本文是一篇电气工程论文，笔者结合垂直轴风力发电机研究背景与意义，考虑设计风机的应用场景，在垂直轴风机与开关磁阻电机研究基础上，本文提出5kW垂直轴开关磁阻风力发电机设计与优化。
第1章 绪论
1.1 课题背景与意义
全球工业化的脚步不断加快，能源需求和环境压力不断增加，社会发展与能源紧张间的矛盾不断加剧，分布式能源可缓解社会发展和能源紧张间的矛盾[1]。表1-1汇总我国2018年与2023年各类型能源装机容量与占比分配。
从表1-1中可看出近五年作为分布式能源的太阳能与风能总装机容量翻了两倍，总占比由19%增长到36%，火电与水电的总装机容量稍有上升，但占比下降，核电的总装机容量与占比变化不大，说明我国优先发展分布式发电，主要原因是分布式发电可提高能源利用效率，是实现能源转型和可持续发展目标的重要手段。风能作为分布式能源的一种，因其能源储量丰富、清洁无污染，经济效益较高而倍受关注。自2006年以来，中国风电行业经历了爆发式的增长，现已成为国内第三大电源，并正逐步向主力能源地位发展。
1.2 垂直轴风机研究现状
1.2.1 国外垂直轴风机研究现状
20世纪20年代垂直轴风力机开始出现，但发展较慢，直到70年代在西方发达国家得到迅速发展。1972年，加拿大科研人员R.S.Rangi和P.South对达里厄风力机进行风洞实验，测试叶片个数、风轮实度等参数对风机性能的影响。1974年，美国的地亚国立实验室设计制作1台直径为5m的研究用达里厄风力机。到80年代，达里厄风力机在美国部分地区的风电场实现了商业化。2000年以来，垂直轴风力机在北美、欧洲、日本等国家得到了广泛的关注和应用[14]。
文献[15]对比分析不同风力发电系统垂直轴与水平轴的能量转换效率。根据热力学第一定律与第二定律在相同风速下对不同风电系统进行数值分析，对比水平轴和垂直轴风力机风力机能量转换效率，得预测翼型系统的第二定律预测结果更优，为风电开发提供设计工具。预测结果显示：发现在相同湍流条件下，垂直轴风力发电机有更高的能量转换效率，由此可得垂直轴风力发电机在特定条件下，优于水平轴风力发电机。
文献[16]分析不同叶尖速比下翼型对风机性能的影响。通过比较不同叶尖速比下NACA0018、NACA0020、NACA0025以及NACA0030四种翼型垂直轴风机产生的平均转矩、升力系数以及风能利用率，得低叶尖速比下垂直轴风机的平均转矩随叶片厚度增加而增大，但升力系数与风能利用率在某一厚度下有最大值，故在进行风机叶片选择时应综合考虑风机性能。
文献[17]对垂直轴风机进行翼型优化。通过研究不同翼型厚度对风机性能的影响，推导翼型气动优化的表达式，结合遗传算法进行优化设计，结果表明采用遗传算法优化后翼型垂直轴风力发电机的气动性能和结构刚度得到提高，为垂直轴风力发电机的设计和优化提供了新的思路和方法。
第2章 开关磁阻风力发电系统理论
2.1 风力发电系统基本理论
2.1.1 贝茨理论
贝茨理论(Betz' Law)由德国物理学家贝茨(Albert Betz)提出，通过解析动量方程、连续性方程和能量守恒方程，得到在理论工作条件下，风机所能实现的最大风力利用率[52]（即贝茨极限）。基于流管模型分析贝茨理论，单元流管模型如图2-1。
贝茨理论基于以下假定条件[53]：
(1)假设风轮的叶片数量趋于无穷，其形态近似于一个圆盘，且叶片表面光滑无摩擦力，将风轮简化为一个均匀的平圆盘； (2)认定空气密度保持恒定，气流水平且均匀流过风轮； (3)平圆盘受到均匀的轴向力； (4)气流流过风轮叶片时，前后静压相等。
2.2 开关磁阻电机理论
2.2.1 开关磁阻电机的工作原理
在结构上，开关磁阻电机与其他电机不同，为双凸极结构；在工作原理上，遵循磁阻最小原理[56]。定转子凸极对齐时，磁阻最小，相绕组电感最大，转子运动产生的磁阻力也最大；定子凸极与转子凹极对齐时，磁阻最大，相绕组电感最小，转子运动产生的磁阻力也最小。开关磁阻电机剖面如图2-3。
以三相12/8开关磁阻电机进行发电机工作原理说明，发电机的一相电路(A相)原理如图2-4，其余两相电路原理与此相相同。其中S1与S2代表功率开关，D1与D2代表续流二级管，U代表励磁电源。图中开关磁阻电机定转子凸极在对齐位置，转子在8-4轴线与1-5轴线之间时，合上功率开关S1和S2，励磁电源对A相通电，电流方向沿图示方向流动，磁通沿着磁阻最小原理闭合，通过气隙的磁力线是弯曲的，转子受到弯曲磁力线的切向磁拉力产生转矩，向1-5轴线转动到图中定转子对齐位置，此时，磁阻最小，A相不再产生切向磁拉力，此时断开开关S1和S2，A相电流通过二级管D1和D2续流，电流方向不改变，电源极性与励磁阶段相反，存储在磁场中的磁能又转化为电能回馈到电源[57]。根据转子旋转位置，按照A、B、C相顺序通电，电机转子沿着切向磁拉力方向一直旋转，不断地将转子机械能转换成电能输出，维持系统的发电。SRM的转动方向并非由相绕组的电流方向决定，而是取决于通电的相序，当原动机转向改变时，只需改变通电相序，就可实现发电运行
