緒論 

1.1 課題研究的背景意義
隨著社會發(fā)展和人們生活水平的提高，大量的化石能源燃燒導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題：空氣污染，霧霾；全球氣候變暖，海平面上升；酸雨等等，嚴(yán)重影響了人類生活生存[1]。為了解決這一問題，各個國家都在積極進(jìn)行新能源及清潔能源的開發(fā)利用  [2]。目前主要的研究有太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、海浪發(fā)電及生物質(zhì)能發(fā)電等方式[3]。 海洋能是一種可再生能源，包括潮汐能、波浪運(yùn)動導(dǎo)致的機(jī)械能和熱能。潮汐能的存在是由于太陽、月亮間存在著引力作用，在這種引力作用下海水呈現(xiàn)規(guī)律性的運(yùn)動。其中包括水平運(yùn)動和垂直運(yùn)動，當(dāng)海水做水平運(yùn)動時存在的能量即為潮流能，做垂直運(yùn)動時存在的能量為勢能。所以潮流能實(shí)際即為潮汐能。 潮流能主要集中在海峽、水道和灣口等近海淺水海域[4]，中國的潮流能儲量豐富，其中杭州、臺灣、福建、山東和遼寧幾省的水道最為豐富。大量的水道潮流能能量密度大，達(dá)到 10-30 千瓦每平方米，適于開發(fā)，尤其是舟山群島附近，許多潮流流速達(dá)到 4m/s 以上，在世界上都屬罕見，開發(fā)環(huán)境和條件極好，適合建設(shè)大型的潮流能發(fā)電場。 相較于其它能源，潮流能的優(yōu)越性能體現(xiàn)在：1. 清潔性與可重復(fù)利用性。潮流能自然產(chǎn)生，是一種勢能，不存在二次污染，可重復(fù)利用。2.規(guī)律性。同樣作為海洋能，雖然潮流能隨著時間和空間會有所變化，但它受氣候影響較小，比海上風(fēng)能  、波浪能等更具有規(guī)律性，因此也就具備相應(yīng)的可預(yù)測性。3.開放性。利用潮流能，通常不需要攔海建壩，而是將發(fā)電機(jī)組置于水中，這樣對海洋環(huán)境影響小，且規(guī)避了很多諸如廢物污染、占用陸地空間等棘手問題。4.儲量廣闊性。地球 3/4 的面積是海洋，海洋蘊(yùn)含了巨大的能量，據(jù)統(tǒng)計有 750 多億千瓦，遠(yuǎn)超其他能源儲量。
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1.2 潮流發(fā)電裝置及研究現(xiàn)狀
以往傳統(tǒng)的海上發(fā)電裝置不同，潮流發(fā)電裝置是將潮汐能的動能而非重力勢能轉(zhuǎn)化成了電能。潮流發(fā)電裝置通常是一個復(fù)雜的裝置，包括能量捕捉裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置，與風(fēng)力發(fā)電的裝置有很大相似，都是涉及多個變量、電磁耦合的機(jī)電系統(tǒng)。相比于風(fēng)力發(fā)電裝置，潮流發(fā)電裝置自身的特點(diǎn)[6-8]，潮流發(fā)電裝置體積更小，這是因?yàn)楹Ｋ拿芏冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣密度，相同功率的發(fā)電機(jī)組捕獲潮流能的的葉片直徑是捕獲風(fēng)能葉片直徑的 1/2 左右，所以裝置體積更小。 1.  風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，但是潮流能卻具有規(guī)律性，對其隨時間空間的變化進(jìn)行預(yù)測便可使發(fā)電裝置得到更為充分的利用。 2.  海洋環(huán)境的惡劣大大降低了潮流發(fā)電裝置的可靠性，為保證裝置在海下運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須充分考慮到裝置的密封性、抗腐蝕能力、堅(jiān)固抗壓性及是否方便進(jìn)行維護(hù)等性能。 潮流發(fā)電裝置主要有水平軸潮流發(fā)電裝置、垂直軸潮流發(fā)電裝置、升力-阻力型潮流發(fā)電裝置、振蕩式水翼潮流發(fā)電裝置及其他形式的潮流發(fā)電裝置。在各種形式的潮流能發(fā)電裝置中研究運(yùn)用最多的是水平軸和垂直軸這兩種形式的發(fā)電裝置，葉輪軸線和水流方向一致的，，叫做水平軸式發(fā)電裝置，而葉輪軸線和水流方向垂直的，叫做垂直軸發(fā)電裝置。下面我們將對這兩種新型的潮流能發(fā)電裝置進(jìn)行具體分析。
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第2章 新型直驅(qū)式中空潮流發(fā)電機(jī)及其繞組結(jié)構(gòu)原理 

