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模块式变速恒压混合励磁风力发电机设计研究

安忠良  
【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。


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