MW級直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計
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摘 要
直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)去掉了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱， 讓風(fēng)力機(jī)直接拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護(hù)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(fā)電機(jī)，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(chǎn)生的損耗，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單，效率也隨之提高。
直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行轉(zhuǎn)速低，一般定子外徑都比較大。為了電機(jī)的運輸方便和良好的冷卻效果，本文選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)作為設(shè)計類型。首先提出了電機(jī)設(shè)計的目標(biāo)，即在滿足電機(jī)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上提高運行的可靠性和降低成本。然后根據(jù)等效磁路法編制了電磁計算程序，據(jù)此進(jìn)行了電機(jī)的初始設(shè)計。然后使用有限元的方法分析了電機(jī)在各種運行狀態(tài)下的性能，最后設(shè)計了電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)并進(jìn)行了通風(fēng)計算。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，永磁同步發(fā)電機(jī)，直接驅(qū)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子，等效磁路法，有限元分析，通風(fēng)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(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
學(xué)位論文作者簽名：張兆強(qiáng)日期：2007 年 1 月 20 日
上海交通大學(xué)
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。
本學(xué)位論文屬于
不保密□√。
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學(xué)位論文作者簽名：張兆強(qiáng) 指導(dǎo)教師簽名：饒芳權(quán)
日期：2007 年 1 月 20 日 日期：2007 年 1 月 20 日
第一章 緒論
1.1風(fēng)力發(fā)電的意義
目前，在全世界范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展勢頭迅猛。從 1996 到 2004 年，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的年平均增長率達(dá) 28% 。截止到 2004 年底，全世界并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)累計裝機(jī)容量已達(dá)到 4532 萬 kW[ 1 ]。已經(jīng)有越來越多的國家把發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為未來電力投資的重點。我國也制定了自己的“乘風(fēng)計劃”以鼓勵風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化。之所以各國如此大力發(fā)展風(fēng)電技術(shù)，是由于風(fēng)力發(fā)電對于解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境污染狀況都有十分重要的意義。
（1）能源危機(jī)。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(fā)電的關(guān)鍵問題是如何處理核廢料，其處理費用遠(yuǎn)高于建造成本。現(xiàn)在地球人口約 60 億，到 21 世紀(jì)中葉，
預(yù)計將達(dá)到 100 億人。單從人口增長的數(shù)字來看，能源消費的增長將是非常驚人的。 隨著社會的發(fā)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(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。能源危機(jī)正一步步向人類襲來。可以預(yù)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(jī)的辦法，一是提高燃燒效率以減少資源消耗，或者開發(fā)新材料、新工藝，最大限度的實現(xiàn)節(jié)能；二是開發(fā)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(fā)展生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，不能從根本上解決能源短缺的問題，而開發(fā)利用可再生能源擴(kuò)展了能源的獲得途徑，是一種可持續(xù)的發(fā)展方式。現(xiàn)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(xiàn)枯竭，到 2060 年，核能及天然氣也將終結(jié)[ 3 ]。屆
時地球的能源已經(jīng)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(jì)新能源的開發(fā)與利用，是關(guān)系人類子孫后代命運，刻不容緩的一件大事。
（2）環(huán)境污染嚴(yán)重。從化學(xué)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(dǎo)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(zhì)，且能夠形成酸雨，對人畜和其他生物極為有害[ 4 ]。...
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