兆瓦级高速永磁同步风力发电机电磁设计及温度场分析

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1、分类号TM315密级UDC编号上海电机学院硕士专业学位论文兆瓦级高速永磁同步风力发电机电磁设计及温度场分析ELECTROMAGNETICDESIGNANDTEMPERATUREFIELDANALYSISOFMEGAWATTHIGH-SPEEDPERMANENTMAGNETWINDPOWERGENERATOR硕士研究生练正兵学号126001010209校内导师迟长春教授企业导师周东宁高级工程师工程领域电气工程申请学位工程硕士所在单位电气学院答辩日期2015年01月19日授予学位单位上海电机学院上海电机学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《

2、兆瓦级高速永磁同步风力发电机电磁设计及温度场分析》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日兆瓦级高速永磁同步风力发电机电磁设计及温度场分析摘要风力发电系统中，发电机作为能量转换的主要部件，被广泛研究。目前风场的主流发电机类型为双馈风力发电机和永磁直驱风力发电机。双馈风力发电机技术相对成熟，但结构复杂、可靠性差，且存在低电

3、压穿越的问题；永磁直驱风力发电机可以解决低电压穿越的问题，但电机体积大，磁钢用量多，造价高。针对以上风机存在的问题，高速永磁风力发电机以其转速高，体积小，高效率等优点在风场中得到了一定的应用，并成为各个风机制造商当前研究的热点。兆瓦级高速永磁风力发电机与兆瓦级低速直驱和中速半直驱永磁风力发电机相比，转速大幅度提高，由低速直驱风机的10～20r/min或中速半直驱风机的250～500r/min，提高到高速风机的1000～2000r/min。如此高的转速下，必然会给转子永磁体的固定带来影响。针对此问题，本文研究了一种改进的转子结构，并通过有限元分析软件，对

4、该结构进行优化设计。主要研究内容分为以下几方面。首先，本文对比分析了传统表贴式与切向式转子结构的差异，在此基础上，结合电机高速的特点，研究了一种改进的极靴式转子结构；基于磁路法，对该高速永磁电机进行整体设计，并通过Ansoft有限元仿真软件对电机的初始模型进行电磁特性分析。其次，根据初始设计当中存在气隙磁密正弦性差、齿槽转矩大等问题，提出了一种通过优化极靴形状来优化电机性能的方法，并对电机进行了优化分析；为确保该转子结构所安放的永磁体不会发生不可逆退磁，结合超导体闭合回路磁链守恒定则，分析了三相短路情况下的最大瞬态短路电流值，并在此基础上，分析了永磁体

5、的退磁情况。I此外，由于本课题所设计的电机采用的是极靴式转子结构，转子表面涡流损耗较大，从而会影响到转子温升。为了方便将转子涡流损耗产生的热量散去，在设计时转子轴向通风槽开有径向通风孔，本文通过对流体力学及传热学的理论分析，结合有限元软件，分析了电机内部流速分布，确定了径向通风孔对电机散热的作用，并在此基础上，通过流体场-温度场耦合计算，求出了转子的温度场分布，结果表明改进的极靴式转子结构的温升在合理的范围之内，不会影响磁钢的性能，此结果为电机样机生产提供了有价值的参考依据。最后，对生产的样机进行测试试验，通过试验验证了设计计算方案可以满足设计提出的要

6、求，验证了设计计算的准确性，同时对电机测试过程中相关的电机测试方法进行了介绍，并对测试结果进行了分析。关键词：风力发电机、极靴结构、优化设计、流体场、温度场IIELECTROMAGNETICDESIGNANDTEMPERATUREFIELDANALYSISOFMEGAWATTHIGH-SPEEDPERMANENTMAGNETWINDPOWERGENERATORABSTRACTInthewindpowergenerationsystem,generatorsasthemainpartofenergyconversion,hasbeenstudiedwid

7、ely.Atpresent,themainstreamtypeofgeneratorsforwindfieldaredoubly-fedwindpowergeneratoranddirect-drivepermanentmagnetwindpowergenerator.Thetechnologyofdoubly-fedwindpowergeneratorisrelativelymature,butithastheproblemofthecomplexstructure,poorreliability,andthepoorlowvoltageride-t

8、hroughcapability.Thedirect-drivepermanentmagnet