永磁直驱风力发电机的电磁设计与分析

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景及意义近年来，空气污染问题在我国日趋显现。我国“十二五”政府工作报告中再次强调了要扎实推进节能减排和环境保护。然而，2010年我国二氧化硫、氮氧化物排放总量都超过2200万吨，位居世界第一，工业烟粉尘排放量为1446.1万吨，均远超出环境承载能力。长期以来，我国的电能来源主要依靠燃煤的火力发电机组，截至2012年，我国的火电装机容量占总装机容量的比例仍在70%以上。煤的燃烧产物中含有大量的硫、氮氧化物，对温室效应及城市空气产生非常不利的影响。利用清洁可再生的风能发电是解决电能生产过程中污染问题的可行方案之一，有着长远的经济利益和能源战略意义，

2、是近些年的研究热点。全球风力发电机装机容量增长迅速，截至2013年底，已有约24个国家的风力发电机装机容量超过1GW。我国的风电装机容量近些年也稳步上升，随着2013年西藏龙源那曲超高海拔实验风[1]电场的建成投产，我国风电场的建设已遍布全国各个省市自治区。电机作为风力发电系统的重要组成部分，承担了将风能转化成电能的重要任务，电机电磁性能的优劣直接影响到风力发电系统的性能。通过对电机的电磁性能进行设计与分析，可以在一定程度上减小电机的体积与重量，节约生产安装及维护费用，同时能够增加系统的效率及运行可靠性。另外，不同风力发电系统对电机输出性能要求的区别，不同生产厂商生产及安装能力的差异，

3、使风力发电机电磁方案设计与分析的需求与日俱增。目前，不同功率等级的风力发电机的设计与分析依然是我国相关高校及研究单位的研究热点之一。通过与相关生产厂商的合作，逐步将自主研发的风力发电机推入市场，为千家万户提供更加清洁的电力能源。1华中科技大学硕士学位论文1.2国内外研究现状1.2.1风力发电系统的分类及研究现状上个世纪90年代以来，风力发电系统发展迅速。典型的风力发电系统大体可分为以下三类：带多极变速箱的恒速鼠笼型感应发电机系统，带多极变速箱的变速双馈感应发电机系统，以及无变速箱的变速同步发电机系统，最后一种又称为直驱[2]发电机系统。直驱风力发电机根据励磁方式的不同又可分为永磁直驱风

4、力发电机、电励磁直驱风力发电机、超导风力发电机等。由于恒速鼠笼型感应发电机系统不能根据风力的大小改变转速以获得较大的风能利用率，因而不适合大规模并网风力发电。目前，市场上应用较为广泛、比较有发展前景的主要是永磁直驱风力发电机和[3]双馈异步风力发电机。双馈感应电机的转子绕组经变频器与电网相连，在实现转差功率的双向流动的同时也使得发电机与电网保持同步运行。双馈感应电机的主要优点是绕线式转子成本相对较低，变频器容量仅需满足转差功率的容量的要求，一般为额定容量的30%左右。其主要缺点是变速齿轮箱和滑环等机械结构长期运行需要经常维护，降低了运行可靠性，且电网故障情况下电机的控制难度较大。对于发

5、展前景广阔的海上风力发电系统，由于距离陆地较远，维护成本高、难度大，双馈异步发电机变速箱维护等问题将很大程度上制约其在海上风力发电系统中的应用。直驱永磁同步发电机无需变速齿轮箱，定子绕组经全功率变频器与电网相连。与双馈电机系统相比，永磁电机材料成本较高，变频器容量需满足发电机额定负载容量需求，初期投入成本较高。但是，直驱永磁电机功率密度大，效率高，省去了变速箱、滑环等机械结构，运行可靠性高、维护成本低，长期运行经济效益好。直驱永磁风力发电机的这些优点更加适用于海上风力发电厂等维护难度大、成本高的场合，是未来风力发电机研究的重要方向之一。2华中科技大学硕士学位论文1.2.2直驱永磁风力发

6、电机的研究现状近年来，由于永磁材料的迅速发展，永磁电机成为了学术界的研究热点之一。与此同时，一些新型的绕组结构（如：分数槽集中绕组等）由于其自身存在的优点也受到了广泛关注。文献[4]从电机运行的基本原则出发，推导了永磁电机与感应电机运行的基本公式，比较了两者在直驱应用中的性能，论证了永磁电机在直驱应用中更具优势。文章指出，直驱应用中，电机的直径一般较大，电机的物理气隙也会随着电机直径的增加而增大，由于永磁电机转子侧有永磁体产生励磁磁场，物理气隙的增大对气隙磁密的影响相对较小，而感应电机由于转子侧无励磁，气隙磁密受物理气隙的影响较大，气隙增大时电机的功率因数下降较大，进而会影响到电机的效

7、率。永磁电机根据其磁通路径的方向大体可以分为径向磁通电机、轴向磁通电机和横向磁通电机三类。径向磁通电机结构简单、运行可靠，是目前应用最广泛的电机结构形式。根据转子与定子的相对位置,径向磁通电机又可分为外转子电机和内转子电机。在直驱[5][9]式风力发电应用中，外转子电机相较于内转子电机更具优势。相同外径条件下，外转子电机的气隙直径一般大于内转子电机，由电机设计的基本公式可知，较大的气隙直径利于产生较大的转矩密度。因而，设计合理时，相同尺寸的外转