本文關鍵詞：面向波浪能轉換的低速高效永磁電機設計

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【摘要】：對能源的研究和利用一直伴隨著人類的進步和發(fā)展,隨著人類社會對能源需求的不斷增大,世界各國都開始積極的進行新能源的開發(fā)和利用方面的研究。廣闊的海洋中蘊藏著數(shù)以億計千瓦的新能源,被譽為“藍色油田”,如何很好的開發(fā)和利用海洋能進行發(fā)電,是當代世界各國在能源領域研究的重要方面。海洋能發(fā)電中,波浪能發(fā)電比較成熟,它是由波浪驅動水輪機旋轉,進而拖動發(fā)電機轉動產生電能。從水輪機到發(fā)電機之間,為了提速和穩(wěn)定轉速,往往會采用齒輪箱等裝置,這樣增加了系統(tǒng)的復雜性,也增加了投資和維護成本,并且對整個系統(tǒng)的效率也有影響。之所以要采用提速和穩(wěn)速環(huán)節(jié),是因為沒有專門針對波浪能轉換的低速高效發(fā)電機。本文依托“2013年國家海洋局可再生能源專項資金項目——柔性直驅式浪輪發(fā)電裝置研究與實驗”,該項目中從浪輪機到發(fā)電機采用直驅的方式,降低了系統(tǒng)的機械損耗,這樣可以提高整個系統(tǒng)的運行效率,減少投資和維護成本。但是采用直驅的方式,發(fā)電機的機械輸入轉速較低,并伴有較大的轉速波動,其中浪輪機的設計輸出轉速為100rpm,在實際試驗測試中,得到其轉速在70 rpm~120rpm之間。同時,能量捕獲裝置接收到的波浪能波動較大,所以浪輪機輸出的機械能也有較大的變化范圍。因此對應用于波浪能轉換系統(tǒng)的發(fā)電機提出了特殊的要求。針對柔性直驅式浪輪發(fā)電裝置研究與實驗的特殊要求,本文設計了新型低速高效永磁發(fā)電機,該發(fā)電機的主要特點是能夠低速運行,額定轉速為100rpm,并且能夠獲得較高的效率。在設計新型低速高效永磁發(fā)電機時,鑒于其特殊的工作環(huán)境和工作狀態(tài),有以下幾點設計要求:1)發(fā)電機極對數(shù)盡可能多,以實現(xiàn)在輸入機械速度較低的情況下仍能獲得較高的電角速度,以提高輸出電壓,達到提高發(fā)電機輸出能力的目的,從而有利于效率提高。2)定子鐵芯和轉子鐵芯都采用硅鋼片疊放的結構形式,以減少鐵耗,同時,提高定子繞組槽面積的利用率,以獲得高電流輸出能力并且減少銅耗。3)對定、轉子齒形進行優(yōu)化設計,消除磁路諧波的影響,減小諧波造成的損耗,進一步提高發(fā)電機的效率。4)新型低速高效永磁發(fā)電機將在水下工作,所以發(fā)電機結構強度要高,而在這種工作環(huán)境下,對發(fā)電機的散熱要求較低。論文首先設計了新型低速高效永磁發(fā)電機的總體結構。發(fā)電機整體采用內轉子結構形式,制造簡單、結構強度高。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓制成,降低鐵芯損耗,提高發(fā)電機效率。定子槽采用梨形槽形式以增加其槽面積利用率,增大了繞組線圈的放置空間,提高了發(fā)電機電流輸出能力,降低了銅耗。新型低速高效永磁發(fā)電機的轉子采用聚磁式結構形式。增加了氣隙磁密,有利于能量交換,并且宜于將永磁體的形狀設計為細長條形,既保證了永磁體提供的磁場能量,又盡可能的增加了電機的極對數(shù)。這種設計在發(fā)電機輸入轉速較低的情況下,仍然能獲得足夠高的電角速度,實現(xiàn)了在低轉速情況下輸出高電壓的目的,提高了發(fā)電機的輸出能力,從而有利于提高效率。建立了新型低速高效永磁發(fā)電機電磁場有限元仿真模型并進行優(yōu)化設計。以空載輸出電壓最大化和磁滯損耗和渦流損耗與空載輸出電壓比值最小化為目標,利用電磁場仿真軟件的參數(shù)化設計功能,優(yōu)化設計了永磁體和轉子鐵芯的結構,提出在轉子齒部設計一定的弧度來提高輸出電壓,最終獲得發(fā)電機的所有結構尺寸。給出了新型低速高效永磁發(fā)電機的電氣參數(shù)計算公式,運用電磁場有限元計算方法進行輔助計算,得到了發(fā)電機電氣參數(shù)的計算結果,并建立了新型低速高效永磁發(fā)電機的電壓方程。對發(fā)電機進行了動態(tài)仿真,結果表明新型低速高效永磁發(fā)電機具有較高的電壓輸出能力,總體損耗小,發(fā)電機在運行速度為100rpm時,效率達到了86.4%,實現(xiàn)了低速高效的設計要求。