2.1 直驅(qū)中空永磁同步發(fā)電機(jī)特點(diǎn) 
永磁發(fā)電機(jī)是將永磁體的磁能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，在能量轉(zhuǎn)化過程中，勵磁磁場由永磁體產(chǎn)生，永磁體作為能量轉(zhuǎn)換的媒介其自身的能量不會發(fā)生變化。與感應(yīng)電機(jī)相比，省去了感應(yīng)電機(jī)中的勵磁繞組，故永磁電機(jī)具有高效率、高功率密度的特點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)子沒有損耗。隨著永磁體種類的增多、永磁體價格的不斷降低，永磁電機(jī)有逐步取代感應(yīng)電機(jī)的趨勢。低轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)多應(yīng)用于直驅(qū)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如：它通過將電機(jī)和和中間傳動系統(tǒng)直接相連而省去了齒輪箱，減小了整個系統(tǒng)的空間體積和對齒輪箱安裝和維護(hù)的費(fèi)用。 低速永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的永磁電機(jī)相比在電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能上都有明顯的區(qū)別，主要表現(xiàn)在：  1.  低速永磁同步發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速比較低，因此在相同功率條件下，低轉(zhuǎn)速永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)相比體積更大，電機(jī)的成本較普通永磁同步發(fā)電機(jī)的成本也要高很多。  2.  低速永磁同步發(fā)電機(jī)的額定工作電壓較傳統(tǒng)永磁電機(jī)的額定電壓更低，因此空載電壓相同的情況下，低速永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率更高，電壓調(diào)整率過高會導(dǎo)致電機(jī)的電壓波動過大，不利于對直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制。  3.  低速永磁同步發(fā)電機(jī)的額定工作電流較大，電機(jī)的鐵耗銅耗都比傳統(tǒng)永磁電機(jī)的損耗要多，因此低速永磁同步發(fā)電機(jī)的效率也更低。 
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2.2 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的原理
電勵磁同步發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成[19]，本文設(shè)計的低速同步發(fā)電機(jī)也是一樣的。低速永磁同步發(fā)電機(jī)與電勵磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)差異主要表現(xiàn)在低速永磁電機(jī)產(chǎn)生的磁場通過永磁體提供，沒有勵磁繞組和集電環(huán)、電刷，結(jié)構(gòu)更簡單；氣隙磁通密度在采用稀土永磁后明顯增大，進(jìn)而減小了電機(jī)的體積，使得加工鉆高配費(fèi)用減少，電機(jī)的功率質(zhì)量比提高；沒有勵磁裝置，使得損耗減小，提高了電機(jī)效率，增加了電機(jī)可靠性，降低了成本。永磁同步發(fā)電機(jī)具有與電勵磁同步電動機(jī)相同的定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)也與同步永磁電動機(jī)類似，只是不需要啟動繞組。由于對永磁同步發(fā)電機(jī)的特殊性，客觀需要對其性能要求較高，其中功率密度、固有電壓調(diào)整率和電壓波形正弦性畸變率這三者尤為突出，有的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速又非常高，例如航空發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常為 10000-60000r/min，因此導(dǎo)致了其特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計與選擇。永磁同步發(fā)電機(jī)一般有 四種，這取決于永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系。本文則設(shè)計了徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)。 
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第 3 章 新型分?jǐn)?shù)槽潮流發(fā)電機(jī)電磁計算及有限元仿真 ........ 22 
3.1  發(fā)電機(jī)基本參數(shù)確定 ..... 22 
3.1.1  額定數(shù)據(jù)確定 .......... 22 
3.1.2  初步確定發(fā)電機(jī)主要尺寸 .......... 23 
3.2 10k W 新型分?jǐn)?shù)槽永磁同步發(fā)電機(jī)磁路計算 ....... 25 
3.3 10k W 新型分?jǐn)?shù)槽永磁同步發(fā)電機(jī)有限元仿真 ............. 29 
3.3.1  有限元仿真步驟 ...... 29 
3.3.2  分?jǐn)?shù)槽永磁同步發(fā)電機(jī)性能驗(yàn)證 ........ 31 
3.4  本章小結(jié) ..... 37 
第 4 章  潮流永磁同步發(fā)電機(jī)繞組優(yōu)化 ...... 38 
4.1  發(fā)電機(jī)不同極槽配合方案選擇 ......... 38
4.2  電機(jī)槽口、極弧系數(shù)的量化分析 ..... 46
4.3  齒槽轉(zhuǎn)矩削弱 ....... 50 
4.4  本章小結(jié) ..... 51 

