垂直轴风力发电用轴向磁通永磁发电机研究
发布时间：2023-05-10 23:05
目前有效解决能源与环境问题的方法是加快新型清洁能源的发展,在各种新能源中直驱永磁风力发电属于重要领域,它可以作为分布式电源给牧区、渔船、城镇、道路等提供动力电源。轴向磁通永磁发电机为扁平状,结构简单紧凑、功率密度高,特别是定子无铁芯结构有效消除齿槽转矩和定子铁耗,效率高,启动转矩低。发电机外转子可以直接和风机固定,减少了传动结构,安装和维护方便,尤其适合低风速、直驱式垂直轴风力发电。轴向磁通永磁电机的主磁场呈轴向分布,其建模过程复杂、求解所需时间长,并且对计算机性能要求较高。无铁芯轴向磁通永磁电机优化是一个多变量、多目标的过程,并且不同优化变量可能会影响同一优化目标。本文依据传统圆柱式电机电磁计算过程,初步确定轴向磁通永磁电机主要参数。采用田口-响应曲面法对无铁芯轴向磁通永磁发电机初步参数进行多目标优化,利用有限元验证多目标优化的有效性。本文将轴向磁通永磁电机阶梯形磁钢复杂的三维模型简化为二维模型,采用分层模型法将磁场进行叠加,并计算电机的气隙磁场、感应电动势、电磁转矩和效率。结合轴向磁通永磁电机结构特点,根据传热学原理,计算电机各部分损耗和热源密度,建立电机三维电磁场和温度场有限元模...
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 风力发电发展状况
1.2.1 风力发电现状
1.2.2 风电技术发展
1.2.3 风力发电的分类
1.3 轴向磁通永磁电机发展现状
1.3.1 轴向磁通永磁电机结构及磁场分析
1.3.2 永磁电机多目标优化
1.3.3 轴向磁通永磁电机近似正弦形磁极
1.3.4 轴向磁通永磁电机温度场分析
1.4 本文研究内容
2 轴向磁通永磁电机电磁参数
2.1 设计原则及额定参数
2.2 轴向磁通永磁电机空载磁场计算
2.2.1 空载工作点的确定
2.2.2 基本电磁关系
2.2.3 电机主要尺寸
2.2.4 电机气隙
2.3 无铁芯电枢绕组布局及线规参数
2.3.1 分数槽集中绕组
2.3.2 电枢绕组线圈计算
2.4 分数槽集中绕组极槽配合
2.4.1 极槽配合选取
2.4.2 无铁芯集中绕组系数计算
2.5 磁极设计
2.5.1 永磁体形状选取
2.5.2 永磁体极数和极弧系数
2.6 本章小结
3 轴向磁通永磁同步发电机多目标优化设计
3.1 田口方法
3.1.1 设计方法
3.2 优化步骤
3.2.1 实验结果平均值的分析
3.2.2 实验结果方差分析
3.2.3 优化结果
3.3 响应曲面法
3.3.1 响应曲面设计
3.3.2 变量优化结果
3.4 三维有限元验证分析
3.5 本章小结
4 AFPMSG阶梯形磁极结构研究
4.1 电磁场的基本知识
4.2 阶梯形永磁体二维解析式
4.2.1 二维电机模型
4.2.2 阶梯形永磁体空载磁场解析计算
4.2.3 AFSPMSG感应电动势、电磁转矩和效率解析计算
4.3 AFSPMSG有限元实例分析
4.4 阶梯形永磁体优化设计
4.4.1 优化设计方法及目标
4.4.2 永磁体阶梯数对气隙磁密的影响
4.4.3 永磁体极角参数对气隙磁密的影响
4.4.4 永磁体高度差对发电机输出电压的影响
4.5 本章小结
5 定子无铁芯轴向磁通永磁同步发电机温度场分析
5.1 温度场计算模型
5.1.1 温度场计算原理
5.1.2 温度场求解域及边界条件
5.2 无铁芯轴向磁场永磁同步发电机发热分析
5.2.1 热源的确定
5.2.2 定子绕组铜耗
5.2.3 绕组涡流损耗
5.2.4 机械损耗
5.3 散热系数的确定
5.3.1 电机定转子间对流传热系数
5.3.2 定子和机壳外表面散热系数
5.4 温度场仿真与结果分析
5.4.1 电磁场仿真及结果
5.4.2 温度场仿真及结果
5.5 本章小结
6 300W垂直轴风力发电轴向磁通永磁电机样机制作与实验
