锥形永磁同步风力发电机的研究

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永磁同步发电机具有结构简单、重量轻、可靠性好、效率高等优点,因而在中小型风力发电场合占据了主要地位。然而永磁同步发电机本身固有的齿槽转矩与风力发电机所希望的低速起动特性相矛盾,并且永磁同步发电机励磁调节困难等影响其实际应用的诸多关键技术问题,都需要进一步研究解决。本文提出一种锥形永磁同步风力发电机,通过锥形永磁转子在轴向移动,直接改变气隙长度以调节气隙磁场,从而可以有效地减小齿槽转矩以及实现输出外特性的调节。论文对这种发电机的结构特点、数学模型、磁场分布及其分析方法、性能参数及其影响因素等进行深入研究,为锥形永磁同步风力发电机的设计和应用提供基础。锥形永磁同步发电机与普通永磁同步发电机结构上的不同之处在于其转子呈锥形,并且锥形永磁转子可以在轴向移动。本文首先阐述了锥形永磁同步发电机的总体结构和工作原理,详细介绍了锥形永磁转子在轴上的运动过程,分析了机械调节器的作用,并对转子铁心结构和永磁体布置方式的选择依据进行了研究。建立了锥形永磁同步发电机的等效磁网络模型和数学模型,探讨了等效磁网络模型中各部分磁导的计算以及数学模型中如永磁体耦合磁链和电感的特点。其次,本文对比研究了分段二维有限元方法和三维有限元方法对锥形永磁同步发电机磁场分析的适用性,研究计算了梯形截面和平行四边形截面两种永磁体形状下电机的磁场分布。在得到磁场分布的基础上,研究发电机结构参数如锥角、转子的轴向位移等对空载漏磁系数的影响。之后通过实验,研究了转子轴向位移不同时发电机的外特性,并与电机常数接近的圆柱形转子永磁发电机进行了对比分析。通过实验,验证了分析计算结论的正确性。鉴于交直轴电感参数直接影响锥形永磁同步发电机的工作特性,本文紧接着对锥形永磁同步发电机的交直轴电感参数从计算和实测两个方面进行了研究。首先定性分析了锥形永磁同步发电机的交直轴电感参数及其影响因素,之后基于磁链法计算分析了气隙长度、锥角、转子的轴向位移以及永磁体形状等结构参数对交直轴电感的影响。不考虑交直轴磁路之间的耦合效应时,采用电压积分法,在正弦电压激励下测试了转子轴向位移不同时样机的交直轴电感参数;考虑到交直轴磁路之间的耦合效应时,以含有直流偏移的方波电压激励,在转子轴向位移不同时,测试了存在交(直)轴电流时样机的直(交)轴电感。实测值表明,正弦波激励下的计算值与测试值吻合较好,由于转子振动的影响,方波激励下计算值与测试结果误差稍大。针对锥形永磁同步发电机转子可以在轴向移动,从而改变气隙磁场的特点,本文最后研究了电机的齿槽转矩与电磁转矩,以及作用于转子的轴向磁拉力。结合具体样机定量分析计算了锥形永磁同步发电机中的转矩和轴向磁拉力与锥角、转子的轴向位移等结构参数以及交直轴电流之间的关系,并对齿槽转矩和电磁转矩进行了实验研究,验证了计算分析结果的正确性。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
目录第8-11页
Contents第11-14页
第1章 绪论第14-32页
    1.1 课题背景及研究的目的和意义第14-16页
    1.2 永磁风力发电机的研究现状第16-25页
        1.2.1 永磁风力发电机的结构形式第16-19页
        1.2.2 永磁发电机减小齿槽转矩的措施第19-22页
        1.2.3 永磁发电机的磁场调节措施第22-25页
    1.3 锥形电机的国内外研究现状第25-31页
        1.3.1 锥形异步电机第26-27页
        1.3.2 圆锥磁悬浮轴承第27-28页
        1.3.3 锥形同步电机第28-30页
        1.3.4 其他类型的锥形电机第30-31页
    1.4 本课题的主要研究内容第31-32页
第2章 锥形永磁同步风力发电机的原理及数学模型第32-48页
    2.1 引言第32页
    2.2 锥形永磁同步风力发电机的结构及工作原理第32-41页
        2.2.1 锥形永磁同步风力发电机的总体结构第32-34页
        2.2.2 锥形永磁同步风力发电机的工作原理第34-38页
        2.2.3 锥形永磁同步风力发电机的转子结构第38-41页
    2.3 锥形永磁同步风力发电机的数学模型第41-47页
        2.3.1 锥形永磁同步风力发电机的等效磁网络模型第41-45页
        2.3.2 锥形永磁同步风力发电机的 d q 轴等效模型第45-47页
    2.4 本章小结第47-48页
第3章 锥形永磁同步风力发电机的仿真与实验研究第48-72页
    3.1 引言第48页
    3.2 锥形永磁同步发电机的磁场分布第48-61页
        3.2.1 磁场分析方法第48-51页
        3.2.2 定转子对齐时的磁场分布第51-57页
        3.2.3 定转子错开时的磁场分布第57-59页
        3.2.4 测试与分析第59-61页
    3.3 锥形永磁同步发电机的漏磁系数第61-65页
        3.3.1 永磁体及气隙长度对漏磁系数的影响第61-62页
        3.3.2 锥角及转子轴向位移对漏磁系数的影响第62-65页
    3.4 锥形永磁同步发电机的性能计算与实验研究第65-71页
        3.4.1 锥形永磁同步发电机的输出特性第65-70页
        3.4.2 转子形状不同时永磁同步发电机的输出性能第70-71页
    3.5 本章小结第71-72页
第4章 锥形永磁同步风力发电机电感参数的研究第72-88页
    4.1 引言第72页
    4.2 交直轴电感的分析第72-73页
    4.3 交直轴电感的计算与分析第73-79页
        4.3.1 气隙长度对交直轴电感的影响第73-74页
        4.3.2 锥角和转子的轴向位移对交直轴电感的影响第74-76页
        4.3.3 永磁体形状对交直轴电感的影响第76-79页
    4.4 交直轴电感的实验研究第79-87页
        4.4.1 测试方法概述第80-83页
        4.4.2 测试频率的影响第83-84页
        4.4.3 转子处于不同轴向位置下的交直轴电感实测值第84-85页
        4.4.4 交直轴磁路之间的耦合效应对电感的影响第85-87页
    4.5 本章小结第87-88页
第5章 锥形永磁同步风力发电机力矩特性的研究第88-104页
    5.1 引言第88页
    5.2 锥形永磁同步发电机的转矩与轴向磁拉力的分析第88-89页
    5.3 锥形永磁同步发电机的转矩第89-96页
        5.3.1 齿槽转矩第89-93页
        5.3.2 电磁转矩第93-96页
    5.4 锥形永磁同步发电机的轴向磁拉力第96-102页
        5.4.1 电流对轴向磁拉力的影响第97-99页
        5.4.2 电机结构参数对轴向磁拉力的影响第99-102页
    5.5 本章小结第102-104页
结论第104-106页
参考文献第106-115页
攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果第115-117页
致谢第117-118页
个人简历第118页
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