面向波浪能转换的低速高效永磁电机设计

发布时间：2017-10-29 23:00

  本文关键词：面向波浪能转换的低速高效永磁电机设计

  更多相关文章： 波浪能 永磁同步发电机 能量转换 低速高效

【摘要】：对能源的研究和利用一直伴随着人类的进步和发展,随着人类社会对能源需求的不断增大,世界各国都开始积极的进行新能源的开发和利用方面的研究。广阔的海洋中蕴藏着数以亿计千瓦的新能源,被誉为“蓝色油田”,如何很好的开发和利用海洋能进行发电,是当代世界各国在能源领域研究的重要方面。海洋能发电中,波浪能发电比较成熟,它是由波浪驱动水轮机旋转,进而拖动发电机转动产生电能。从水轮机到发电机之间,为了提速和稳定转速,往往会采用齿轮箱等装置,这样增加了系统的复杂性,也增加了投资和维护成本,并且对整个系统的效率也有影响。之所以要采用提速和稳速环节,是因为没有专门针对波浪能转换的低速高效发电机。本文依托“2013年国家海洋局可再生能源专项资金项目——柔性直驱式浪轮发电装置研究与实验”,该项目中从浪轮机到发电机采用直驱的方式,降低了系统的机械损耗,这样可以提高整个系统的运行效率,减少投资和维护成本。但是采用直驱的方式,发电机的机械输入转速较低,并伴有较大的转速波动,其中浪轮机的设计输出转速为100rpm,在实际试验测试中,得到其转速在70 rpm~120rpm之间。同时,能量捕获装置接收到的波浪能波动较大,所以浪轮机输出的机械能也有较大的变化范围。因此对应用于波浪能转换系统的发电机提出了特殊的要求。针对柔性直驱式浪轮发电装置研究与实验的特殊要求,本文设计了新型低速高效永磁发电机,该发电机的主要特点是能够低速运行,额定转速为100rpm,并且能够获得较高的效率。在设计新型低速高效永磁发电机时,鉴于其特殊的工作环境和工作状态,有以下几点设计要求:1)发电机极对数尽可能多,以实现在输入机械速度较低的情况下仍能获得较高的电角速度,以提高输出电压,达到提高发电机输出能力的目的,从而有利于效率提高。2)定子铁芯和转子铁芯都采用硅钢片叠放的结构形式,以减少铁耗,同时,提高定子绕组槽面积的利用率,以获得高电流输出能力并且减少铜耗。3)对定、转子齿形进行优化设计,消除磁路谐波的影响,减小谐波造成的损耗,进一步提高发电机的效率。4)新型低速高效永磁发电机将在水下工作,所以发电机结构强度要高,而在这种工作环境下,对发电机的散热要求较低。论文首先设计了新型低速高效永磁发电机的总体结构。发电机整体采用内转子结构形式,制造简单、结构强度高。定子铁芯采用硅钢片叠压制成,降低铁芯损耗,提高发电机效率。定子槽采用梨形槽形式以增加其槽面积利用率,增大了绕组线圈的放置空间,提高了发电机电流输出能力,降低了铜耗。新型低速高效永磁发电机的转子采用聚磁式结构形式。增加了气隙磁密,有利于能量交换,并且宜于将永磁体的形状设计为细长条形,既保证了永磁体提供的磁场能量,又尽可能的增加了电机的极对数。这种设计在发电机输入转速较低的情况下,仍然能获得足够高的电角速度,实现了在低转速情况下输出高电压的目的,提高了发电机的输出能力,从而有利于提高效率。建立了新型低速高效永磁发电机电磁场有限元仿真模型并进行优化设计。以空载输出电压最大化和磁滞损耗和涡流损耗与空载输出电压比值最小化为目标,利用电磁场仿真软件的参数化设计功能,优化设计了永磁体和转子铁芯的结构,提出在转子齿部设计一定的弧度来提高输出电压,最终获得发电机的所有结构尺寸。给出了新型低速高效永磁发电机的电气参数计算公式,运用电磁场有限元计算方法进行辅助计算,得到了发电机电气参数的计算结果,并建立了新型低速高效永磁发电机的电压方程。对发电机进行了动态仿真,结果表明新型低速高效永磁发电机具有较高的电压输出能力,总体损耗小,发电机在运行速度为100rpm时,效率达到了86.4%,实现了低速高效的设计要求。设计了柔性直驱式波浪能发电系统。系统采用本文设计的三台新型低速高效永磁发电机进行电能转换,通过运行控制实现它们的均衡运行。这样就适应了实际中波浪能大小的变化情况,使系统具有很好的柔性。同时使得系统的浪轮机和发电机运行速度基本稳定在100rpm附近,这时的发电机处于高效运行状态。这种设计也降低了浪轮机和发电机的机械设计要求。设计了二次电电能量转换系统。将发电机输出的粗交流电能转化成能够并网或者用户应用的精交流电能。建立了功率变换器电路的仿真模型。
【关键词】：波浪能 永磁同步发电机 能量转换 低速高效
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P743.2;TM313
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题的研究意义11-12
• 1.2 课题研究背景12-16
• 1.2.1 波浪能及波浪能发电技术概述12-14
• 1.2.2 永磁同步发电机概述14-16
• 1.3 国内外相关领域发展及研究现状16-21
• 1.3.1 国内外波浪能发电的发展及研究现状16-19
• 1.3.2 低速运行发电机的种类及研究现状19-21
• 1.4 本文主要研究内容21-22
• 第二章 新型低速高效永磁发电机总体设计22-32
• 2.1 新型低速高效永磁发电机设计要求22-23
• 2.2 新型低速高效永磁发电机结构设计23-30
• 2.2.1 总体结构设计23-24
• 2.2.2 定子结构设计24-25
• 2.2.3 转子结构设计25-30
• 2.3 新型低速高效永磁发电机初步结构参数30-32
• 第三章 新型低速高效永磁发电机模型建立及优化设计32-47
• 3.1 新型低速高效永磁发电机模型建立32-37
• 3.1.1 发电机磁场分析原理和电磁场的计算方法32-33
• 3.1.2 电磁场分析软件Ansoft Maxwell33-34
• 3.1.3 发电机模型建立34-37
• 3.2 新型低速高效永磁发电机永磁体优化设计37-41
• 3.3 新型低速高效永磁发电机转子铁芯优化设计41-45
• 3.4 新型低速高效永磁发电机结构优化参数45-47
• 第四章 新型低速高效永磁发电机的电气参数及动态仿真结果47-55
• 4.1 新型低速高效永磁发电机的电气参数47-51
• 4.1.1 绕组感应电动势计算47-49
• 4.1.2 发电机相电阻、电感计算49
• 4.1.3 绕组线圈匝数和额定电压确定49-50
• 4.1.4 发电机功率、损耗和效率计算50-51
• 4.2 新型低速高效永磁发电机的电压方程51-52
• 4.3 新型低速高效永磁发电机的动态仿真结果52-55
• 第五章 波浪能发电系统建模及仿真结果与分析55-68
• 5.1 柔性直驱式波浪能发电系统总体设计55-57
• 5.2 功率变换器设计57-64
• 5.2.1 功率变换器总体设计57-58
• 5.2.2 多相整流电路建模58-61
• 5.2.3 滤波电路及斩波电路建模61-63
• 5.2.4 逆变电路建模63-64
• 5.3 仿真结果及分析64-68
• 第六章 结论与展望68-71
• 6.1 结论68-70
• 6.2 工作展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 攻读学位期间发表的学术论文75

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本文编号：1115007