度点和npv’一一对应；
215.s8、将步骤s7的各组永磁体工作温度点对应的npv’与基准设计方案y 对应的npv’进行比较，将基准设计方案y对应的npv’记为npv
y’；
216.若至少有一个npv’/npv
y’≥α2的设计方案，则选取其中npv’最大值对应的设计方案，将其作为新的基准设计方案y，进入步骤s9；
217.若至少有一个α3≤npv’/npv
y’＜α2的设计方案，则选取其中npv’最大值对应的设计方案为最终方案并退出设计，否则，选取基准设计方案y 作为最终设计方案，并退出设计，其中，α2＞α3≥1，
218.另外，上述选取npv’最大值的过程中若存在至少两个相等的最大值时，则从中选取永磁体工作温度最低的方案作为新的基准设计方案y。
219.本实施例中，永磁风力发电机的设计方案是基于新的工作温度来设计，且并不是以达到额定并网功率为目标，而是实现额定并网功率最优(或者是其他的目标)重新优化，已最终完成对应的优化设计方案。
220.下面通过具体实例进一步地详细说明上述内容：
221.s1、根据设计目标a及约束条件b1进行永磁直驱外转子风力发电机初始设计，设计过程如下：
222.s1.1、设计目标a为额定并网功率为7.3mw、额定转速为10.3rpm、电压等级720v，优选地，考虑第二约束条件b1.2为加工与运输限制，使用模块化定子结构以及整数槽绕组分布，确定永磁直驱外转子风力发电机初始设计参数如下表1(同时参见图5)，其中转子外径与轴向有效长度为包络尺寸参数，每6个极对应一个定子模块，一共24个定子模块。
223.表1永磁直驱外转子风力发电机初始参数
224.参数值参数值转子外径6491mm轴向有效长度1638mm定子内径6080mm转子内径6350mm槽宽24mm槽深95mm气隙长度7.5mm永磁体厚度23mm
225.s1.2、优选地，第一约束条件b1.1为绕组绝缘等级限制，在其限制下，假设发电机部件中的绕组工作温度为120℃，永磁体工作温度为50℃，并据此确定电磁材料物性，其中，
永磁体在特定温度下的物料特性，主要指退磁曲线，如图6中50℃所指的曲线所示。在本实施例中，使用的永磁体材料牌号为n45h，具有较好的抗退磁性能，其退磁曲线与温度的关系，如图6所示，横轴为磁场强度(ka/m)，纵轴为磁通密度(t)；发电机绕组的物料特性，主要指电阻随温度变化关系，其表达式如下：
226.r＝r
20
[1 (t-20)
×
0.004％]
[0227]
其中，r
20
为20℃下的电阻值，t为绕组工作温度，在本实施例中，t＝120。需要说明的是，本实施例中绕组工作温度及永磁体工作温度均为额定工况下最高工作温度。
[0228]
根据以上电磁物料特性，调整输入电流，当电流幅值为6835a，电流角为-198.8
°
时满足设计目标a，计算得到额定并网功率为7.3mw、额定转速为10.3rpm、电压等级720v。输入电流为相电流，电流角(对应电流相位) 为电流与电机空载反电动势之间的夹角。
[0229]
s1.3、在满足设计目标a且s1.1中包络尺寸不变的情况下，采用遗传算法，以额定输出功率为目标，对永磁直驱外转子风力发电机永磁直驱外转子风力发电机内部尺寸进行单目标优化，得到最优的内部尺寸参数如下表2：
[0230]
表2永磁直驱外转子风力发电机优化后参数
[0231]
参数值参数值定子内径6084mm转子内径6370mm槽宽23mm槽深96.8mm气隙长度7.5mm永磁体厚度22mm
[0232]
s1.4、重新调整电流，得到上表2所示最优内部尺寸参数的设计方案对应的电流幅值为6788a，电流角为-198.6
°
时满足设计目标a，进一步计算永磁直驱外转子风力发电机损耗，如表3所示，并将各部分损耗输入至散热模型计算各部件实际温度，得到绕组实际工作温度为130℃、永磁体实际工作温度58℃，依照实际温度更新电磁模型中电磁材料物性，并重新调整输入电流，当电流幅值为6742a，电流角为-198.4
°
时，满足设计目标a，重新计算损耗与各部件实际温度，反复迭代，直至电磁模型中假设的各部件工作温度与散热模型计算的各部件实际工作温度一致，最终得到绕组温度为 132℃，永磁体工作温度为60℃，电流幅值为6617a，电流角为-198.2
°
。
[0233]
表3永磁直驱外转子风力发电机优化后，与散热模型迭代前损耗
[0234]
参数值(kw)参数值(kw)定子铁耗34.56转子损耗3.5指压板损耗14谐波损耗11.67轴承损耗20.77电缆损耗8.86变流器损耗252.73辅助损耗71
[0235]
s1.5、步骤s1.4得到的绕组实际工作温度132℃满足第一约束条件b1.1 中最高c级绝缘的要求，进一步确定实际使用的绕组绝缘等级为f级绝缘。
