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大型低速永磁风力发电机的设计研究

作　者: 佟文明
导　师: 唐任远
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 永磁风力发电机设计准则分数槽集中绕组热管理结构减重
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在国家863计划项目“新型变速恒压永磁风力发电机设计与制造技术”和哈尔滨大电机研究所合作项目“1.5MW半直驱永磁风力发电机设计”的资助下，本文针对制约大型低速永磁风力发电机的重量、成本和发电性能问题进行了深入研究，建立和完善大型低速永磁风力发电机设计与制造的一整套技术。本文的主要研究内容可以分为以下几个部分：第一部分研究变流器负载下永磁风力发电机的设计准则（减少有效材料用量、降低成本）。本文在分析PWM整流系统特性的基础上，提出一种考虑该类负载特性的永磁发电机设计准则。并分析了发电机的同步电抗、空载电动势等参数对该设计准则的影响情况。进而，建立起不同整流系统下永磁风力发电机的设计计算软件。第二部分研究分数槽集中绕组大型低速永磁风力发电机的电感参数（提高效率和容错性能）。本文将分数槽集中绕组引入大型低速永磁风力发电机中，以提高发电机效率和容错能力。首先，利用绕组函数法对分数槽集中绕组永磁电机的自感和互感参数进行量化分析和规律总结。然后，利用电磁场工具总结分数槽集中绕组永磁电机的凸极率特性。最后，提出分数槽集中绕组永磁发电机的定、转子模块化方案。第三部分研究大型低速永磁风力发电机的热管理技术（改善冷却性能）。在分析不同冷却系统特性的基础上，提出一种适用于大型低速永磁风力发电机的单路轴向密闭自循环通风系统。利用流场和温度场分析工具将该冷却系统应用于一台1.5MW半直驱永磁风力发电机样机。通过对1.5MW样机的试验，验证冷却系统设计的合理性和计算的准确性。文中还分析了某些关键因素对热分析结果的影响情况。第四部分研究大型低速永磁风力发电机的结构分析与减重设计（减轻重量）。首先基于弹性力学的叠加原理和连续性原理，建立了径向电磁力作用下一种圆盘式转子支撑结构的变形量解析计算模型。然后，针对圆盘式支撑结构进行了改进设计，通过设在圆盘两侧设置沿圆周方向呈辐射状均布的支撑筋来提高整个转子的刚度，文中分析了支撑筋数量、厚度对转子结构刚度和转子重量的影响规律。并利用有限元软件对圆盘式支撑结构进行优化以达到减重的目的。最终将该结构应用于两台永磁风力发电机样机以证明其可行性。第五部分样机开发与实验。本部分利用前文的研究成果，设计并制造一台采用分数槽集中绕组、准闭口槽和定、转子模块化结构的100kW永磁风力发电机样机和一台采用密闭自循环单路轴向通风系统、圆盘式支撑结构的1.5MW永磁风力发电机样机。最终完成样机的全面实验，样机性能优良，证明了本文所提出的相关关键技术的可行性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-26
  1.1 课题的目的和意义  11
  1.2 国内外发展动态和趋势  11-24
    1.2.1 永磁风力发电机的发展现状  12-14
    1.2.2 大型永磁风力发电机的结构  14-19
    1.2.3 变流器负载永磁风力发电机的设计  19-20
    1.2.4 分数槽集中绕组永磁同步电机的电抗研究  20-21
    1.2.5 大型永磁风力发电机的冷却系统  21-24
  1.3 本文的主要研究工作  24-26
第二章 PWM 整流负载下永磁风力发电机的设计研究  26-41
  2.1 PWM 整流系统特性和发电机典型设计准则分析  26-28
  2.2 考虑 PWM 整流特性的永磁风力发电机设计研究  28-36
    2.2.1 永磁发电机的数学模型  28-29
    2.2.2 一种基于 PWM 整流系统特性的永磁风力发电机设计准则  29-36
  2.3 软件编制  36-37
  2.4 不同设计准则性能比较  37-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章分数槽集中绕组永磁电机的电感参数与模块结构研究  41-58
  3.1 分数槽集中绕组的特点  41-43
  3.2 分数槽集中绕组永磁电机的电感参数研究  43-53
    3.2.1 分数槽集中绕组永磁电机的自感分析  43-49
    3.2.2 分数槽集中绕组永磁电机的互感分析  49-51
    3.2.3 基于电磁场分析的分数槽集中绕组永磁电机同步电感分析  51-53
  3.3 新型模块化结构研究  53-56
    3.3.1 定子模块化  54-55
    3.3.2 转子磁极模块化  55-56
  3.4 本章小结  56-58
第四章大型低速永磁风力发电机的密闭循环通风系统设计与热管理研究  58-77
  4.1 大型低速永磁风力发电机的冷却方式  58-60
  4.2 冷却系统流场分析与热分析模型  60-64
    4.2.1 流场分析模型  61-62
    4.2.2 热分析模型  62-64
  4.3 一种紧凑型密闭自循环轴向通风系统开发  64-72
    4.3.1 冷却系统的总体结构  64-67
    4.3.2 设计计算方法与程序  67-72
  4.4 三维温度场的敏感性分析  72-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章大型低速永磁风力发电机的结构分析与减重设计  77-98
  5.1 径向磁通永磁风力发电机的结构型式  77-79
  5.2 永磁风力发电机的受力分析  79-82
    5.2.1 切向力  79-80
    5.2.2 径向力  80-81
    5.2.3 重力  81-82
    5.2.4 热应力  82
  5.3 永磁风力发电机支撑结构变形量的解析分析  82-93
    5.3.1 径向力作用下的气隙方向变形量分析  83-90
    5.3.2 结构尺寸的初步设计  90-93
  5.4 基于有限元软件的圆盘式转子支撑结构改进和形状优化  93-96
  5.5 本章小结  96-98
第六章样机开发与实验研究  98-121
  6.1 1.5MW 样机的设计与试验  98-101
    6.1.1 密闭自循环单路轴向通风系统  98-100
    6.1.2 圆盘式转子支撑结构  100-101
  6.2 100kW 模块化结构样机的设计制造与试验  101-120
    6.2.1 样机设计  102-109
    6.2.2 样机制造  109-114
    6.2.3 样机试验  114-120
  6.3 本章小结  120-121
第七章结论  121-123
参考文献  123-129
在学研究成果  129-131
致谢  131

大型低速永磁风力发电机的设计研究

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