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摘要
摘 要
风能作为一种可再生清洁能源,已成为我国电力能源可持续发展的重要能源之一。其
中低风速风能在我国分布广泛,低风速风电将是未来风电发展的重点之一。为满足低风速
风电场的发展需求,本实验室提出一种新型低风速磁悬浮垂直轴风力发电机组。该机组主
要由垂直轴风力机、外转子永磁直驱型风力发电机 (主发电机)和磁悬浮盘式电机 (磁悬
浮系统,兼作辅助发电机)三部分构成,本文重点研究和设计外转子永磁直驱型风力发电
机和磁悬浮盘式电机。
首先,针对外转子结构永磁发电机的特点及设计指标,结合算例及相关经验公式完成
外转子永磁发电机的初步设计。通过磁路分析,建立发电机等效磁路图并进行磁路计算,
采用基于等效磁路法的RMxprt 电机模块建立1kW 外转子永磁直驱型风力发电机的模型,
并进行初步电磁性能分析。
其次,考虑到外转子永磁直驱型风力发电机的结构与运行工况的复杂性,对初步设计
的外转子永磁直驱型风力发电机进行有限元数值分析。将RMxprt 电机模型导入ANSYS
Maxwell2D 有限元分析软件中,仿真得到发电机内部磁场分布云图及发电机在不同工况下
的工作特性曲线。进行退磁风险校验,通过分析永磁发电机中退磁现象产生的原因,采用
外电路控制的方法对所设计的外转子永磁直驱型风力发电机进行三相短路故障仿真。由仿
真波形可知发电机初步设计合理,在最严重故障下不会产生退磁现象。
第三,对初步设计的外转子永磁直驱型风力发电机进行优化。低风速发电意味着要求
风力发电机启动阻力矩小、损耗低,为此,本文以发电机齿槽转矩、转矩脉动、损耗为优
化目标,从各优化量的产生机理出发,通过表达式的推导,明确与之相关的发电机结构参
数,并借助ANSYS软件对相关参数进行扫描寻优及结构优化,以获取最佳设计模型,实
现外转子永磁直驱型风力发电机低风速启动、高效平稳运行的设计要求。
最后,设计磁悬浮盘式电机,进行性能验证及齿槽转矩削弱。磁悬浮盘式电机定子采
用混合励磁保证励磁可调,定子产生的磁吸力平衡旋转体的重力并控制其稳定悬浮,减小
电机在旋转过程中的摩擦损耗,这有利于进一步减小启动阻力矩,实现风力机低风速启动;
磁悬浮盘式电机转子铁芯绕有三相绕组,在风力机的带动下旋转切割磁力线产生感应电动
势,因此磁悬浮盘式电机还可作为辅助发电机。通过类比传统径向磁通电机定子的设计完
成盘式电机三相电枢转子的设计。通过磁路分析建立盘式电机等效磁路图,并对电磁力公
式进行推导,完成盘式电机定子的设计。利用ANSYSMaxwell3D 对设计完成的盘式电机
进行静态场与瞬态场分析,分析结果表明磁悬浮盘式电机设计合理。
关键词:风力发电,垂直轴风力发电机,低风速,磁悬浮,电机优化设计,有限元分析
I
目录
目录
摘 要 I
AbstractII
第1章 绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2 垂直轴风力发电机研究现状2
1.2.1垂直轴风力机研究现状2
1.2.2 垂直轴永磁直驱型风力发电机研究现状3
1.3磁悬浮盘式电机的发展与研究现状4
1.4 本文主要研究内容5
2 6
第 章 外转子永磁直驱型风力发电机电磁设计
2.1设计特点及步骤6
2.2 发电机初步设计8
2.2.1发电机的额定参数8
2.2.2 主要尺寸的确定9
2.2.3永磁体设计9
2.2.4 发电机电枢绕组与冲片设计11
2.3磁路计算13
2.4 基于RMxprt 等效磁路模块的电机性能分析 15
2.4.1RMxprt 电机模块介绍 15
2
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