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双凸极无刷直流发电机

作　者: 朱德明
导　师: 严仰光
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 直驱风力发电机电励磁双凸极电机混合励磁双凸极电机有限元法静态特性外特性开路故障容错气隙功率密度边缘效应结构参数体积重量损耗
分类号: TM31
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文主要致力于双凸极无刷直流发电机的结构拓扑和特性研究。在分析常规双凸极无刷直流发电机结构特点的基础上衍变出一组单相、两相和多相双凸极电机新结构,并对新结构空载特性和外特性进行了研究。首先给出了双凸极无刷直流发电机的单元电机概念,并在三相6/4极电励磁双凸极发电机(Doubly Salient Electromagnetic Generator,简称DSEG)单元电机的基础上,衍变出一组多转子极6/4N极DSEG单元电机。对多转子极DSEG单元电机N的取值,电枢绕组元件相序与N的关系,定子极宽与定子极距之比的表达式,电势波形宽度的表达式进行了研究,总结出构建新电机结构应满足的三个条件。讨论了单相、两相/四相和五相DSEG单元电机新结构定、转子配合关系,定子极宽与定子极距之比以及电枢绕组元件连接方式。给出了混合励磁双凸极发电机的结构及其构成条件,并给出了多单元混合励磁双凸极发电机结构。给出了ANSYS进行静态电磁场分析时磁链、电势、电感、转矩和力的计算原理,开发了分析模型局部区域受力和转矩的宏,并从单元类型、气隙网格以及局部模型的角度对有限元模型进行优化。在此基础上,利用ANSYS提供的参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,简称APDL)构建了通用双凸极无刷直流发电机有限元空载分析软件模块,对一台2kW 500r/min DSEG样机的磁场和气隙磁密、感应电势、电感、定位力矩、定子极受力进行了计算。部分计算结果与实验数据进行了对比,验证了空载有限元模型的正确性。讨论了单相、四相和五相DSEG的空载特性。揭示了五相DSEG的开路故障容错能力。通过对三相24/16极混合励磁双凸极电机的模态分析,揭示了其磁场调节原理和空载特性。分析了兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机气隙对励磁绕组槽漏磁和定、转子极间边缘效应的影响,比较了不同气隙下兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机的空载特性。探讨了定子内径、定子铁心有效长度、气隙磁密和电机转速一定时,极数对DSEG单匝相电势和空载特性的影响。建立了双凸极无刷直流发电机的负载模型,对一台2kW 500r/min DSEG样机负载磁场和气隙磁密、相电势、相电流进行了计算,部分计算结果与实验数据进行了对比,验证了负载有限元模型的正确性。比较研究了DSEG的开关磁阻发电方式、双凸极发电方式1和双凸极发电方式2的外特性和功率曲线。重点研究了每极串联匝数、铁心长度、定子内径、励磁电流、转速对兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机的外特性和功率之间的影响,讨论了开关磁阻发电方式和双凸极发电方式2对兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机的外特性和功率的影响。比较了6个2MW直驱电励磁双凸极风力发电机设计实例的体积重量、损耗和有效材料价格。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-18
第一章绪论  18-32
  1.1 双凸机电机结构拓扑的研究现状  18-22
    1.1.1 三相永磁与电励磁双凸极电机结构  18-19
    1.1.2 三相混合励磁双凸极电机结构  19-21
    1.1.3 单相和多相双凸极电机结构  21-22
  1.2 风力发电机的类型  22-30
    1.2.1 异步发电机  23-24
    1.2.2 电励磁同步发电机  24-25
    1.2.3 永磁同步发电机  25-27
    1.2.4 混合励磁同步发电机  27-28
    1.2.5 开关磁阻发电机  28-29
    1.2.6 双凸极发电机在风力发电系统中的应用研究  29-30
  1.3 选题背景及研究内容  30-32
第二章双凸极无刷直流发电机的结构  32-46
  2.1 概述  32
  2.2 三相双凸极发电机的结构  32-37
