新型复合磁路永磁风力发电机的三维性能分析

摘要

风能是一种绿色无污染的可再生能源，风力发电已成为新能源发电技术中最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式之一。由于永磁发电机效率高，结构简单、可靠性高且可以做到多极低转速，广泛地为风电机组采用，具有很好的应用前景。本课题研究主要是以一种新型复合磁路外转子永磁风力发电机为研究对象，研究其电磁设计方法、电磁场有限元仿真及三维性能分析，为低风速风力发电技术提供一定的理论依据。
　　首先，针对传统的外转子永磁风力发电机采用场路结合法进行电磁设计和研究分析。根据给定的设计指标，初步选取电机主要尺寸、电磁负荷参数、永磁材料和形状、极槽匹配、绕组形式等结构，通过等效磁路计算定转子结构参数和电磁性能参数；基于RMxprt电机专家设计软件的路算完成永磁发电机的初始计算，进行参数化分析，研究永磁体磁化方向长度、定子齿宽与磁密分布的关系曲线，铁心有效轴长与效率、输出功率的变化曲线，确定永磁发电机的初始方案。
　　其次，在Maxwell2D电磁场有限元分析软件中，建立永磁发电机模型并对电机内部的电磁场进行更为精确的静态磁场和瞬态磁场仿真分析。静态磁场中得到磁力线分布图、磁密云图及齿槽转矩曲线验证电机基本电磁性能，瞬态磁场中分别进行空载、额定负载及短路故障三种工况下的仿真分析，分析永磁发电机的电枢反应情况和不同转速下输出电压的变化。二维电磁场仿真分析为复合磁路结构永磁风力发电机的三维仿真和电磁设计研究奠定理论基础。
　　最后，在完成传统外转子永磁发电机研究分析的基础上，进一步改进电机磁路结构，设计一种新型复合磁路结构的永磁发电机，通过机械绘图软件Solidworks建立转子磁路的三维模型，导入Maxwell3D电磁场有限元分析软件，进行复合磁路结构的三维性能分析，与传统的径向磁路结构永磁发电机对比，形成以轴向磁路为主磁路，径向为辅的复合磁路结构，增大了气隙磁密，减少永磁体材料，降低了电机成本。同时启动磁阻力矩大大减少，提高了低风速启动性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 永磁风力发电机性能分析的研究现状

1.3 本文研究主要内容与研究技术路线

1.4 本章小结

第2章 永磁风力发电机的设计方法

2.1 永磁风力发电机的工作原理

2.2 永磁风力发电机的结构特征

2.3 永磁风力发电机的电磁设计

2.4 永磁风力发电机的空载特性和运行性能

2.5 本章小结

第3章 永磁风力发电机的二维电磁场有限元仿真分析

3.1 电磁场有限元分析的理论基础

3.2 基于RMxprt的永磁风力发电机参数化分析

3.3Maxwell 2D的永磁风力发电机静态磁场分析

3.4Maxwell 2D的永磁风力发电机瞬态磁场分析

3.5 本章小结

第4章 复合磁路永磁风力发电机的电磁场有限元仿真分析

4.1 复合磁路永磁风力发电机的模型建立

4.2Maxwell 3D电磁场有限元仿真的前处理

4.3 复合磁路永磁风力发电机的三维性能分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 工作结论

5.2 工作展望

参考文献

附录I 复合磁路永磁风力发电机电磁设计算例

附录IIMaxwell 3D电磁场有限元仿真分析流程

致谢

攻读学位期间的研究成果