兆瓦级风电机组变桨用永磁同步电机研究

【摘要】：随着风电技术的发展，风电核心部件的研制和技术提升成为风电发展的必然趋势，作为风电关键部件的永磁同步变桨电机得到更多的关注，目前采用其他领域的永磁同步电机移植到风电变桨系统进行应用，缺乏对变桨系统特征和电机运行性能特性研究。其开发多在永磁同步电机的改进结构和系统优化设计上，而对永磁同步电机运行性能特性以及如何优化设计的分析则比较少。本文从以下几方面进行相关研究： 首先，介绍了永磁同步电机的四种转子基本结构、运行原理以及等效磁路，分析了四种转子结构对永磁同步电机性能的影响以及有效地减小电机体积的转子结构；介绍了永磁同步电机空载、负载时的电枢反应以及永磁体的等效磁路。 其次，分析了气隙长度与气隙系数、漏磁系数与极弧系数、永磁体尺寸、电枢铁心有效长度、定子槽口宽度和每相串联匝数等计算参数和结构参数对电机性能的影响；计算了感应电动势、永磁体产生磁链，交直轴电感以及电机内阻R，并针对其中的一些参数进行了仿真，得出了电机性能随参数变化的曲线。 再次，重点分析了三种形状的永磁体所产生的空间磁场磁感应强度变化情况。基于毕奥-萨伐尔定律，采用数值分析法计算了矩形永磁体、圆柱形永磁体以及瓦片形永磁体外磁场的磁感应强度大小。分析了永磁体外磁场磁感应强度的大小变化情况以及趋势曲线。 最后，从风力电机组变桨系统运行特性出发，分析了永磁同步电机在系统运行过程中的特性，并在EasiMotor v2.5环境下完成了永磁同步电机设计、仿真分析。根据风力电机组变桨电机的额定转矩、额定电压与电流以及转速等指标，经过计算、仿真，完成了永磁同步电机的设计计算，电磁场分析仿真云图分析。以减少永磁材料和电工材料为目标，通过优化分析，得到满足特性要求的永磁同步变桨电机设计。通过对计算出的设计指标参数分析，研制了永磁同步变桨电机样机，进行了电机和驱动控制器在变桨系统中的联调，调试结果表明设计满足变桨系统运行指标的要求。 【关键词】：变桨 永磁同步电机 永磁体 磁场分析 磁链 风力发电
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.1.1 课题研究背景11-12
• 1.1.2 课题研究意义12
• 1.2 国内外永磁同步电机特性分析研究现状12-15
• 1.2.1 国外目前发展现状及研究方向12-13
• 1.2.2 国内目前发展现状及研究方向13-15
• 1.3 永磁同步电机特点15-16
• 1.4 本文主要研究工作16-17
• 第二章 永磁同步电机转子结构和运行原理17-29
• 2.1 永磁同步电机的基本结构形式17-23
• 2.1.1 径向式转子磁路结构17-20
• 2.1.2 切向式转子磁路结构20-22
• 2.1.3 混合式转子磁路结构22
• 2.1.4 轴向式转子磁路结构22-23
• 2.2 永磁同步电机的运行原理23-25
• 2.2.1 运行原理23
• 2.2.2 空载时电枢反应23-24
• 2.2.3 负载时电枢反应24-25
• 2.3 永磁同步电机等效磁路25-28
• 2.3.1 永磁体等效磁路25-26
• 2.3.2 外磁路等效磁路26-27
• 2.3.3 永磁电机等效磁路27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 影响永磁同步电机特性参数分析以及性能计算29-39
• 3.1 永磁同步电机结构参数对电机性能影响29-32
• 3.1.1 永磁体体积 Vm与厚度 hm、宽度对电机性能影响29-30
• 3.1.2 电枢铁心有效长度 Lef对电机性能影响30-32
• 3.1.3 定子槽口宽度 Ws对电机性能影响32
• 3.1.4 每相串联匝数 N对电机性能影响32
• 3.2 永磁同步电机计算参数对电机性能影响32-35
• 3.2.1 气隙长度δ以及气隙系数 Kδ对电机性能影响32-33
• 3.2.2 漏磁系数σ、空载漏磁系数σ0对电机性能影响33-34
• 3.2.3 极弧系数α’p对电机性能影响34-35
• 3.3 永磁同步电机性能计算35-37
• 3.3.1 永磁体产生磁链链Ψf的计算35-36
• 3.3.2 交、直轴电感的计算36-37
• 3.3.3 电机内阻 R 的计算37
• 3.4 本章小结37-39
• 第四章 永磁体形状的磁场分布解析39-55
• 4.1 毕奥-萨伐尔定律39-40
• 4.2 矩形永磁体磁场分布解析40-44
• 4.2.1 磁场磁感应强度的解析表达式40-42
• 4.2.2 磁场解析仿真42-44
• 4.3 圆柱形永磁体磁场分布解析44-49
• 4.3.1 环形线电流形成磁场全椭圆积分44-46
• 4.3.2 磁场磁感应强度的解析表达式46-48
• 4.3.3 磁场解析仿真48-49
• 4.4 瓦形永磁体磁场分析49-52
• 4.4.1 磁场磁感应强度的解析表达式49-51
• 4.4.2 磁场解析仿真51-52
• 4.4.3 瓦片形状变化时磁场解析仿真52
• 4.5 不同形状永磁体磁场分布对比分析52-53
• 4.6 本章小结53-55
• 第五章 永磁同步变桨电机仿真及特性分析55-93
• 5.1 永磁同步电机数学模型的建立55-61
• 5.1.1 A、B、C 三相坐标系中电机数学模型56-57
• 5.1.2 d、q、o 同步旋转坐标系中同步电机数学模型57-59
• 5.1.3 永磁体形状的电机性能仿真59-61
• 5.2 电磁计算61-64
• 5.2.1 额定数据和技术要求62-64
• 5.3 轴的强度机械计算64-71
• 5.3.1 基本数据64-65
• 5.3.2 简化模型65-66
• 5.3.3 支反力计算66
• 5.3.4 弯矩和扭矩分析66-67
• 5.3.5 材料性能计算67-68
• 5.3.6 轴的挠度68-70
• 5.3.7 扭转刚度70-71
• 5.4 轴承寿命的计算71-72
• 5.4.1 轴受力分析71
• 5.4.2 求系数 x、y71
• 5.4.3 计算当量载荷 P1、P271-72
• 5.4.4 轴承寿命计算72
• 5.5 温度场计算72-76
• 5.5.1 仿真建模72-74
• 5.5.2 约束与载荷74-75
• 5.5.3 分析及结论75-76
• 5.6 永磁同步变桨电机永磁体确定及性能仿真76-90
• 5.6.1 永磁同步变桨电机网格剖分和磁场仿真云图76-79
• 5.6.2 永磁同步变桨电机低速仿真试验分析79-90
• 5.7 研究电机产品验证90-92
• 5.8 本章小结92-93
• 结论93-95
• 参考文献95-99
• 致谢99-101
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果101

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