[0236]
s1.6、在退磁影响事件下进行永磁体退磁校核，以导致退磁最严重的一种退磁影响事件是三相短路为例，其对应的退磁区域如图3，满足退磁体积占比小于阈值α1＝0.2％，因此将当前设计作为最终的初始设计方案z，并将初始设计方案z作为基准设计方案y，进入步骤s2。
[0237]
s2、根据统计数据永磁直驱外转子风力发电机的典型生命周期为20年，在该全生
命周期内约发生5次退磁影响事件，本实施例中退磁影响事件均为三相短路，假设每次退磁影响事件都发生在每一年的末尾，选取k＝10种发生退磁影响事件的情形作为后续步骤计算的依据，每一种情形内发生5次退磁影响事件，即mj＝5，1≤j≤10，如表4所示。需要指出的是，本实施例中退磁影响事件发生时间以年为单位，根据实际情况需要，可以取更小的时间单位，如以月为单位，使得评估结果更加可靠准确。当然，上述选取的各个参数可以根据实际需求进行重新设计与调整。
[0238][0239]
s3、在第一约束条件b1.1的c级绝缘等级要求下，发电机额定电流为8400a时对应绕组温度达到其上限为220℃，进一步根据散热模型计算得到此时永磁体工作温度为85℃，因此选定永磁体可行工作温度范围的上限为 85℃。同时，选定永磁体的可行工作温度范围的下限为60℃，并以5℃为步长，等差选取永磁体的可行工作温度范围内的h＝6个永磁体工作温度点为 60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，85℃，这h＝6个永磁体工作温度包括了当前基准设计方案y对应的永磁体的第一基准工作温度60℃。
[0240]
s4、通过调整损耗，使得在某一损耗值下，永磁体达到步骤s3中列出的6个永磁体温度工作点，例如图7所示直流铜耗与永磁体温度的关系，进一步根据直流铜耗值计算绕组温度，如图8所示，进一步根据步骤s.12中的公式计算得到该绕组温度下的绕组电阻，如图9所示，最后根据直流铜耗与绕组电阻得到电流大小，如图10所示。再根据设计目标a中电压等级720v 的条件，调整电流相位，如图11所示。基于以上结果，得到发电机在每个永磁体预设工作温度下的额定并网功率，如图12所示，判断每个永磁体工作温度下的额定并网功率是否小于或者等于额定并网功率上限值β＝8.5mw且大于或者等于设计目标a中的额定并网功率7.3mw，可见6个永磁体工作温度对应的额定并网功率均满足要求，最终得到h’＝6个永磁体温度工作点，因此全部进入下一步骤计算。
[0241]
s5、对步骤s4中h’＝6个永磁体工作温度点进行如下计算：
[0242]
以永磁体工作温度70℃，步骤s2中第j＝1种发生退磁影响事件情形为例，按顺序计算发生每一次退磁影响事件后的额定并网功率，并基于每次退磁影响事件发生后的永磁体电磁材料物性，如图13所示，保持额定电流幅值不变，调整电流相位使其满足设计目标a中电压等级。直至完成m1＝5次退磁影响事件后的计算，得到每一次退磁影响事件退磁后的额定并网功率，如图13中70℃对应曲线所示。
[0243]
进一步得到不同永磁体工作温度对应的第j＝1种情形下永磁直驱外转子风力发电机全生命周期的npv(净现值)并记录，npv的表达式为：
[0244][0245]
其中，pi为某个风速下的输出功率(单位为kw)，ti为某个风速在一年中的小时数(单位为h)，s为每度电售价，c为永磁风力发电机成本。pi的计算方法为：对于额定工况即额定转速下，pi即为图14所示的额定并网功率，对于非额定工况，pi的表达式为
[0246]
pi＝p
in-p
cop-p
fe-p
fin-p
h-p
cab-p
con-p
aux
[0247]
其中，p
in
为输入功率，p
cop
为铜耗，p
fe
为铁耗，p
fin
为指压板损耗，ph为谐波损耗，p
cab
为电缆损耗，p
con
为变流器损耗，p
aux
为辅助损耗。输入功率p
in
如图16所示，铜耗由电阻乘以电流的平方获得，其他损耗可以通过有限元软件或者经验公式获得。ti如图15；永磁风力发电机制造成本包括但不限于发电机定转子铁心成本、绕组成本、永磁体成本、外壳成本、轴承成本、发电机支架成本、叶片成本、变流器成本、电缆成本、散热系统成本、运输与安装成本。可选的，为了简化计算，在本实施例中假设以上成本在设计过程中保持不变；可选的，为了提高npv计算精度，以上成本在设计过程中随着发电机尺寸、绝缘等级、安装运输方法的变化而变化。综上，得到第j＝1 种发生退磁影响事件情形下，npv与永磁体温度的曲线如图17所示。
[0248]