第4章 潮流永磁同步發(fā)電機(jī)繞組優(yōu)化 

4.1   發(fā)電機(jī)不同極槽配合方案選擇 

在設(shè)計永磁同步發(fā)電機(jī)時，第一步要做的就是電機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇，即極槽配合的選擇,。它對電機(jī)的性能影響很大，所以一定要合理選擇。隨著分?jǐn)?shù)槽繞組技術(shù)在永磁同步電機(jī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，極槽配合的選擇變得越來越重要。 當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率、極數(shù)、相數(shù)確定后，定子槽數(shù)就取決于每極每相槽數(shù)q。根據(jù)分?jǐn)?shù)槽選用原則，本電機(jī)設(shè)計時選用分?jǐn)?shù)槽槽數(shù)為 54、72、108(即 q分別為 3/8、1/2、3/4)的電機(jī)和槽數(shù)為 144 的整數(shù)槽電機(jī)(如圖 3-2、圖 4-1、圖4-2、圖 4-3 所示)分別進(jìn)行第三章講述的設(shè)計與仿真過程，對比選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)。本文在進(jìn)行其他槽數(shù)發(fā)電機(jī)設(shè)計時，為了便于不同槽數(shù)電機(jī)結(jié)構(gòu)對比，對電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、電壓、定子內(nèi)外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、氣隙、槽口等電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了約束(具體數(shù)據(jù)參考第三章 54 槽永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù))，其他部分性能對比見表 4-1。 設(shè)計的四種極槽比電機(jī)仿真結(jié)果：槽滿率都在 70%~75%之間，效率在90%以上，銅耗在 100~150kg 之間，定子齒定子軛轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子軛以及氣隙磁密均滿足要求。

 

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結(jié)論 

隨著潮流能重要性的提高，越來越多的國家開展了對潮流能發(fā)電裝置的研究，采用具有中間傳動裝置的水平軸發(fā)電裝置存在易損壞、難維修等問題，針對這些問題，本文提出了采用與水輪機(jī)耦合的直驅(qū)大尺寸中空永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。文章介紹了低速永磁同步的結(jié)構(gòu)及工作原理，分?jǐn)?shù)槽與整數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)不同，主要介紹了由于大尺寸電機(jī)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組。由于用于潮流發(fā)電的大尺寸永磁同步發(fā)電機(jī)的分析設(shè)計目前還很少，參考資料較少，本文設(shè)計的電機(jī)為此類問題的研究奠定了基礎(chǔ)。本文的重要工作內(nèi)容如下： 
1. 對不同永磁同步電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，選用工藝簡單、成本造價低的表帖式徑向磁路結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，后對比整數(shù)槽繞組與分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，選用能大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩的分?jǐn)?shù)槽繞組，并對分?jǐn)?shù)槽繞組的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)研究。 
2.  由于海洋環(huán)境嚴(yán)酷及本文電機(jī)較為新穎，電機(jī)設(shè)計要求較多，在滿足一系列環(huán)境要求下根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計要求來設(shè)計本文發(fā)電機(jī)，進(jìn)行磁路計算、性能計算。之后通過 ansoft 軟件對設(shè)計的發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元仿真，得到空載與負(fù)載下電機(jī)性能參數(shù)，通過分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證了本文設(shè)計的新型低速大尺寸中空發(fā)電機(jī)符合設(shè)計要求。 
3.  用 ansofts 軟件對四種不同極槽比的發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，對比仿真結(jié)果得到具有更好性能的發(fā)電機(jī)，之后通過對發(fā)電機(jī)的槽口、極弧系數(shù)進(jìn)行量化分析得到最佳參數(shù)，使得發(fā)動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩降為最低，反電勢波形最好。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：83064