新型直驱式中空潮流发电机设计及绕组结构仿真优化

发布时间：2016-08-04 07:50

绪论 

1.1 课题研究的背景意义
随着社会发展和人们生活水平的提高，大量的化石能源燃烧导致了严重的环境污染问题：空气污染，雾霾；全球气候变暖，海平面上升；酸雨等等，严重影响了人类生活生存[1]。为了解决这一问题，各个国家都在积极进行新能源及清洁能源的开发利用  [2]。目前主要的研究有太阳能光伏发电、风力发电、水力发电、海浪发电及生物质能发电等方式[3]。 海洋能是一种可再生能源，包括潮汐能、波浪运动导致的机械能和热能。潮汐能的存在是由于太阳、月亮间存在着引力作用，在这种引力作用下海水呈现规律性的运动。其中包括水平运动和垂直运动，当海水做水平运动时存在的能量即为潮流能，做垂直运动时存在的能量为势能。所以潮流能实际即为潮汐能。 潮流能主要集中在海峡、水道和湾口等近海浅水海域[4]，中国的潮流能储量丰富，其中杭州、台湾、福建、山东和辽宁几省的水道最为丰富。大量的水道潮流能能量密度大，达到 10-30 千瓦每平方米，适于开发，尤其是舟山群岛附近，许多潮流流速达到 4m/s 以上，在世界上都属罕见，开发环境和条件极好，适合建设大型的潮流能发电场。 相较于其它能源，潮流能的优越性能体现在：1. 清洁性与可重复利用性。潮流能自然产生，是一种势能，不存在二次污染，可重复利用。2.规律性。同样作为海洋能，虽然潮流能随着时间和空间会有所变化，但它受气候影响较小，比海上风能  、波浪能等更具有规律性，因此也就具备相应的可预测性。3.开放性。利用潮流能，通常不需要拦海建坝，而是将发电机组置于水中，这样对海洋环境影响小，且规避了很多诸如废物污染、占用陆地空间等棘手问题。4.储量广阔性。地球 3/4 的面积是海洋，海洋蕴含了巨大的能量，据统计有 750 多亿千瓦，远超其他能源储量。
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1.2 潮流发电装置及研究现状
以往传统的海上发电装置不同，潮流发电装置是将潮汐能的动能而非重力势能转化成了电能。潮流发电装置通常是一个复杂的装置，包括能量捕捉装置和能量转换装置，与风力发电的装置有很大相似，都是涉及多个变量、电磁耦合的机电系统。相比于风力发电装置，潮流发电装置自身的特点[6-8]，潮流发电装置体积更小，这是因为海水的密度远远大于空气密度，相同功率的发电机组捕获潮流能的的叶片直径是捕获风能叶片直径的 1/2 左右，所以装置体积更小。 1.  风能具有不稳定性，但是潮流能却具有规律性，对其随时间空间的变化进行预测便可使发电装置得到更为充分的利用。 2.  海洋环境的恶劣大大降低了潮流发电装置的可靠性，为保证装置在海下运行的稳定性，必须充分考虑到装置的密封性、抗腐蚀能力、坚固抗压性及是否方便进行维护等性能。 潮流发电装置主要有水平轴潮流发电装置、垂直轴潮流发电装置、升力-阻力型潮流发电装置、振荡式水翼潮流发电装置及其他形式的潮流发电装置。在各种形式的潮流能发电装置中研究运用最多的是水平轴和垂直轴这两种形式的发电装置，叶轮轴线和水流方向一致的，，叫做水平轴式发电装置，而叶轮轴线和水流方向垂直的，叫做垂直轴发电装置。下面我们将对这两种新型的潮流能发电装置进行具体分析。
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第2章 新型直驱式中空潮流发电机及其绕组结构原理 

