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低速永磁同步发电机的优化设计及特性分析

张邵波  
【摘要】:随着人类社会对能源需求的增大和环境污染的严重,以及电力电子技术的发展,风力发电和潮汐能发电等可再生能源发电形式越来越受到人们的重视。永磁同步发电机在风力发电和潮汐能发电中都起到将机械能转化为电能的作用。风力发电和潮汐能发电的特点决定了永磁同步发电机的额定转速运行在低速状态。因此,研究低速永磁同步发电机的运行特性对提高可再生能源发电系统的经济性和稳定性具有重要作用。 低速永磁同步发电机与传统的永磁同步发电机相比具有低电压、大电流、高转矩等优点,但体积大、效率低、成本高、电压调整率高、dq模型精度低等缺点限制了低速永磁同步发电机应用。本文根据低速永磁同步发电机的特点,对低速永磁同步发电机的设计理论、主要性能参数计算进行了深入的研究,在传统电机设计方法的基础上提出了低速永磁同步发电机的设计方法。在该方法中,通过对分数槽集中绕组理论的研究,提出了分数槽集中绕组的最佳槽极数配合,低速永磁同步发电机通过对最佳槽极数的选择可以有效的降低转矩波动、提高绕组系数,从而有利于电机的启动,提高电机效率,降低电机成本。 在传统的永磁电机电磁计算方法中,需要利用等效磁路法计算公式对电机的主要尺寸、性能参数、损耗、效率不断的反复计算,这大大增加了电机的设计成本和设计周期。本文首先利用经验公式对电机尺寸和电感等主要参数进行计算,然后将计算结果送入软件RMxprt中,通过软件可以快速的对电机方案进行性能计算和优化设计,这可以减小电机的设计周期,提高电机的设计效率。 本文以设计20kW低速永磁同步发电机为例,根据低速永磁同步发电机设计方法,结合RMxprt软件设计样机,并且采用二维有限元分析对样机在不同工况下的工作特性进行仿真验证,仿真结果表明样机的电压、电流和功率等均满足系统要求,磁密、铜耗、铁损均在合理范围内。最后本文将设计的低速永磁同步发电机样机运用到三相电压型并网风力发电系统中,通过Matlab对系统进行仿真建模,详细分析比较了系统在不同风速下的运行性能,得到电机在不同风速的输出功率和效率图,验证了低速永磁同步发电机在系统中可以稳定的运行并满足系统要求。


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