提高小型盘式风力发电机功率密度的研究

摘要

风力发电作为一种新型发电产业具有对环境不造成污染、经济效益好、投资灵活等其他新能源不能与之相比拟的优点。小型离网式风力发电系统具有对自然环境的适应能力强、可靠性高等优点，在偏远地区居民生产生活用电、多风地区道路照明和沿海景观中被广泛使用。如何在有限的空间内有效的提高电机的气隙磁通密度一直是电机研究学者追求的方向，数十年来世界各国学者对钕铁硼永磁材料进行了大量的深入探索研究，使得永磁电机得到井喷式发展。由于钕铁硼强磁体在盘式永磁电机中的使用，使得永磁盘式电机重量减轻、使用寿命大幅延长体积缩小、体积减小、散热性能好、轴向尺寸缩小。因此永磁盘式电机比较适用于小型垂直轴风力发电机。
　　本文的目标是设计并制作出一种适用于小型垂直轴风力机的盘式发电机，并对此发电机进行优化，提高电机的功率密度。具体工作包括:(1)介绍盘式电机的基本拓扑结构，阐述halbach磁极结构的优点并对盘式电机的基本电磁关系进行了推导。(2)虽然利用图解法、模拟法、解析法等都可以求解盘式发电机磁场的问题，但是运用Ansoft Maxwell对盘式发电机进行分析计算相对于其他方法具有精确度高、简单方便等优点。因此，基于Ansoft Maxwell采用控制变量法对盘式永磁发电机的磁极、背铁、绕组等重要组成部分进行改进优化。(3)完成盘式发电机的优化设计后，对所设计发电机的空载电压特性以及负载功率进行仿真计算是极其关键的一步，通过分析得到空载时电压的波形频率等以及负载时电压电流波形。(4)盘式发电机的制作工艺是一个重要环节，电枢盘的制作、磁极的卡位都十分困难，对制作盘式电机的工艺进行了介绍，对制作过程中的一些注意事项加以说明。设计完成后的盘式发电机在真实情况中工作性能是验证设计结果是否到达要求的重要检测方面，因此把制作好的盘式发电机应用在山东大学磁悬浮研究中心制作的小型垂直轴风力机上使用，进行风力发电试验，通过数据比对分析，实验数据和设计数据基本吻合，验证了对于设计仿真的正确性。(5)目前关于halbach阵列磁极结构的盘式发电机研究较少，但是，无铁芯、halbach结构的盘式发电机较常规盘式发电机相比有重量轻、气隙处磁密大、正弦度好，避免了谐波引起的附加损耗等优点。因此研究无铁芯、halbach结构的盘式发电机在直驱风力发电领域具有重要的实际意义。对比盘式发电机和添加halbach阵列磁极结构的盘式永磁发电机的输出电压、电流和功率，验证了在盘式发电机中添加halbach阵列磁极结构对于增加发电机的功率密度有显著效果。

目录

声明

摘要

1．1 课题的背景及意义

1．2 小型垂直轴风力发电现状与特点

1．2．1 小型垂直轴风力机的分类

1．2．2 小型垂直轴风力机的应用

1．3 小型垂直轴风力发电系统的结构构成

1．4 盘式电机的发展状况

1．5 本文研究内容

第2章 盘式电机的基本拓扑结构及基本理论

2．1 盘式电机的基本结构

2．1．1 单定子、转子盘式电机

2．1．2 双外定子中间转子盘式电机

2．1．3 双外转子中间定子结构盘式电机

2．1．4 多盘式结构盘式电机

2．2 盘式永磁发电机空载工作点的确定

2．3 盘式永磁发电机输出功率

2．4 小型风力发电机功率匹配计算

2．5 本章小结

第3章 盘式永磁发电机参数优化设计

3．1 磁极结构优化设计

3．1．1 钕铁硼磁极牌号的选取

3．1．2 磁极结构形状的确定

3．1．3 磁极厚度优化仿真

3．2 背铁结构优化设计

3．3 绕组结构优化设计

3．3．1 绕组设计方案

3．3．2 绕组接线方式

3．3．3 绕组匝数确定

3．4 本章小结

第4章 盘式永磁发电机仿真分析与实验

4．1 盘式永磁发电机仿真

4．1．1 模型建立

4．1．2 空载仿真

4．1．3 负载仿真

4．2 盘式永磁发电机制作

4．2．1 转子制作

4．2．2 定子制作

4．3 盘式永磁发电机实验

4．3．1 空载实验

4．3．2 负载实验

4．4 本章小结

第5章 基于halbach阵列磁极结构的盘式永磁发电机研究

5．1 halbach磁极结构的分类

5．2 90° halbach磁极结构盘式永磁发电机有限元仿真

5．2．1 模型建立

5．2．2 负载仿真

5．3 60° halbach磁极结构盘式永磁发电机有限元仿真

5．3．1 模型建立

5．3．2 负载仿真

5．4 45° halbach磁极结构盘式永磁发电机有限元仿真

5．4．1 模型建立

5．4．2 负载仿真

5．5 不同磁极结构盘式永磁发电机功率比较

5．6 多盘式90° halbach阵列磁极结构永磁发电机三维有限元仿真

5．6．1 多盘式90° hagaach阵列磁极结构永磁发电机原理

5．6．2 负载仿真

5．7 本章小结

6．1 结论

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文和科研成果