基于磁齒輪原理的場調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著全社會對能源和環(huán)境問題的關(guān)注，可再生能源的開發(fā)利用正呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。風(fēng)能在地球上廣泛存在，并且是目前被掌握的技術(shù)最為成熟的可再生能源之一，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要方式。與機械式增速齒輪箱為中間環(huán)節(jié)的高速發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其效率高、動態(tài)響應(yīng)快、維護費用低等優(yōu)點，近年來得到了快速發(fā)展。由于工作在較低轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機本體存在體積大、功率密度低、造價高、運輸和安裝困難等問題。本文在現(xiàn)有磁齒輪研究的基礎(chǔ)上，提出了一

2、種新型同軸磁齒輪結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理和轉(zhuǎn)矩傳遞特性;并基于磁齒輪原理提出一種外轉(zhuǎn)子聚磁式場調(diào)制永磁(Flux-Concentrating Field-Modulated Permanent-Magnet, FCFMPM)電機，基于等效磁路法和有限元法分析了該電機低速大轉(zhuǎn)矩特性的本質(zhì)，研究了其電磁特性及電機優(yōu)化設(shè)計方法，制造了實驗樣機，并以該樣機為基礎(chǔ)搭建了直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電模擬實驗平臺，對系統(tǒng)開展了實驗研究。
　　論文的主要研究內(nèi)容包

3、括以下幾點:
　　1.從磁齒輪工作原理出發(fā)，將現(xiàn)有磁齒輪結(jié)構(gòu)進行歸納分類:傳統(tǒng)磁齒輪和場調(diào)制磁齒輪，并比較分析二者的結(jié)構(gòu)特點和性能差異，同時提出了一種外轉(zhuǎn)子聚磁式同軸磁齒輪結(jié)構(gòu)。將所提同軸磁齒輪與現(xiàn)有同軸磁齒輪結(jié)構(gòu)對比分析，并與機械齒輪相比較，指出磁齒輪的優(yōu)點及其發(fā)展趨勢。
　　2.利用二維有限元方法對比分析不同磁齒輪復(fù)合電機的性能差異，指出了同軸磁齒輪、磁齒輪復(fù)合電機、游標(biāo)電機三者之間的內(nèi)在聯(lián)系?；诖琵X輪原理提出了一種外

4、轉(zhuǎn)子聚磁式場調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機拓撲結(jié)構(gòu)，并利用等效磁路法詳細分析了該電機工作原理，揭示了其能夠?qū)崿F(xiàn)大轉(zhuǎn)矩傳遞能力的本質(zhì)。
　　3.采用二維有限元分析方法，對FCFMPM電機的磁場分布、氣隙磁密、空載永磁磁鏈、空載感應(yīng)電動勢、繞組電感、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)電磁特性進行分析，并與現(xiàn)有裂槽表貼永磁游標(biāo)(Split-Slot Surface Permanent-Magnet Vernier, S3PMV)電機進行了性能比較，同時推導(dǎo)了

5、此類場調(diào)制永磁電機的電樞反應(yīng)電抗壓降表達式，提出了改善此類場調(diào)制電機輸出特性的方法。
　　4.推導(dǎo)了FCFMPM電機的主要尺寸關(guān)系式，為電機主要尺寸參數(shù)的確定提供了依據(jù)。借助二維有限元分析方法，闡明了FCFMPM電機的結(jié)構(gòu)選擇依據(jù)，分析了極對數(shù)配比的選擇與電機轉(zhuǎn)矩密度之間的關(guān)系，以及長徑比的選擇與電機輸出特性之間的關(guān)系，并以最大轉(zhuǎn)矩密度為目標(biāo)對電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，制作了原理樣機，實驗結(jié)果驗證了有限元分析的正確性。

6、　　5.根據(jù)基本的電磁定律和場調(diào)制電機的運行原理，建立了FCFMPM電機三相靜止和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元分析結(jié)果，搭建了基于MATLAB/SIMULINK的以直流電機模擬風(fēng)力機、以FCFMPM為發(fā)電機的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，分析研究了該系統(tǒng)的運行特性和最大風(fēng)能跟蹤控制方法。
　　6.構(gòu)建了基于FCFMPM樣機的風(fēng)力發(fā)電模擬實驗平臺，并建立了以DSP控制器為核心的軟硬件結(jié)合、多層次保護的測控電路，以實現(xiàn)