MW级直驱永磁同步风力发电机设计
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摘 要
直驱永磁同步风力发电机去掉了风力发电系统中常见的齿轮箱， 让风力机直接拖动电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。它不同于电励磁的凸极同步发电机，而是采用高磁能积的永磁材料作为磁极，就省去了励磁绕组产生的损耗，使得电机的结构变得简单，效率也随之提高。
直驱永磁同步风力发电机运行转速低，一般定子外径都比较大。为了电机的运输方便和良好的冷却效果，本文选择内转子永磁同步发电机作为设计类型。首先提出了电机设计的目标，即在满足电机设计要求的基础上提高运行的可靠性和降低成本。然后根据等效磁路法编制了电磁计算程序，据此进行了电机的初始设计。然后使用有限元的方法分析了电机在各种运行状态下的性能，最后设计了电机的通风系统并进行了通风计算。
关键词：风力发电，永磁同步发电机，直接驱动，内转子，等效磁路法，有限元分析，通风冷却
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
上海交通大学 学位论文原创性声明
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学位论文作者签名：张兆强日期：2007 年 1 月 20 日
上海交通大学
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学位论文作者签名：张兆强 指导教师签名：饶芳权
日期：2007 年 1 月 20 日 日期：2007 年 1 月 20 日
第一章 绪论
1.1风力发电的意义
目前，在全世界范围内，风力发电发展势头迅猛。从 1996 到 2004 年，风力发电装机容量的年平均增长率达 28% 。截止到 2004 年底，全世界并网型风力发电机累计装机容量已达到 4532 万 kW[ 1 ]。已经有越来越多的国家把发展风力发电作为未来电力投资的重点。我国也制定了自己的“乘风计划”以鼓励风电设备国产化。之所以各国如此大力发展风电技术，是由于风力发电对于解决能源危机、缓解环境污染状况都有十分重要的意义。
（1）能源危机。目前世界能源主要来自石油、煤、天然气和核能。煤炭、石油、天然气属于不可再生能源，终究会被开采完毕；核能发电的关键问题是如何处理核废料，其处理费用远高于建造成本。现在地球人口约 60 亿，到 21 世纪中叶，
预计将达到 100 亿人。单从人口增长的数字来看，能源消费的增长将是非常惊人的。 随着社会的发展和人类对能源需求量的不断攀升，人类正面临资源枯竭的压力。近两年来，世界石油的“价格”飞涨，石油价格始终处于高位，从二十到三十美元一桶涨到五十六美元一桶的历史高点[ 2 ] 。高昂的石油价格势必对世界经济产生严重影响。能源危机正一步步向人类袭来。可以预见，在不久的将来，各国对能源的争夺，会是全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧效率以减少资源消耗，或者开发新材料、新工艺，最大限度的实现节能；二是开发新能源，积极利用可再生能源。前者虽然能有效地提高能源利用率，但终究是建立在消耗不可再生资源来发展生产的基础上，不能从根本上解决能源短缺的问题，而开发利用可再生能源扩展了能源的获得途径，是一种可持续的发展方式。现在世界能源消费以石油计算约为每年 80 亿吨，按平均消费量每人每年 2 吨
计算，到 2040 年，石油将出现枯竭，到 2060 年，核能及天然气也将终结[ 3 ]。届
时地球的能源已经无法满足近 116 亿人口的能源需求。实际上随着世界人口的不
断增加，能源紧缺的时期将会提前来。因此，21 世纪新能源的开发与利用，是关系人类子孙后代命运，刻不容缓的一件大事。
（2）环境污染严重。从化学成分上而言，煤、石油和天然气等化石能源的主要成分是碳。这些化石资源的消耗直接导致了温室气体——二氧化碳排量的增加，引起全球变暖。同时，化石能源中含有的少量元素汞、硫、铅等，燃烧后会生成二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些有害气体污染空气，毒化水质，且能够形成酸雨，对人畜和其他生物极为有害[ 4 ]。...
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