第3章 垂直轴风力发电机设计与优化 .................... 23
3.1 风力发电机参数设计 .............................. 23
3.2 风力发电机结构设计 ........................... 24
第4章 开关磁阻电机设计与仿真 ............................. 41
4.1 开关磁阻电机设计要求与流程 ......................... 41
4.2 开关磁阻电机参数计算................................ 41
第5章 基于遗传算法的电机多目标参数优化 ................ 51
5.1 遗传算法基本原理 .................... 51
5.2 确定优化变量 ............................... 53
第6章 基于RBF-NSGA-II的电机多目标优化
6.1 RBF-NSGA-II的理论基础
6.1.1 RBF神经网络原理
径向基函数（Radial Basis Function Neural, RBF）神经网络是一种特殊类型的前馈神经网络，基本原理和特性使它在处理非线性问题方面有独特的优势[82]。图6-1给出一种双输入单输出的传统RBF神经网络。
如图6-1所示，RBF神经网络是一种三层前向网络，分别是输入层、隐含层和输出层，这三层之间的关系为输入层到隐含层的映射、隐含层到输出层的映射和学习过程[83]。RBF神经网络输入层到隐含层的映射通过计算输入样本与隐含层节点中心之间的距离来实现，而不是通过传统的权值和阈值进行连接，此映射关系使RBF神经网络能直接反映输入数据的空间分布特性。隐含层到输出层的映射是线性映射，网络输出是隐含层单元的线性加权和，权值通过网络的可调参数的训练过程确定，线性映射关系使得RBF神经网络输出具有全局逼近能力。RBF神经网络学习过程通常分为两个阶段：无监督学习和监督学习。无监督学习阶段主要用于确定隐含层节点的中心点；监督学习阶段主要用于计算隐含层节点到输出层之间的权值。
结论
在“碳达峰、碳中和”背景下，分布式能源高速发展，垂直轴风力发电机能较好利用分布式能源，实现风力发电，开关磁阻电机结构可靠，价格低廉，调速范围宽，适用于垂直轴风力发电机。因此，本文将5kW垂直轴开关磁阻风力发电机作为研究对象，研究内容与成果如下：
（1）完成风机设计与优化。首先基于空气动力学原理和风机结构设计工程经验，确立风力机的基本参数，完成风机叶片、连接轴、主轴及塔架的设计；其次为提高城区低风速下垂直轴风机风能利用率，通过QBlade仿真分析分别探究叶片数量、弦长、旋转半径及扭角的变化对风机风能利用系数的影响，得到叶片数量的最优取值不变，数量为3，弦长由初始取值C优化为1.1C，取值为341mm，旋转半径由初始取值R优化为1.2R，取值为1.963m，扭角由初始取值0°优化为1°；再考虑到风机间各参数的相互影响，将优化后的风机参数加到同一数学模型上进行优化前后性能对比，得优化后叶片在低风速下能获得更高的风能利用系数，风机结构优化符合要求；最后为保证风机运行过程安全稳定，对优化后叶片、连接轴、主轴及塔架进行静力学分析，结果显示风机各部件应力应变均在材质允许范围内，风机材质选择合理，能保证优化后风机平稳运行。
（2）完成电机的初步设计。首先根据电磁理论与电机设计经验，按照开关磁阻电机的设计流程，进行电机结构参数计算，进行12/8极开关磁阻电机的初始设计；其次将设计好的电机在Maxwell 2D中进行建模，设置控制参数、主要参数以及仿真参数，得到电机仿真模型图；最后对电机模型进行初步仿真，分析磁力、磁密、电磁转矩、电机效率及反电动势仿真结果，得到平均转矩为111.6Nm，转矩脉动为1.52，最大转矩为169.7Nm，最大反电动势为369.27V，效率为89.09%，电机参数设计基本符合要求，但电机转矩、效率以及反电动势仍有优化空间。
参考文献（略）