6.1 样机制作
6.1.1 定子电枢盘的加工
6.1.2 转子盘的加工
6.1.3 样机及其主要参数
6.2 样机性能测试实验
6.2.1 原动机的选配
6.2.2 空载实验
6.2.3 三维有限元和二维解析法验证
6.2.4 负载实验
6.2.5 样机损耗计算
6.3 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
作者简介
学位论文数据集
本文编号：3813670
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 风力发电发展状况
1.2.1 风力发电现状
1.2.2 风电技术发展
1.2.3 风力发电的分类
1.3 轴向磁通永磁电机发展现状
1.3.1 轴向磁通永磁电机结构及磁场分析
1.3.2 永磁电机多目标优化
1.3.3 轴向磁通永磁电机近似正弦形磁极
1.3.4 轴向磁通永磁电机温度场分析
1.4 本文研究内容
2 轴向磁通永磁电机电磁参数
2.1 设计原则及额定参数
2.2 轴向磁通永磁电机空载磁场计算
2.2.1 空载工作点的确定
2.2.2 基本电磁关系
2.2.3 电机主要尺寸
2.2.4 电机气隙
2.3 无铁芯电枢绕组布局及线规参数
2.3.1 分数槽集中绕组
2.3.2 电枢绕组线圈计算
2.4 分数槽集中绕组极槽配合
2.4.1 极槽配合选取
2.4.2 无铁芯集中绕组系数计算
2.5 磁极设计
2.5.1 永磁体形状选取
2.5.2 永磁体极数和极弧系数
2.6 本章小结
3 轴向磁通永磁同步发电机多目标优化设计
3.1 田口方法
3.1.1 设计方法
3.2 优化步骤
3.2.1 实验结果平均值的分析
3.2.2 实验结果方差分析
3.2.3 优化结果
3.3 响应曲面法
3.3.1 响应曲面设计
3.3.2 变量优化结果
3.4 三维有限元验证分析
3.5 本章小结
4 AFPMSG阶梯形磁极结构研究
4.1 电磁场的基本知识
4.2 阶梯形永磁体二维解析式
4.2.1 二维电机模型
4.2.2 阶梯形永磁体空载磁场解析计算
4.2.3 AFSPMSG感应电动势、电磁转矩和效率解析计算
4.3 AFSPMSG有限元实例分析
4.4 阶梯形永磁体优化设计
4.4.1 优化设计方法及目标
4.4.2 永磁体阶梯数对气隙磁密的影响
4.4.3 永磁体极角参数对气隙磁密的影响
4.4.4 永磁体高度差对发电机输出电压的影响
4.5 本章小结
5 定子无铁芯轴向磁通永磁同步发电机温度场分析
5.1 温度场计算模型
5.1.1 温度场计算原理
5.1.2 温度场求解域及边界条件
5.2 无铁芯轴向磁场永磁同步发电机发热分析
5.2.1 热源的确定
5.2.2 定子绕组铜耗
5.2.3 绕组涡流损耗
5.2.4 机械损耗
5.3 散热系数的确定
5.3.1 电机定转子间对流传热系数
5.3.2 定子和机壳外表面散热系数
5.4 温度场仿真与结果分析
5.4.1 电磁场仿真及结果
5.4.2 温度场仿真及结果
5.5 本章小结
6 300W垂直轴风力发电轴向磁通永磁电机样机制作与实验
6.1 样机制作
6.1.1 定子电枢盘的加工
6.1.2 转子盘的加工
6.1.3 样机及其主要参数
6.2 样机性能测试实验
6.2.1 原动机的选配
6.2.2 空载实验
6.2.3 三维有限元和二维解析法验证
6.2.4 负载实验
6.2.5 样机损耗计算
6.3 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
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学位论文数据集
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