1.5MW半直驱永磁同步风力发电机设计及关键技术研究

摘要

备受各国重视且储量丰富的绿色资源风能的利用大大缓解了化石能源短缺、环境污染等问题。提高作为风力发电核心部分的风力发电机的设计制造技术成为科研人员面临的重大任务。本文总结已开发各种风力发电机的优缺点，对具有广阔应用前景的半直驱永磁同步风力发电机的关键设计技术进行细致分析和研究，设计出1.5MW半直驱永磁同步风力发电机。
　　 首先本文对直驱并网型风力发电机电机侧整流技术包括无补偿不可控整流、有无功功率补偿和滤波电流不可控整流以及PWM整流进行仿真和分析，确定直驱永磁同步风力发电机的负载功率因数可以达到1，从而达到降低电机有效材料使用量，提高电机运行性能的目的，为以后的设计做好铺垫。另外，本文对极槽配合的选择、齿槽转矩削弱、转子磁极设计和电机电抗参数计算特别是闭口槽槽漏抗的计算方法等永磁同步风力电机关键设计技术进行探索研究，形成完善的电磁设计方法。
　　 结合上述设计方法和厂家要求，本文选择30极132槽、40极192槽、50极180槽、52极180槽和60极216槽五种极槽配合，在相同设计条件下设计转速为150rpm的1.5MW半直驱永磁同步风力发电机电磁方案。最终优选在有效材料使用量、电压调整率、电机效率等方面具有明显优势的50极、180槽电磁方案。
　　 最后，从AnsoftMaxwell电磁场分析软件对最优电磁方案仿真结果，包括空载分析、负载仿真、三相突然短路分析，获得电机发生突然三相短路时去磁最为严重永磁体的工作点为0.29T，验证出电机空载和输出性能，满足电机设计要求，也证明对关键技术研究结果的合理性。采用Ansys有限元分析核算50极、180槽电机方案电机温升，确定电机最高温升为59.6K，为冷却系统设计提供依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 风力发电技术的背景和意义

1.2 风力发电现状和前景

1.2.1 国外风力发电发展现状

1.2.2 我国风力发电发展现状

1.2.3 海上风力发电

1.3 风力发电机技术研发

1.4 直驱式及半直驱永磁同步风力发电机研究现状

1.4.1 径向磁通永磁同步发电机

1.4.2 轴向磁通永磁同步发电机

1.4.3 横向磁通永磁同步发电机

1.4.4 半直驱式径向永磁同步发电机的现有成果

1.5 课题来源和主要研究内容

第二章 风力发电机侧整流系统对电机设计的影响

2.1 永磁同步风力发电机功率因数和谐波畸变率的重要意义

2.1.1 永磁同步风力发电机的功率因数

2.1.2 波形畸变对永磁电机的影响

2.2 采用不同整流的永磁同步风力发电机分析

2.2.1 无补偿和滤波电路的三相全桥二极管整流系统

2.2.2 采用无功补偿电容器和滤波电路的三相全桥二极管整流系统

2.2.3 直驱式风力发电机采用PWM整流分析

2.3 本章小结

第三章 半直驱永磁同步风力发电机设计的关键技术

3.1 极槽配合选择

3.1.1 绕组因数

3.1.2 齿槽转矩

3.1.3 定子磁动势谐波

3.2 减小电机的起动阻转矩

3.3 永磁同步发电机电抗参数的计算

3.3.1 交、直轴电枢反应电抗的计算

3.3.2 采用闭口槽永磁同步风力发电机的槽漏抗计算

3.4 转子磁极结构

3.4.1 径向表贴式转子磁极

3.4.2 径向内置式转子磁极

3.4.3 表贴挂极式转子磁极

3.5 本章小结

第四章 1.5MW半直驱永磁同步风力发电机设计

4.1 设计要求及说明

4.1.1 额定输出功率

4.1.1 额定功率因数

4.1.2 额定输出电压

4.1.3 额定电压调整率

4.1.4 额定频率

4.2 半直驱永磁同步风力发电机的设计及主要参数

4.2.1 主要尺寸的选择

4.2.2 气隙长度选择

4.2.3 定子冲片及绕组设计

4.2.4 转子冲片设计

4.3 方案设计与比较

4.3.1 空载漏磁系数和空载电动势

4.3.2 发电机损耗及效率

4.3.3 有效材料使用量

4.3.4 电磁性能比较

4.4 本章小结

第五章 电磁场和温度场的有限元验证分析

5.1 50极、180槽电磁方案的详细数据

5.2 磁场的有限元分析

5.2.1 静态电磁场分析

5.2.2 空载电磁场分析结果

5.2.3 负载电磁场仿真结果

5.2.4 电机短路特性仿真

5.3 温升仿真计算

5.4 本章小结

第六章 总结

参考文献

附表1 三相不同极槽配合下基波绕组因数分布

附表2 50极、180槽半直驱永磁同步风力发电机详细电磁数据

致谢

学位论文评阅及答辩情况表