模块式变速恒压混合励磁风力发电机设计研究

论文摘要

作为国家高技术研究与发展计划(863计划)“探索研究类”课题“新型变速恒压永磁风力发电机设计与制造”的一部分,本文针对目前风力发电系统存在的问题,提出了一种新型的模块式变速恒压混合励磁风力发电机,用于“分布式直流电网”,并对该类发电机研发中所面临的一系列关键技术问题进行了研究,形成了一整套模块式变速恒压混合励磁风力发电机的设计方法,为大规模利用风力发电提供了一种新的发电机技术。概括起来,本文的内容分成以下几部分：第一部分：主要研究模块式混合励磁发电机。首先,对混合励磁发电机的结构及原理进行了分析；其次,针对直驱式及半直驱式风力发电机重量、体积等带来的运输及吊装难的问题,提出了一种新的模块式单齿绕绕组结构,并分析了模块化安装缝隙对电机性能的影响；最后对模块式结构极槽配合进行了分析,总结出该种结构极槽配合选取原则。第二部分：首先,利用3D有限元方法对混合励磁发电机不同电励磁状态进行了分析,简化了磁路,推导了部分参数；其次,针对模块式单齿绕绕组结构的特殊性,对其电抗参数进行研究,推导出其电枢反应电抗解析计算公式,并通过大量有限元电磁场计算确定系数kpd、kpq曲线,同时,分析单齿绕绕组永磁电机分数次谐波对谐波漏抗的影响,总结出常用单齿绕绕组电机谐波比漏磁导系数∑s；最后,通过10kW模拟样机的实验结果及电磁场计算结果进行了验证和完善,编制了模块式混合励磁风力发电机CAD设计计算软件包,为今后该类电机的设计提供了设计计算软件平台。第三部分：增加发电量技术研究。首先,研究了模块式混合励磁发电机齿槽转矩产生的原因及机理,总结出减小起动阻力矩的方法；其次,对模块式单齿绕混合励磁发电机绕组端部公式进行推导,通过减小绕组端部长度以减小电机的铜耗,提高效率；最后,分析了永磁体涡流损耗产生的原因,推导了带极靴表面式结构电机的气隙比磁导表达式。在谐波理论基础上结合有限元计算结果分析了空间谐波的含量。总结了计算永磁体涡流损耗的方法,并提出了减小涡流损耗的方法。第四部分：在上述研究成果的基础上,研发了一台100kW、100r/min的模块式变速恒压混合励磁风力发电机及其稳压控制系统,进一步总结了该类发电机设计的一般准则,完善了该类电机的试验方法,搭建了试验平台,为今后系统开发该种结构大功率电机提供了完整的设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 混合励磁电机发展现状
• 1.2.1 串励式混合励磁电机
• 1.2.2 并励式混合励磁电机
• 1.2.3 串并混励混合励磁电机
• 1.3 电机电抗参数计算的研究现状
• 1.4 永磁体涡流损耗研究现状
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 混合励磁风力发电机模块式结构研究
• 2.1 引言
• 2.2 混合励磁发电机的结构及原理
• 2.3 模块式结构极槽配合选取原则
• 2.4 新型模块式结构及工艺研究
• 2.4.1 新型模块式结构
• 2.4.2 安装缝隙影响研究
• 2.4.3 转子磁极强度计算及结构工艺研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 单齿绕模块式混合励磁发电机参数计算及软件编制
• 3.1 引言
• 3.2 单齿绕模块式混合励磁发电机三维场分析
• 3.3 单齿绕模块式混合励磁发电机等效磁路
• 3.3.1 磁阻计算
• 3.3.2 铁磁极的磁路分析
• 3.3.3 永磁体的磁路分析
• 3.3.4 气隙磁通与磁密
• 3.4 电抗参数推导
• 3.4.1 单齿绕永磁电机电枢反应电抗参数的解析算法
• 3.4.2 单齿绕永磁电机谐波漏抗参数计算
• 3.5 软件编制
• 3.6 本章小结
• 第四章 增加发电量技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 减小起动阻力矩技术研究
• 4.2.1 极槽配合对齿槽转矩影响分析
• 4.2.2 极弧系数对齿槽转矩影响分析
• 4.2.3 槽口宽度对起动阻力矩的影响
• 4.3 提高发电机效率研究
• 4.3.1 减小铜耗研究
• 4.3.2 永磁体涡流损耗计算和抑制技术
• 4.4 本章小结
• 第五章 100kW模块式混合励磁发电机及其稳压控制系统研发与试验
• 5.1 引言
• 5.2 100kW混合励磁发电机设计
• 5.2.1 技术指标要求
• 5.2.2 电励磁绕组电流过零点选取
• 5.2.3 气隙长度的确定
• 5.2.4 永磁体尺寸的确定
• 5.2.5 性能计算及样机制造
• 5.3 电励磁稳压控制系统设计
• 5.4 实验平台搭建和试验结果分析
• 5.4.1 实验平台搭建
• 5.4.2 实验测试机实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