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小型垂直轴风力发电用盘式电机的研究

张文山  
【摘要】:能源消耗的日益增长以及环境污染的日益严重迫使人们考虑新能源和可再生能源的开发和利用问题。而风电作为现阶段最成熟、最具商业化发展前景的新能源产业之一,得到了世界各国的普遍重视,风电技术也成为各国学者研究的热点。离网型小型风力发电具有机动性高、使用灵活等优点,在道路照明、小功率监控、偏远地区用电、家庭用电等方面有着广阔的应用前景。盘式电机结构简单、紧凑,转动惯量大,可以与风力机做成一体。特别是双外转子单定子无铁芯的盘式永磁电机,消除了齿槽转矩和定子铁耗,启动转矩低,效率高,比较适用于小型垂直轴风力发电系统。 作为轴向磁场电机,盘式电机的设计与普通柱式电机有所不同。在介绍了电机的结构的基础上,本文首先推导了盘式电机的电磁公式,并对盘式电机进行了初步设计。然后采用变量分析的方法,通过三维有限元仿真对盘式电机永磁体形状、永磁体厚度、极弧系数、背铁厚度等参数进行了优化,完成了电机的设计。利用Maxwell3D对设计完成的电机进行了静态分析和瞬态分析,分析结果验证了电机设计数据的合理性。在电机制作上,转子盘的加工、永磁体的粘贴定位、定子盘的加工成型等难度都较大,本文制作了适于盘式电机制作的模具,设计了制作流程,完成了样机制作。最后,本文对样机进行了性能测试和风力发电实验。样机的性能测试表明电机的电压反电势正弦趋势良好、功率输出稳定、效率高,能够长期运行,达到了设计要求;风力发电实验表明样机用于风力发电效果良好,验证了双外转子单定子无铁芯的盘式永磁电机适用于小型垂直轴风力发电。


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