    2.2.1 单元电机结构型式与类型  32-34
    2.2.2 单元电机结构型式的衍变  34-35
    2.2.3 定子极宽/定子极距之比  35-37
    2.2.4 电势波形宽度  37
  2.3 单相和多相 DSEG 单元电机  37-42
    2.3.1 单相DSEG 单元电机结构  37-38
    2.3.2 两相DSEG 单元电机结构  38-40
    2.3.3 五相DSEG 单元电机结构  40-42
  2.4 多单元结构双凸机发电机  42-43
  2.5 混合励磁双凸极发电机  43-45
  2.6 小结  45-46
第三章双凸极无刷直流发电机的空载特性  46-93
  3.1 概述  46-47
  3.2 基于 ANSYS 的 DSEG 空载模型  47-56
    3.2.1 磁链与电势计算原理  47
    3.2.2 电感计算原理  47-48
    3.2.3 转矩与力计算原理  48-49
    3.2.4 有限元模型的优化  49-54
    3.2.5 基于ANSYS APDL 语言的二次开发  54-56
  3.3 三相24/16 极 DSEG 的空载特性计算及实验验证  56-66
    3.3.1 气隙定义  57
    3.3.2 空载磁场与气隙磁密  57-61
    3.3.3 磁链与电势  61-64
    3.3.4 电磁力  64-66
  3.4 三相24/16 极、12/16 极、6/16 极 DSEG 空载参数比较  66-68
    3.4.1 励磁绕组自感与定位力矩  66-67
    3.4.2 磁链与电动势  67-68
    3.4.3 励磁绕组与电枢绕组的互感与电枢绕组自感  68
  3.5 单相16/24 极 DSEG 空载特性  68-71
    3.5.1 空载磁场与气隙磁密  69-70
    3.5.2 磁链与电势  70
    3.5.3 电感  70-71
  3.6 四相16/12 极 DSEG 的空载特性  71-74
    3.6.1 空载磁场与气隙磁密  71-72
    3.6.2 磁链与电势  72-73
    3.6.3 电感  73-74
  3.7 五相10/8 极 DSEG 的空载特性  74-79
    3.7.1 气隙磁密  74-75
    3.7.2 磁链和电势  75-76
    3.7.3 自感与互感  76-77
    3.7.4 定位力矩  77
    3.7.5 开路故障分析  77-79
  3.8 兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机空载特性分析  79-85
    3.8.1 等磁密原则  79-81
    3.8.2 气隙与空载特性  81-82
    3.8.3 极数与空载特性  82-85
  3.9 三相24/16 极混合励磁双凸极发电机的空载特性  85-91
    3.9.1 绕组定义  85-86
    3.9.2 工作模态分析  86-91
  3.10 小结  91-93
第四章双凸极无刷直流发电机的外特性  93-120
  4.1 概述  93
  4.2 基于 ANSOFT 的 DSEG 负载模型  93-100
    4.2.1 场－路耦合模型  93-94
    4.2.2 SRG 发电方式负载磁场与气隙磁密  94-96
    4.2.3 SRG 发电方式磁链与电势  96-100
  4.3 三相24/16 极 DSEG 三种发电方式外特性比较  100-102
  4.4 兆瓦级直驱电励磁双凸极风力发电机外特性研究  102-117
    4.4.1 每极串联匝数  102-103
    4.4.2 铁心长度  103-105
    4.4.3 定子内径  105-106
    4.4.4 励磁电流  106-107
    4.4.5 转速  107-108
    4.4.6 SRG/DSG2 发电方式比较  108-111
    4.4.7 2MW 直驱电励磁双凸极风力发电机实例计算  111-117
  4.5 24/16 极混合励磁双凸极发电机的外特性  117-118
  4.6 小结  118-120
第五章总结与展望  120-123
  5.1 全文工作总结  120-121
  5.2 后续研究展望  121-123
参考文献  123-131
致谢  131-132
在学期间的研究成果及发表的学术论文  132-134

双凸极无刷直流发电机

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