永磁内嵌凸极式海上风力发电机设计分析研究

摘要

海上风力发电因其独特的优势而具有广阔的发展前景。我国海上风力发电起步较晚，对国外技术依赖性强，因此，掌握大型海上风力发电机研发的核心技术，并实现完全的自主研发生产，是国内风电产业亟待解决的问题。
　　永磁内嵌凸极式风力发电机(PMESPWG)是一种永磁内嵌于凸极磁极的新型模块化转子结构风力发电机，由于永磁体可以免受恶劣环境的侵蚀，因此它在海上风力发电领域具有广阔的应用前景。该大型永磁发电机转子磁极结构独特，其电磁场和温度场分布及变化规律有别于传统大型发电机，因此针对该新型结构电机进行深入的电磁设计、性能参数计算与温度场分析研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文以3.3MW的PMESPWG为对象，对该发电机的电磁设计、磁场解析与电磁参数计算、流场与温度场计算、空载与负载及温升试验等进行了较为深入的研究与分析。论文的主要研究工作与成果如下:
　　介绍和分析了本课题的研究背景和意义。阐述了海上风力发电的国内外发展现状并预测了其发展前景，对目前常用的和正在研究的几种海上风力发电机进行了介绍，分析了PMESPWG应用于海上风力发电的优势。
　　提出了PMESPWG的电磁设计方法并将其开发为设计软件。结合大型水轮发电机与永磁电机的设计经验，根据该发电机的结构特点给出其独特的电磁设计方法，采用磁路法获得初步电磁参数，并利用有限元方法对计算结果进行验证，在此基础上开发了相应的电磁设计软件，为同类型电机的设计开发提供了平台。
　　提出了两种快速有效的计算该发电机气隙磁场分布的方法。一种为基于集总参数的解析计算方法，该方法通过建立多子回路模型，最终融合相对磁导获得定子开槽时的径向气隙磁场分布;另一种为采用有限元与解析法相结合的方法，该方法考虑了定子开槽对气隙径向和周向磁场分布的影响，获得了准确的气隙磁场分布结果，实现了永磁内嵌式电机气隙磁场的快速精确计算。
　　计算并研究了该发电机的重要特性参数。基于定子有槽时的解析计算模型和能量法分别计算了交直轴电感和齿槽转矩，并研究了两者随磁极尺寸等参数的变化规律;对发电机的突然短路电流表达式进行了推导，并计算了空载和负载时的突然短路最大电流倍数。
　　计算并分析了该发电机内流场和温度场分布情况。建立了电机的四分之一分析模型，给出了三维稳态传热方程及求解边界条件，基于计算流体动力学(CFD)采用流热耦合技术，对冷却介质流场及电机内的温度场进行了计算和分析，并得到了一些重要规律。
　　开发了PMESPWG样机并进行了试验研究。根据最终的设计参数制造了样机，并进行空载、负载及温升试验，试验结果验证了电磁设计、磁场解析计算方法和温度场分析方法的正确性。
　　研究结果表明永磁内嵌凸极式海上风力发电机具有较高的功率密度，较好的电磁性能及良好的通风散热效果，满足海上风力发电对发电机的特殊要求，在该领域中具有较好的发展前景。研究成果已经应用于工业生产，对我国大型海上风力发电机的研发具有重要的指导意义，有助于我国风电产业掌握海上风力发电的核心技术。

目录

声明

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景及选题意义

1．2 海上风电产业及风力发电机的发展现状及趋势

1．2．1 海上风电产业发展现状

1．2．2 海上风力发电机的研究现状及发展趋势

1．3 论文研究内容及章节安排

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 章节安排

第2章 PMESPWG的电磁设计与分析

2．1 发电机的结构选型

2．2 PMESPWG的电磁设计

2．2．1 永磁材料的选择

2．2．2 极数和槽数的确定

2．2．3 槽和绕组的设计

2．2．4 磁极尺寸的确定

2．3 发电机的磁路计算

2．3．1 等效磁路模型的建立与求解

2．3．2 有限元模型的建立与求解

2．4 电磁软件的开发

2．4．1 磁路法设计模块

2．4．2 MCM与FEM结果对比模块

2．4．3 冷却系统设计模块

2．4．4 磁极受力分析模块

2．5 本章小结

第3章 PMESPWG的气隙磁场解析计算

3．1 基于集总参数的解析计算法

3．1．1 无槽计算模型的确定

3．1．2 求解方法

3．1．3 齿槽对磁场的影响

3．1．4 计算结果对比

3．2 有限元与解析法组合的解析技术

3．2．1 基本方程

3．2．2 计算原理

3．2．3 气隙磁场的分布

3．2．4 计算结果的对比

3．3 本章小结

第4章 PMESPWG电磁参数计算与性能分析

4．1 交直轴电感的计算与分析

4．1．1 计算方法

4．1．2 计算流程

4．1．3 计算结果分析

4．2 齿槽转矩的分析

4．2．1 计算方法

4．2．2 计算结果分析

4．3 短路电流计算

4．3．1 负载突然短路电流的计算

4．3．2 空载突然短路电流的计算

4．4 本章小结

第5章 PMESPWG的流场与温度场分析

5．1 温度场计算方法的选择

5．2 风机的冷却系统类型

5．3 三维传热模型

5．3．1 冷却系统结构

5．3．2 数学模型

5．3．3 基本假设

5．3．4 物理模型

5．3．5 损耗的计算

5．3．6 热源分布及边界条件

5．4 额定状态下的流场计算结果及分析

5．4．1 空气流场分布

5．4．2 水流场分布

5．5 额定状态下的温度场数值求解

5．5．1 空气温度场分布

5．5．2 水温度场分布

5．5．3 发电机本体温度场分布

5．6 本章小结

第6章 样机的制造与试验

6．1 样机参数

6．2 样机生产与试验系统构建

6．3 发电机的试验研究

6．3．1 直流电阻的测量与电阻温度系数的标定

6．3．2 空载试验

6．3．3 转速与转矩试验

6．3．4 负载试验

6．3．5 温升试验

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 主要工作与创新点

7．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间学术成果

致谢