設計了柔性直驅式波浪能發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用本文設計的三臺新型低速高效永磁發(fā)電機進行電能轉換,通過運行控制實現(xiàn)它們的均衡運行。這樣就適應了實際中波浪能大小的變化情況,使系統(tǒng)具有很好的柔性。同時使得系統(tǒng)的浪輪機和發(fā)電機運行速度基本穩(wěn)定在100rpm附近,這時的發(fā)電機處于高效運行狀態(tài)。這種設計也降低了浪輪機和發(fā)電機的機械設計要求。設計了二次電電能量轉換系統(tǒng)。將發(fā)電機輸出的粗交流電能轉化成能夠并網或者用戶應用的精交流電能。建立了功率變換器電路的仿真模型。
【關鍵詞】：波浪能 永磁同步發(fā)電機 能量轉換 低速高效
【學位授予單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P743.2;TM313
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 課題的研究意義11-12
• 1.2 課題研究背景12-16
• 1.2.1 波浪能及波浪能發(fā)電技術概述12-14
• 1.2.2 永磁同步發(fā)電機概述14-16
• 1.3 國內外相關領域發(fā)展及研究現(xiàn)狀16-21
• 1.3.1 國內外波浪能發(fā)電的發(fā)展及研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3.2 低速運行發(fā)電機的種類及研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 本文主要研究內容21-22
• 第二章 新型低速高效永磁發(fā)電機總體設計22-32
• 2.1 新型低速高效永磁發(fā)電機設計要求22-23
• 2.2 新型低速高效永磁發(fā)電機結構設計23-30
• 2.2.1 總體結構設計23-24
• 2.2.2 定子結構設計24-25
• 2.2.3 轉子結構設計25-30
• 2.3 新型低速高效永磁發(fā)電機初步結構參數(shù)30-32
• 第三章 新型低速高效永磁發(fā)電機模型建立及優(yōu)化設計32-47
• 3.1 新型低速高效永磁發(fā)電機模型建立32-37
• 3.1.1 發(fā)電機磁場分析原理和電磁場的計算方法32-33
• 3.1.2 電磁場分析軟件Ansoft Maxwell33-34
• 3.1.3 發(fā)電機模型建立34-37
• 3.2 新型低速高效永磁發(fā)電機永磁體優(yōu)化設計37-41
• 3.3 新型低速高效永磁發(fā)電機轉子鐵芯優(yōu)化設計41-45
• 3.4 新型低速高效永磁發(fā)電機結構優(yōu)化參數(shù)45-47
• 第四章 新型低速高效永磁發(fā)電機的電氣參數(shù)及動態(tài)仿真結果47-55
• 4.1 新型低速高效永磁發(fā)電機的電氣參數(shù)47-51
• 4.1.1 繞組感應電動勢計算47-49
• 4.1.2 發(fā)電機相電阻、電感計算49
• 4.1.3 繞組線圈匝數(shù)和額定電壓確定49-50
• 4.1.4 發(fā)電機功率、損耗和效率計算50-51
• 4.2 新型低速高效永磁發(fā)電機的電壓方程51-52
• 4.3 新型低速高效永磁發(fā)電機的動態(tài)仿真結果52-55
• 第五章 波浪能發(fā)電系統(tǒng)建模及仿真結果與分析55-68
• 5.1 柔性直驅式波浪能發(fā)電系統(tǒng)總體設計55-57
• 5.2 功率變換器設計57-64
• 5.2.1 功率變換器總體設計57-58
• 5.2.2 多相整流電路建模58-61
• 5.2.3 濾波電路及斬波電路建模61-63
• 5.2.4 逆變電路建模63-64
• 5.3 仿真結果及分析64-68
• 第六章 結論與展望68-71
• 6.1 結論68-70
• 6.2 工作展望70-71
• 參考文獻71-74
• 致謝74-75
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文75

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本文編號：1115007