同理，可以计算所有k(k＝10)种情形下永磁直驱外转子风力发电机的 npv，最终形成npv矩阵如下，从第1行至第6行的npv行对应永磁体工作温度点60℃至85℃的6个永磁体工作温度点，第1列至第10列分别对应第1至第10种发生退磁影响事件情形下的npv值。
[0249][0250]
s6、对于永磁风力发电机，一定范围内的退磁导致的发电量损失是可以接受的，因此允许全生命周期n＝20年内的额定并网功率大于等于下限值γ。为了方便计算，令额定并网功率下限值γ等于设计目标a中的额定并网功率 7.3mw。对于退磁后额定并网功率小于该下限值的情况，即退磁后额定并网功率不在可接受的范围内，需要对npv进行修正后再与其他情况下的npv 进行比较，以此来表征其在退磁后额定并网功率的劣势。将全生命周期n＝20 年内的额定并网功率大于等于下限值γ＝7.3mw的年数记为n’，修正系数μ为n’/n的非递减函数，且μ取值0至1，本实施例采用如图18所示的斜率为1的正比例函数，该函数也可
以是如图19所示的阶跃函数或其他符合要求的函数。
[0251]
当永磁温度为85℃时，如图15所示，第一种退磁影响事件发生情形下，共有n’＝16年额定并网功率大于等于下限值γ＝7.3mw，根据图18，确定永磁温度为85℃时，第一种退磁影响事件发生情形下的npv对应的系数μ为 16/20＝0.8。再如永磁体工作温度为60℃时，所有10种退磁影响事件发生情形在全生命周期n＝20年内，额定并网功率大于或者等于下限值γ＝7.3mw 的年数均为n’＝20，则μ取值为20/20＝1，最终得到修正系数μ矩阵如下：
[0252][0253]
将修正系数μ矩阵与npv矩阵点乘后，得到修正后的npv矩阵如下。
[0254][0255]
s7、对修正后的npv矩阵每一行k＝10个元素作统计处理，本实施例中统计处理采用平均值，得到h’＝6个永磁体工作温度下的修正后npv平均值npv’，如图20所示。
[0256]
s8、将步骤s7的各组永磁体工作温度点对应的npv’与基准设计方案y 对应的npv’进行比较，将基准设计方案y对应的npv’记为npv
y’(即60℃对应的npv’)，得到npv’/npv
y’的曲线如图21所示。本实施例中，取α2 为1.05，α3为1.03，如果至少有一个npv’/npv
y’≥α2＝1.05的设计方案，为了获得更高的发电机npv，将其作为新的基准设计方案y；如果至少有一个 1.03＝α3≤npv’/npv
y’＜α2＝1.05的设计方案，为了减少计算量与设计周期，则选取其中npv’最大值对应的设计方案为最终方案，并退出设计；否则，为了确保永磁发电机的可靠性，选取基准设计方案y作为最终设计方案则选取。根据图21，发现没有一个设计方案npv’/npv
y’≥α2＝1.05，且当永磁体工作温度为70℃和75℃，1.03＝α3≤npv’/npv
y’＜α2＝1.05，选取npv’最大的为永磁体工作温度为75℃时的设计方案，故选其为最终设计，退出设计。
[0257]
本实施例中，通过量化评估永磁体多次不可逆退磁对于永磁风力发电机电磁性能的影响及累积效应，提出了一种复杂约束下永磁风力发电机的近限设计方法，通过合理利用永磁体局部退磁，提高工作电流阈值，实现了永磁体抗退磁能力的匹配性设计，即允许出现永磁体退磁的情况，无需缩小设计边界，比如永磁体可以工作在更高的温度下，此时风力发电机的发电量等性能会得到进一步的提升，使得在后期可能由于故障发生退磁后，发电量虽有部分损失，但发电量基数相较于传统设计方法而言有所提升，进而使得永磁风力发电机在全生命周期内发电量及经济效益能够达到最优。
[0258]
实施例3
[0259]
如图22所示，本实施例的永磁风力发电机的设计系统包括：
[0260]
温度范围获取模块1，用于基于设计目标、第一约束条件和第二约束条件，确定永磁体的可行工作温度范围；
[0261]
其中，第一约束条件用于限制发电机绕组绝缘等级，第二约束条件用于限制发电机的设计尺寸；
[0262]
其中，第一约束条件用于限制发电机绕组绝缘等级。
[0263]
第二约束条件用于限制永磁风力发电机的设计尺寸。
[0264]
具体地，第二约束条件包括但不限于加工装配和运输的限制条件，尺寸基准参数包括发电机的包络尺寸参数和内部尺寸参数，包络尺寸参数包括外径和/或轴长，内部尺寸参数包括外径、轴长、气隙长度、永磁体厚度、永磁体宽度、定子铁芯尺寸和转子铁芯尺寸等。
[0265]
设计目标包括但不限于目标额定并网功率、目标额定转速和目标电压等级。
[0266]
在一可实施例的方案中，若干个预设工作温度点中包括第一基准工作温度且相互之间等差设置。当然，也可以根据实际需求进行重新设计与调整。
[0267]
温度点选取模块2，用于在可行工作温度范围内选取出若干个预设工作温度点；
