7MW内置式永磁直驱风力发电机关键设计技术研究

摘要

化石能源的储量危机及其引起的环境污染问题促进了新能源技术的快速发展。风能作为绿色的可再生能源，成为继火电、水电后的第三大能源，风力发电技术也是目前最具规模化开发和商业应用前景的新能源技术。发电机作为风力发电系统核心部件，其设计技术是促进风电产业发展的关键技术之一。为进一步提高发电机的功率密度、效率及可靠性，目前发电机设计技术逐步向大型化和直驱化发展。内置式永磁电机具有转矩密度大、重量轻、体积小及可靠性高等优点，成为提高大型永磁直驱发电机的功率密度的一种有效解决方案。本文主要以7MW内置式永磁直驱发电机为研究对象，对大型内置式永磁发电机的关键设计技术进行了深入探究。
　　本文首先对大型内置式永磁电机的分析模型和电磁性能进行了深入研究。本文提出了一种内置式永磁电机的电感解析模型和计算方法，并对传统绕组函数公式进行了补充及修正。针对大型永磁发电机特殊的性能要求，文章分析和比较了分数槽集中绕组及其拓扑结构的性能，进而选择出了适用于大型内置式永磁直驱发电机的绕组型式。本文对分数槽集中绕组大型内置式永磁电机的去磁性能及影响参数进行了深入研究，提出了提高电机抗去磁能力的有效措施。同时，本文也讨论了内置式永磁电机的电磁力及振动性能，分析了定子开槽磁导、内置式转子结构、不同分数槽集中绕组槽极配合以及转子偏心对电机电磁力波的影响。研究了大型内置式永磁直驱发电机一体化综合设计的理念和手段。以电机的重量和成本最优为设计目标，在保证发电机输出性能的基础上，对关键设计参数进行了优化选择，进而选择出电机的初步设计方案。然后结合大型永磁直驱电机实际加工制造要求，对初步设计方案进行了细节设计和参数修正，从而得到较完善的设计方案。针对电机的设计方案，本文研究了大型内置式永磁直驱发电机的电磁性能校核方式。首先对发电机在额定运行状态时的转矩波动、电压质量及功率因数进行了核算，然后对各种损耗成分进行详细精确计算，进而核算电机效率和温升，并保证了电机绝缘及永磁材料的安全性。另外，考虑到实际风况是不断变化的，深入研究了在风电系统控制下发电机的输出性能。考虑了大型永磁直驱发电机在运行时可能发生的最严重的故障情况，并对大型内置式永磁直驱发电机在故障状态时的运行性能及其支撑结构的可靠性进行了较全面的核算，从而保证了发电机即使在严重故障运行时仍能保证可靠的输出。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 课题背景及意义

1.3 永磁直驱发电机的技术现状与发展趋势

1.4 大型永磁直驱发电机的技术难点与挑战

1.5 本文主要研究内容

2 内置式永磁电机电感解析模型

2.1 转子磁导法

2.2 气隙磁压降法

2.3 有限元及实验验证

2.4 本章小结

3 分数槽集中绕组及拓扑结构研究

3.1 绕组层数

3.2 齿宽类型

3.3 线圈节距

3.4 绕组型式对比

3.5 本章小结

4 大型内置式永磁发电机去磁性能分析

4.1 去磁特性分析

4.2 设计参数影响

4.3 本章小结

5 大型内置式永磁发电机电磁力研究

5.1 简化解析模型

5.2 偏心解析模型

5.3 有限元定量分析

5.4 本章小结

6 7MW内置式永磁直驱发电机电磁设计研究

6.1 综合设计流程

6.2 参数选择策略

6.3 细节设计及修正

6.4 电机设计方案

6.5 本章小结

7 7MW内置式永磁直驱发电机运行特性分析

7.1 电磁性能分析

7.2 运行特性分析

7.3 故障性能分析

7.4 本章小结

8 总结与展望

8.1 本文工作总结

8.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录