2.1 直驱中空永磁同步发电机特点 
永磁发电机是将永磁体的磁能转换成电能的设备，在能量转化过程中，励磁磁场由永磁体产生，永磁体作为能量转换的媒介其自身的能量不会发生变化。与感应电机相比，省去了感应电机中的励磁绕组，故永磁电机具有高效率、高功率密度的特点，并且转子没有损耗。随着永磁体种类的增多、永磁体价格的不断降低，永磁电机有逐步取代感应电机的趋势。低转速永磁同步电机多应用于直驱系统中，与传统的传动系统相比具有很多的优点，如：它通过将电机和和中间传动系统直接相连而省去了齿轮箱，减小了整个系统的空间体积和对齿轮箱安装和维护的费用。 低速永磁同步发电机与传统的永磁电机相比在电机的结构和性能上都有明显的区别，主要表现在：  1.  低速永磁同步发电机的额定转速比较低，因此在相同功率条件下，低转速永磁同步发电机与传统永磁电机相比体积更大，电机的成本较普通永磁同步发电机的成本也要高很多。  2.  低速永磁同步发电机的额定工作电压较传统永磁电机的额定电压更低，因此空载电压相同的情况下，低速永磁同步发电机的电压调整率更高，电压调整率过高会导致电机的电压波动过大，不利于对直驱发电系统的并网控制。  3.  低速永磁同步发电机的额定工作电流较大，电机的铁耗铜耗都比传统永磁电机的损耗要多，因此低速永磁同步发电机的效率也更低。 
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2.2 直驱永磁同步发电机的原理
电励磁同步发电机由转子和定子两大部分组成[19]，本文设计的低速同步发电机也是一样的。低速永磁同步发电机与电励磁发电机结构差异主要表现在低速永磁电机产生的磁场通过永磁体提供，没有励磁绕组和集电环、电刷，结构更简单；气隙磁通密度在采用稀土永磁后明显增大，进而减小了电机的体积，使得加工钻高配费用减少，电机的功率质量比提高；没有励磁装置，使得损耗减小，提高了电机效率，增加了电机可靠性，降低了成本。永磁同步发电机具有与电励磁同步电动机相同的定子结构，转子的磁路结构也与同步永磁电动机类似，只是不需要启动绕组。由于对永磁同步发电机的特殊性，客观需要对其性能要求较高，其中功率密度、固有电压调整率和电压波形正弦性畸变率这三者尤为突出，有的发电机转速又非常高，例如航空发电机的转速通常为 10000-60000r/min，因此导致了其特别的结构设计与选择。永磁同步发电机一般有 四种，这取决于永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系。本文则设计了径向式转子结构的永磁同步发电机。 
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第 3 章 新型分数槽潮流发电机电磁计算及有限元仿真 ........ 22 
3.1  发电机基本参数确定 ..... 22 
3.1.1  额定数据确定 .......... 22 
3.1.2  初步确定发电机主要尺寸 .......... 23 
3.2 10k W 新型分数槽永磁同步发电机磁路计算 ....... 25 
3.3 10k W 新型分数槽永磁同步发电机有限元仿真 ............. 29 
3.3.1  有限元仿真步骤 ...... 29 
3.3.2  分数槽永磁同步发电机性能验证 ........ 31 
3.4  本章小结 ..... 37 
第 4 章  潮流永磁同步发电机绕组优化 ...... 38 
4.1  发电机不同极槽配合方案选择 ......... 38
4.2  电机槽口、极弧系数的量化分析 ..... 46
4.3  齿槽转矩削弱 ....... 50 
4.4  本章小结 ..... 51 

第4章 潮流永磁同步发电机绕组优化 

4.1   发电机不同极槽配合方案选择 

在设计永磁同步发电机时，第一步要做的就是电机结构的选择，即极槽配合的选择,。它对电机的性能影响很大，所以一定要合理选择。随着分数槽绕组技术在永磁同步电机领域的不断发展，极槽配合的选择变得越来越重要。 当发电机的功率、极数、相数确定后，定子槽数就取决于每极每相槽数q。根据分数槽选用原则，本电机设计时选用分数槽槽数为 54、72、108(即 q分别为 3/8、1/2、3/4)的电机和槽数为 144 的整数槽电机(如图 3-2、图 4-1、图4-2、图 4-3 所示)分别进行第三章讲述的设计与仿真过程，对比选取最优结构。本文在进行其他槽数发电机设计时，为了便于不同槽数电机结构对比，对电机功率、转速、电压、定子内外径、转子内外径、气隙、槽口等电机参数进行了约束(具体数据参考第三章 54 槽永磁同步发电机数据)，其他部分性能对比见表 4-1。 设计的四种极槽比电机仿真结果：槽满率都在 70%~75%之间，效率在90%以上，铜耗在 100~150kg 之间，定子齿定子轭转子齿转子轭以及气隙磁密均满足要求。

 

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结论 

随着潮流能重要性的提高，越来越多的国家开展了对潮流能发电装置的研究，采用具有中间传动装置的水平轴发电装置存在易损坏、难维修等问题，针对这些问题，本文提出了采用与水轮机耦合的直驱大尺寸中空永磁同步发电机结构。文章介绍了低速永磁同步的结构及工作原理，分数槽与整数槽绕组结构不同，主要介绍了由于大尺寸电机的分数槽集中绕组。由于用于潮流发电的大尺寸永磁同步发电机的分析设计目前还很少，参考资料较少，本文设计的电机为此类问题的研究奠定了基础。本文的重要工作内容如下： 
1. 对不同永磁同步电机磁路结构进行对比，选用工艺简单、成本造价低的表帖式径向磁路结构发电机结构，后对比整数槽绕组与分数槽绕组结构，选用能大大降低齿槽转矩的分数槽绕组，并对分数槽绕组的设计进行了详细研究。 
2.  由于海洋环境严酷及本文电机较为新颖，电机设计要求较多，在满足一系列环境要求下根据永磁发电机设计要求来设计本文发电机，进行磁路计算、性能计算。之后通过 ansoft 软件对设计的发电机进行有限元仿真，得到空载与负载下电机性能参数，通过分析仿真结果，验证了本文设计的新型低速大尺寸中空发电机符合设计要求。 
3.  用 ansofts 软件对四种不同极槽比的发电机进行仿真分析，对比仿真结果得到具有更好性能的发电机，之后通过对发电机的槽口、极弧系数进行量化分析得到最佳参数，使得发动机齿槽转矩降为最低，反电势波形最好。  
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参考文献(略)

本文编号：83064