[0268]
参数预设模块3，用于预设若干种退磁影响事件，以及每种退磁影响事件在设定全生命周期内的发生次数以及每次发生对应的发生时间；
[0269]
其中，退磁影响事件包括但不限于一相短路、两相短路、三相短路、大电流过载、高温过载、过热或匝间短路。
[0270]
实际功率获取模块4，用于对于设定全生命周期内中的每种退磁影响事件，分别获取在每个发生时间发生退磁影响事件后，永磁体在每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
[0271]
第一关联参数获取模块5，用于获取永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的第一发电关联参数；
[0272]
第二关联参数获取模块6，用于获取永磁体在第一基准工作温度下对应的第二发电关联参数；
[0273]
第一基准工作温度为可以与若干个预设工作温度点中某一个预设工作温度点相同，也可以不同；具体可以根据实际设计需求进行确定与调整。
[0274]
其中，第一发电关联参数和第二发电关联参数均为与永磁风力发电机的发电量相关联的信息；
[0275]
比较模块7，用于比较所述第一发电关联参数和所述第二发电关联参数以获取比较结果；
[0276]
目标参数获取模块8，用于基于所述比较结果确定永磁风力发电机对应的目标设计参数。
[0277]
具体地，比较模块7用于比较第一发电关联参数和第二发电关联参数以获取比较结果；判断比较结果是否大于预设范围的上限值，若是，则调用目标参数获取模8选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用目标基准工作温度重新设计永磁风力发电机对应的目标设计参数，并调用温度范围获取模块1；若否，则判断比较结果是否落入预设范围，若落
入预设范围，则调用目标参数获取模8选取排序靠前的一个第一发电关联参数对应的预设温度工作点更新永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将选取出的预设温度工作点对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数；若比较结果小于预设范围的下限值，则调用目标参数获取模8将第二发电关联参数对应的第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数。
[0278]
其中，目标基准工作温度为风力发电机对应的新的第一基准工作温度。
[0279]
本实施例中，通过量化评估永磁体多次不可逆退磁对于永磁风力发电机电磁性能的影响及累积效应，提出了一种复杂约束下永磁风力发电机的近限设计方法，通过合理利用永磁体局部退磁，提高工作电流阈值，实现了永磁体抗退磁能力的匹配性设计，即允许出现永磁体退磁的情况，无需缩小设计边界，比如永磁体可以工作在更高的温度下，此时风力发电机的发电量等性能会得到进一步的提升，使得在后期可能由于故障发生退磁后，发电量虽有部分损失，但发电量基数相较于传统设计方法而言有所提升，进而使得永磁风力发电机在全生命周期内发电量及经济效益能够达到最优。
[0280]
实施例4
[0281]
本实施例的永磁风力发电机的设计系统是对实施例3的进一步改进，具体地：
[0282]
在一可实施例的方案中，本实施例的温度范围获取模块1包括：
[0283]
尺寸参数确定单元，用于基于设计目标和第二约束条件确定永磁风力发电机的尺寸基准参数；
[0284]
尺寸参数优化单元，用于根据设计目标对尺寸基准参数进行单目标或多目标优化，以优化后的尺寸基准参数；
[0285]
其中，单目标或多目标包括效率、功率因数、成本等。
[0286]
可以采用遗传算法、顺序优化迭代法、梯度下降算法等其他算法进行单目标或多目标优化。
[0287]
损耗参数获取单元，用于基于优化后的尺寸基准参数调整并获取达到设计目标的输入电流参数，并基于输入电流参数计算得到与发电机关联的损耗参数；
[0288]
初始参数获取单元，用于基于损耗参数和散热模型迭代调整输入电流参数，直至获取永磁体在初始设计下对应的达到设计目标的工作温度以及在第一约束条件下的可行工作温度范围。
[0289]
其中，散热模型包括有限元模型、cfd(计算流体动力学)模型、热网络模型等。
[0290]
另外，为了不出现永磁体退磁的情况，可以获取每种退磁影响事件下永磁体的退磁体积占比；当退磁体积占比大于第一设定阈值时，则调整尺寸基准参数，直至使得每种退磁影响事件下永磁体的退磁体积占比均小于第一设定阈值，并获取调整后的尺寸基准参数。
[0291]
