轴向磁通无铁心永磁同步发电机的设计与特性分析

发布时间：2017-07-17 22:17

  本文关键词：轴向磁通无铁心永磁同步发电机的设计与特性分析

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【摘要】：风能作为一种清洁能源越来越受到人们的青睐,风能具有可再生、环保、洁净等优点。因此,近年来,风力发电受到了世界各地的极大关注,风力发电装机容量迅速增长。轴向磁通无铁心永磁同步发电机具有结构紧凑、功率密度高、体积小、重量轻等优点,非常适合风力发电机组的发电机。本文设计了一台功率为3kW的双转子内定子式轴向磁通无铁心永磁同步发电机作为直驱风力发电系统的发电机。本文介绍了轴向磁通永磁电机的四大拓扑结构,由于电机采用非叠集中线圈绕组,文章研究了电机的极槽配合问题。分析了轴向磁通无铁心永磁同步发电机的磁路特点和漏磁分布,并作了永磁磁极设计和绕组设计等方面的研究。本文对空载电动势谐波抑制采用两种方法进行了分析,一种是采用正弦形永磁体,另一种是通过采用曲面响应的方法对电机进行优化设计。第一种方案中,建立正弦形永磁体励磁磁场的电机有限元模型,计算电机的气隙磁密和空载电动势,并研究和分析极弧系数对电机气隙磁密和空载电动势的谐波抑制效果。第二种方案中,假定永磁体用量和绕组线圈边截面面积一定,以永磁极弧系数和绕组线圈边截面宽度为变量,以空载电动势基波幅值最大化、空载电动势基波含量最小化为优化目标,建立相应有限元模型计算并整理计算结果,最终获得最优电机电磁设计参数来降低发电机的空载电动势谐波含量。采用第一种方案,气隙磁密谐波含量更低,永磁体用量更少,但是永磁体制造难度较大。采用第二种方案,永磁体依然矩形永磁体,可以降低永磁体制造难度,但是优化方法采用响应曲面的方法,需要建立相当数量的有限元模型。因此,本文有一定的研究价值。
【关键词】：风力发电 轴向磁通无铁心永磁电机 正弦形永磁体 响应曲面 优化设计
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM313
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 轴向磁通永磁电机国内外发展及研究现状12-15
• 1.2.1 轴向磁通永磁电机国外研究现状12-14
• 1.2.2 轴向磁通永磁电机国内研究现状14-15
• 1.2.3 研究现状总结与展望15
• 1.3 本课题研究目的及意义15-16
• 1.4 本文研究内容16-19
• 2 轴向磁通无铁心永磁同步发电机基本理论19-37
• 2.1 轴向磁通永磁同步发电机的结构型式19-22
• 2.1.1 单定子单转子(SSSR)19
• 2.1.2 单定子双转子(SSDR)19-20
• 2.1.3 双定子单转子(DSSR)20
• 2.1.4 多定子多转子(MSMR)20-22
• 2.2 轴向磁通无铁心永磁同步发电机的主要部件22-24
• 2.2.1 定子部分22-23
• 2.2.2 转子部分23-24
• 2.3 轴向磁通无铁心永磁同步发电机的基本电磁关系24-31
• 2.3.1 气隙磁通量24-25
• 2.3.2 非叠集中绕组25-28
• 2.3.3 电磁转矩和空载电动势28-29
• 2.3.4 损耗和效率29-31
• 2.4 极槽配合31-32
• 2.5 特性计算32-34
• 2.5.1 静态特性32-33
• 2.5.2 动态特性33-34
• 2.6 尺寸确定34-35
• 2.7 本章小结35-37
• 3 轴向磁通无铁心永磁同步发电机的电磁设计37-47
• 3.1 轴向磁通无铁心永磁同步发电机的磁路特点37
• 3.2 漏磁分布37-38
• 3.3 磁极设计38-41
• 3.3.1 磁极形状的选择38-40
• 3.3.2 极数和极弧系数40
• 3.3.3 磁极厚度的确定40-41
• 3.4 绕组设计41-42
• 3.5 轴向磁通无铁心永磁同步发电机电磁参数计算42-45
• 3.6 本章小结45-47
• 4 正弦形永磁体励磁磁场研究47-57
• 4.1 电磁场基本理论47-48
• 4.2 正弦形永磁体励磁磁场的解析计算48-51
• 4.2.1 单边正弦形永磁体空载磁场计算48-50
• 4.2.2 双边正弦形永磁体空载场计算50-51
• 4.3 计算结果及分析51-56
• 4.3.1 磁密分布52-53
• 4.3.2 极弧系数的影响53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 5 轴向磁通无铁心永磁同步发电机的优化设计57-69
• 5.1 响应曲面方法57-58
• 5.2 仿真优化设计58-60
• 5.3 仿真结果60-65
• 5.3.1 轴向气隙磁密波形60-62
• 5.3.2 线圈空载电动势波形62-63
• 5.3.3 仿真结果分析63-65
• 5.3.4 变量优化结果65
• 5.4 方案对比65-68
• 5.5 本章小结68-69
• 6 总结与展望69-71
• 6.1 论文总结69
• 6.2 后续工作69-71
• 参考文献71-77
• 作者简历77-79
• 学位论文数据集79

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本文编号：554873