双凸极磁通反向式永磁风力发电机的研究

摘要

能源和环境问题是当今人类在生存和可持续发展领域亟待解决的问题。目前，以煤、石油、天然气为主的常规能源不仅资源有限，而且造成了严重的环境污染。因此，对可再生能源，特别是风能资源的开发和利用，受到了各国的高度重视。风能是清洁、安全、可再生的绿色能源，风能的有效利用对于实现可持续发展具有重要的意义。
　　在各种发电机中，磁通反向式永磁电机（FRM）由于结构简单、效率高、不需要减速箱等优点，适用于小型风力发电系统。磁通反向式永磁电机，是经过改良的双凸极永磁电机，它在结合开关磁阻电机和永磁无刷直流电机优点的基础上，进一步发展，将永磁体放置在定子凸极表面，使得永磁体易于安装，随着转子旋转，磁通反向式永磁电机的定子绕组所交链的永磁磁通改变极性，这意味着会比磁通脉振产生更大的磁通变化。尽管磁通反向式永磁电机具有突破性的发展，但是也存在着一些不足，其中齿槽转矩较大就是令人关注的问题之一，目前国际上对磁通反向式电机的研究还很不全面，仅停留在初步理论和样机实验阶段，在结构和性能上还存在诸多不足。
　　本文主要研究内容是对6/14极内转子等齿宽FRM、6/14极内转子不等齿宽FRM和6/14极外转子等齿宽FRM这三种不同结构的磁通反向式永磁电机进行设计及对比分析，分别推导了它们的设计过程，三种电机结构的主要尺寸相似，建立了磁通反向式永磁电机的数学模型，进行有限元分析。利用Ansoft仿真工具，对这三种不同结构的磁通反向式永磁电机进行了计算分析，比较了不同转子结构下的空载特性，对于气隙磁密进行傅里叶分解谐波分析。
　　针对磁通反向式永磁电机存在较大齿槽转矩的问题，对于6/14极内转子FRM样机，本文提出了一种新的方法，即由原有样机的转子齿等宽转变为转子齿宽度为8°和20°相结合，由于该种电机为磁通反向式，因此齿槽转矩的相位是相互转化的，通过采取两种齿宽的组合，有可能会削弱齿槽转矩的产生。通过分析计算结果，经过优化的6/14极内转子不等齿宽FRM能够在保证自身优点的前提下，最大程度削弱其齿槽转矩，并且明显优于6/14极内转子等齿宽FRM和6/14极外转子等齿宽FRM。
　　本文对三种不同结构下磁通反向式永磁电机的外特性进行了比较。发电机的电压调整率是衡量外特性的重要性能指标，由于磁通反向式永磁电机是永磁体励磁，因而磁场调节困难，为了使发电机具有较好的性能指标，尽量减小发电机的固有电压调整率具有重要的意义。本文在相同的电阻负载和电阻电感负载下，对这三种不同结构FRM进行了仿真分析。通过比较发现不论是在电阻负载，还是在电阻电感负载下，相同尺寸下内转子结构FRM外特性要优于外转子结构FRM外特性。
　　本文根据发电机惯例，建立了6/14极磁通反向式永磁电机在abc和dq0坐标系下的数学模型，并利用Matlab进行了Simulink仿真，将仿真结果与Ansoft仿真进行了比较，波形基本一致，证明了有限元法对磁通反向式永磁电机分析的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁通反向式永磁电机的提出

1．1．1 永磁电机的发展状况

1．1．2 开关磁阻电机的发展状况

1．1．3 双凸极永磁电机的发展状况

1．1．4 磁通反向式永磁电机的提出与发展

1．2 磁通反向式永磁电机在风力发电中的应用

1．3 磁通反向式永磁电机的研究现状

1．4 本课题的意义和主要研究内容

1．4．1 课题的研究方法和意义

1．4．2 课题研究的主要内容

第二章 磁通反向式永磁电机的基本结构与工作原理

2．1 磁通反向式永磁电机的基本结构

2．2 磁通反向式永磁电机的基本原理

2．3 磁通反向式永磁电机的分析方法

2．3．1 电机电磁场理论

2．3．2 电机电磁场分析方法

2．3．3 有限元分析方法

2．3．4 有限元分析工具

第三章 三种不同结构FRM的设计过程与对比分析

3．1 6／14极内转子等齿宽FRM的设计过程

3．2 6／14极外转子等齿宽FRM的设计过程

3．3 6／14极内转子不等齿宽FRM的设计过程

3．4 三种不同结构FRM的对比分析

3．5 本章小结

第四章 三种不同结构FRM的齿槽转矩分析比较

4．1 齿槽转矩的计算方法

4．2 改变转子结构对齿槽转矩的影响

4．3 外转子结构下对齿槽转矩的影响

4．4 内、外转子结构的比较

4．5 本章小结

第五章 三种不同结构FRM外特性的比较分析

5．1 外特性概述

5．2 三种不同结构的FRM的外特性比较

5．3 本章小结

第六章 磁通反向式永磁电机的数学模型及Matlab仿真

6．1 Matlab概述

6．2 FRM的数学模型

6．2．1 FRM在abc坐标系下的数学模型

6．2．1 FRM在dq0坐标系下的数学模型

6．3 FRM的Simulink仿真及结果

6．4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

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