如图4所示，为退磁影响事件为三相短路情况下，永磁体上退磁分布的示意图；其中，a对应三线短路后发生退磁的退磁区域。
[0292]
需要注意的是，本实施例在首次进行设计时，需要进行上述的退磁校核操作，而在后续重新设计的执行步骤中，则无需再执行上述的退磁校核操作，仅需进行温度校核处理即可。
[0293]
在一可实施例的方案中，本实施例的设计系统还包括：
[0294]
损耗值获取模块，用于基于散热模型调整设定损耗，获取将永磁体的工作温度调整至预设工作温度点时对应的损耗值；
[0295]
其中，设定损耗包括定子铁耗、转子损耗、指压板损耗、谐波损耗、轴承损耗、电缆损耗、变流器损耗、辅助损耗中的至少一种；
[0296]
绕组温度计算模块，用于基于损耗值计算得到发电机绕组对应的绕组温度；
[0297]
绕组电阻值计算模块，用于基于绕组温度计算得到绕组电阻值；
[0298]
输入电流计算模块，用于根据损耗值和绕组电阻值，计算得到发电机的输入电流大小；
[0299]
电流参数调整模块，用于调整输入电流大小中的电流相位以满足设计目标下的目标电压等级；其中，额定电流为在风力发电机每个预设工作温度点对应的第一额定并网功率下的电流大小。
[0300]
第一额定功率获取模块，用于获取调整后的输入电流下，永磁体在每个预设工作温度点下对应的第一额定并网功率；
[0301]
目标额定并网功率筛选模块，用于筛选出第一额定并网功率大于或者等于设计目标中的目标额定并网功率，且筛选出小于最大额定并网功率的预设工作温度点。
[0302]
在一可实施例的方案中，本实施例的实际功率获取模块包括：
[0303]
退磁曲线获取单元，用于分别获取在每个发生时间发生退磁影响事件后，永磁体在每个预设工作温度点下对应的退磁曲线；
[0304]
电流调整单元，用于基于退磁曲线调整风力发电机的额定电流的电流相位以满足设计目标下的目标电压等级；
[0305]
实际功率获取单元，用于基于调整后的额定电流以及永磁体退磁后的退磁曲线，计算得到永磁体退磁后在每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率。
[0306]
第一关联参数获取模块用于基于不同的风速在设定时间段内的持续时长、用电单价和发电机的制造成本，计算得到永磁风力发电机在每个预设工作温度点下的净现值npv；
[0307]
其中，净现值npv的大小与发电机的发电量大小呈正相关。
[0308]
在一可实施例的方案中，设计系统还包括：
[0309]
功率计算模块，用于基于不同的风速和对应的风速下的转子损耗，计算得到发电机在不同的风速下的并网功率；
[0310]
功率计算模块还用于在额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，调整电流的相位且保持电流大小不变直至满足设计目标下的目标电压等级，并计算得到永磁体退磁后在每个预设工作温度点下对应的实际额定并网功率；
[0311]
功率计算模块还用于在非额定风速的情况下，在每次发生退磁影响事件后，采用未发生任何退磁影响事件时发电机对应的电流大小及相位计算得到退磁影响事件发生后的并网功率；或者采用电流补偿的方式对发电机的发电量进行补偿，直至达到未发生任何退磁影响事件时发电机对应的发电量。
[0312]
在一可实施例的方案中，本实施例的设计系统还包括：
[0313]
矩阵建立模块，用于根据净现值npv建立净现值npv矩阵；
[0314]
其中，净现值npv矩阵中的每个参数分别对应不同的预设工作温度点和不同的退
磁情况两个维度下的净现值npv；
[0315]
第一关联参数获取模块用于对同一预设工作温度下所有的净现值npv 进行计算处理得到第一处理值npv，以获取每个预设工作温度对应的第一处理值npv；
[0316]
第二关联参数获取模块用于获取第一基准工作温度下对应的第二处理值npv；
[0317]
比较模块用于计算得到不同的第一处理值npv与第二处理值npv的比值，并判断是否存在比值大于第一设定阈值，则选取对应的预设工作温度点更新得到新的第一基准工作温度以作为永磁体的目标基准工作温度，采用目标基准工作温度重新设计得到永磁风力发电机对应的目标设计参数，并调用温度范围获取模块；
[0318]
否则，比较模块用于判断是否存在比值小于或者等于第一设定阈值且大于或者等于第二设定阈值，若存在，则调用目标参数获取模块选取最高比值对应的预设工作温度点作为永磁体的目标基准工作温度，并采用目标基准工作温度作为永磁风力发电机对应的第一基准工作温度和/或第一基准电流参数，并将第一基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数；
