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《华南理工大学》 2009年
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基于有限元分析的双转子永磁风力发电机设计及研究

曹江华  
【摘要】:随着资源的日益枯竭和环境保护意识的加强,风力发电作为最具竞争力、最有发展前景的一项可再生能源技术,在全球范围内得到了高度重视。双转子永磁风力发电机具有与传统电机不同的旋转模式,其电枢转子与永磁转子相向旋转,同样风速条件下发电能力提高一倍,最低工作风速降为普通永磁风力发电机的一半,最高工作风速与普通永磁风力发电机一样,能加宽工作风速范围和提高风能利用率。同时,同样的极对数下双转子永磁风力发电机的工作转速只需普通永磁风力发电机的一半即可,因此在风力发电尤其是直驱式风力发电领域具有独特的优势。 双转子永磁风力发电机的结构设计和电磁设计相对普通电机更加复杂,动态性能与普通电机有很大不同,目前我国双转子永磁风力发电机的研究还处于起步阶段,因此对其进行设计和研究将具有重要的理论和实际意义。为此,本文设计了一种具有低起动风速的双转子永磁风力发电机,并采用有限元法对其进行了全面分析。 首先简单介绍了双转子永磁风力发电机的工作原理、特性及数学模型,对其结构和电磁部分进行了设计。在设计过程中,利用等效磁路法对双转子永磁风力发电机进行分析计算,提出了一些新的参数计算和选取方法,在此基础上编制了基于C++语言的双转子永磁风力发电机场路结合电磁设计程序。 针对双转子永磁风力发电机空载和负载时的模型进行了静态电磁场分析和计算,基于有限元分析和电磁设计程序详细分析了长径比、气隙长度和永磁体磁化方向长度对双转子永磁风力发电机其他参数和性能的影响,并以此为根据对这三个参数进行了优化选取,以提高双转子永磁风力发电机设计的可靠性。 双转子永磁风力发电机作为一种新型电机,其最大创新点在于内、外转子可以自由旋转,静态磁场的分析不足以反映其动态性能,本文采用场路耦合时步有限元法对双转子永磁风力发电机进行了分析。用有限元法计算瞬态磁场时,需要考虑内、外转子之间的相对运动,普通电机运动边界的处理方法已不适用,针对双转子永磁风力发电机提出了一种双运动边界法以建立内、外转子运动边界上节点的对应关系。建立了双转子永磁风力发电机的场路耦合数学模型,并对时间进行离散,采用Newton-Raphson法处理非线性的方程组,详细分析了空载和不同负载条件下的磁场分布情况和相关性能指标。最后,基于能量法和傅立叶变换推导了双转子永磁风力发电机齿槽转矩的解析表达式,并采用Maxwell tensor法针对极弧系数的选择计算了双转子永磁风力发电机的齿槽转矩。 用两台直流电机分别拖动内、外转子同速相向旋转,进行了三相及整流稳压后的空载、额定负载以及效率试验等,输出电压、功率及效率均达到设计要求且试验结果与程序计算结果、有限元仿真结果吻合较好,验证了双转子永磁风力发电机设计及分析的正确性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM315

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 陈进华;异向旋转双转子永磁电机研究[D];沈阳工业大学;2012年
2 肖如晶;双转子永磁同步风力发电机控制系统的研究[D];华南理工大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 陈中科;陈丽香;唐任远;;永磁无刷直流电动机的噪声振动分析[A];第十一届全国永磁电机学术交流会论文集[C];2011年
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8 陈新然;孙力;金鹏;;驱动电机工作点对电动汽车动力特性影响的研究[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
9 张宪标;汪沨;乐孟常;戴涛;;采用PIC法SF_6/N_2混合气体中绝缘子沿面放电特性仿真[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
10 肖如晶;杨向宇;林清华;;新型双转子永磁同步电机的仿真与特性分析[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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10 邢军强;高速永磁电机转子损耗及通风散热研究[D];沈阳工业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张志华;弧形直线电机伸缩门及其控制研究[D];河南理工大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
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1 殷从伟;双转子永磁风力发电机控制策略的研究[D];五邑大学;2013年
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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2 记者 赵国清;沈阳造出国内首台3.0兆瓦风力发电机[N];沈阳日报;2009年
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7 娜姿;全省首台2MW双馈风力发电机在宜下线[N];宜兴日报;2011年
8 CNE记者 霍丽文;提高双馈风力发电机准入标准[N];中国电力报;2011年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 张慧宁;风力发电机智能偏航控制系统研究[D];东华大学;2010年
6 彭镭;兆瓦级风力发电机监测与故障诊断系统设计[D];湖南大学;2010年
7 吴卫珍;基于分数阶微积分风力发电机变浆距控制方法研究[D];南京林业大学;2010年
8 李文慧;50W路灯用垂直轴风力发电机的实验与研究[D];内蒙古农业大学;2010年
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10 赵巧红;双馈风力发电机测试系统的研制[D];湖南科技大学;2010年
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