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MW級直驅永磁同步風力發電機設計

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更新時間：2019-05-31
發布人：xmj123456

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MW級直驅永磁同步風力發電機設計MW 級直驅永磁同步風力發電機設計

摘要

直驅永磁同步風力發電機去掉了風力發電系統中常見的齒輪箱，讓風力機直接拖動電機轉子運轉在低速狀態，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護成本大等問題，提高了運行可靠性。它不同于電勵磁的凸極同步發電機，而是采用高磁能積的永磁材料作為磁極，就省去了勵磁繞組產生的損耗，使得電機的結構變得簡單，效率也隨之提高。
直驅永磁同步風力發電機運行轉速低，一般定子外徑都比較大。為了電機的運輸方便和良好的冷卻效果，本文選擇內轉子永磁同步發電機作為設計類型。首先提出了電機設計的目標，即在滿足電機設計要求的基礎上提高運行的可靠性和降低成本。然后根據等效磁路法編制了電磁計算程序，據此進行了電機的初始設計。然后使用有限元的方法分析了電機在各種運行狀態下的性能，最后設計了電機的通風系統并進行了通風計算。

關鍵詞：風力發電，永磁同步發電機，直接驅動，內轉子，等效磁路法，有限元分析，通風冷卻

DESIGN OF MW GRADE DIRECT-DRIVEN PERMANENT-MAGNET
SYNCHRONOUS GENERATORS FOR WIND TURBINES

ABSTRACT

Without the typical gearbox in wind-generating system and the disadvantages caused by gearbox, the PMSG (permanent magnetic Synchronous generator) is directly driven by the wind turbine at low speed, which makes the operation of the generator more liable. PMSG is different with salient pole Synchronous generator and its poles are made of the rare earth material with high BH product, which avoids the excitation losses, makes the generator structure simpler with high efficiency.
Direct-driven PMSG works at low speed and its size is generally big. In this paper, the inner-rotor structure is selected for the convenient transportation and good cooling. Firstly the design goal is proposed and it is to improve the generator liability and lower the cost on the precondition that match with the basic generator parameter requirements. Then a program is developed on the theory of EMCM (equivalent magnetic circuit method) and it is used in the pre-design of the PMSG. Thirdly generator characterizes are analyzed on different working condition with FEA (finite element analyze). Finally, the air-cooling system is designed and air rate is calculated.

Keywords: wind generation, PMSG, direct-driven, inner-rotor, EMCM, FEA, air-cooling

上海交通大學學位論文原創性聲明

本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。

學位論文作者簽名：張兆強日期：2007 年 1 月 20 日

上海交通大學
學位論文版權使用授權書

本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
保密□，在年解密后適用本授權書。

本學位論文屬于
不保密□√。

（請在以上方框內打“√”）

學位論文作者簽名：張兆強指導教師簽名：饒芳權

日期：2007 年 1 月 20 日日期：2007 年 1 月 20 日

第一章緒論

1.1風力發電的意義

目前，在全世界范圍內，風力發電發展勢頭迅猛。從 1996 到 2004 年，風力發電裝機容量的年平均增長率達 28% 。截止到 2004 年底，全世界并網型風力發電機累計裝機容量已達到 4532 萬 kW[ 1 ]。已經有越來越多的國家把發展風力發電作為未來電力投資的重點。我國也制定了自己的“乘風計劃”以鼓勵風電設備國產化。之所以各國如此大力發展風電技術，是由于風力發電對于解決能源危機、緩解環境污染狀況都有十分重要的意義。
（1）能源危機。目前世界能源主要來自石油、煤、天然氣和核能。煤炭、石油、天然氣屬于不可再生能源，終究會被開采完畢；核能發電的關鍵問題是如何處理核廢料，其處理費用遠高于建造成本。現在地球人口約 60 億，到 21 世紀中葉，
預計將達到 100 億人。單從人口增長的數字來看，能源消費的增長將是非常驚人的。隨著社會的發展和人類對能源需求量的不斷攀升，人類正面臨資源枯竭的壓力。近兩年來，世界石油的“價格”飛漲，石油價格始終處于高位，從二十到三十美元一桶漲到五十六美元一桶的歷史高點[ 2 ] 。高昂的石油價格勢必對世界經濟產生嚴重影響。能源危機正一步步向人類襲來。可以預見，在不久的將來，各國對能源的爭奪，會是全球沖突的主要原因。解決能源危機的辦法，一是提高燃燒效率以減少資源消耗，或者開發新材料、新工藝，最大限度的實現節能；二是開發新能源，積極利用可再生能源。前者雖然能有效地提高能源利用率，但終究是建立在消耗不可再生資源來發展生產的基礎上，不能從根本上解決能源短缺的問題，而開發利用可再生能源擴展了能源的獲得途徑，是一種可持續的發展方式。現在世界能源消費以石油計算約為每年 80 億噸，按平均消費量每人每年 2 噸
計算，到 2040 年，石油將出現枯竭，到 2060 年，核能及天然氣也將終結[ 3 ]。屆
時地球的能源已經無法滿足近 116 億人口的能源需求。實際上隨著世界人口的不

斷增加，能源緊缺的時期將會提前來。因此，21 世紀新能源的開發與利用，是關系人類子孫后代命運，刻不容緩的一件大事。
（2）環境污染嚴重。從化學成分上而言，煤、石油和天然氣等化石能源的主要成分是碳。這些化石資源的消耗直接導致了溫室氣體——二氧化碳排量的增加，引起全球變暖。同時，化石能源中含有的少量元素汞、硫、鉛等，燃燒后會生成二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，這些有害氣體污染空氣，毒化水質，且能夠形成酸雨，對人畜和其他生物極為有害[ 4 ]。...

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