[0319]
比较模块用于若所有的比值均小于第二设定阈值，则将第一基准工作温度作为永磁体的目标基准工作温度，并将目标基准工作温度对应的初始设计参数作为永磁风力发电机对应的目标设计参数。
[0320]
本实施例的永磁风力发电机的设计系统的实现原理与实施例2中的设计方法类似，因此在此就不再赘述。
[0321]
本实施例中，通过量化评估永磁体多次不可逆退磁对于永磁风力发电机电磁性能的影响及累积效应，提出了一种复杂约束下永磁风力发电机的近限设计方法，通过合理利用永磁体局部退磁，提高工作电流阈值，实现了永磁体抗退磁能力的匹配性设计，即允许出现永磁体退磁的情况，无需缩小设计边界，比如永磁体可以工作在更高的温度下，此时风力发电机的发电量等性能会得到进一步的提升，使得在后期可能由于故障发生退磁后，发电量虽有部分损失，但发电量基数相较于传统设计方法而言有所提升，进而使得永磁风力发电机在全生命周期内发电量及经济效益能够达到最优。
[0322]
实施例5
[0323]
图23为本发明实施例5提供的一种电子设备的结构示意图。电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现实施例1或2中任意一实施例中的永磁风力发电机的设计方法。图23显示的电子设备30仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0324]
如图23所示，电子设备30可以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备30的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器31、上述至少一个存储器32、连接不同系统组件(包括存储器32和处理器31)的总线33。
[0325]
总线33包括数据总线、地址总线和控制总线。
[0326]
存储器32可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(ram)321和/ 或高速缓存存储器322，还可以进一步包括只读存储器(rom)323。
[0327]
存储器32还可以包括具有一组(至少一个)程序模块324的程序/实用工具325，这样的程序模块324包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0328]
处理器31通过运行存储在存储器32中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本发明实施例1或2中任意一实施例中的永磁风力发电机的设计方法。
[0329]
电子设备30也可以与一个或多个外部设备34(例如键盘、指向设备等) 通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口35进行。并且，模型生成的设备30还可以通过网络适配器36与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图23所示，网络适配器36 通过总线33与模型生成的设备30的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备30使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、raid(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0330]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
[0331]
实施例6
[0332]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现实施例1或2中任意一实施例中的永磁风力发电机的设计方法中的步骤。
[0333]
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
[0334]
在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行实现实施例1或2中任意一实施例中的永磁风力发电机的设计方法中的步骤。
[0335]
其中，可以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
[0336]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。