基本信息
- 項目名稱：
- 無鐵芯永磁直驅風力發(fā)電機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 利用ansoft仿真軟件的maxwell平臺，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅風力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度；在相同情況下，對定、轉子均為導磁材料，定、轉子均為非導磁材料，定子為非導磁材料轉子為導磁材料的三種電機以及加入Halbach列后的新型無鐵心永磁電機進行了建模和仿真。結果表明：加入Halbach列后的新型無鐵心永磁電機是一種重量較輕、氣隙磁密相對較高的電機。最后利用瞬態(tài)場仿真驗證了電機的動態(tài)性能。
- 詳細介紹：
- 風力發(fā)電是人類利用風能解決能源緊缺和環(huán)境污染問題的重要途徑，風力發(fā)電機是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心能量轉換部件。目前，風力發(fā)電機的類型主要有籠型異步發(fā)電機、異步雙饋發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機。籠型異步發(fā)電機和異步雙饋發(fā)電機技術相對成熟，但變換裝置復雜，因此，低速直驅、高效率、高可靠性的永磁直驅風力發(fā)電機是風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢。永磁直驅風力發(fā)電機有很多優(yōu)點，但定轉子之間的電磁吸力和齒槽轉矩大，使得電機結構重量大，裝配困難；且鐵耗嚴重。無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機不僅繼承了永磁直驅風力發(fā)電機的諸多優(yōu)點，而且消除了電機的齒槽轉矩及電樞的鐵心損耗，減輕了電機的結構重量，裝配容易，在風能的開發(fā)利用中具有廣闊的應用前景項目組利用ansoft仿真軟件的maxwell2D平臺，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅風力發(fā)電機的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度；在轉子直徑不變的情況下，對定子、轉子均為導磁材料、定、轉子均為非導磁材料和定子為非導磁材料轉子為導磁材料的三種永磁直驅風力發(fā)電機進行了建模和仿真，比較分析了這3種發(fā)電機的優(yōu)缺點；為了減輕電機的結構重量、提高電機的氣隙磁密，提出了無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機，并對比研究加入Halbach列之后的新型無鐵心永磁電機與上述三種永磁電機的重量和氣隙磁密Bδ的大??；仿真和計算結果表明：加入Halbach列后的新型無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機是一種重量較輕、氣隙磁密相對較高的電機。對電機結構優(yōu)化的同時，項目組根據(jù)優(yōu)化結果繪制了電機三維模型，同時利用瞬態(tài)場仿真驗證了電機的動態(tài)性能，驗證結果表明電機可以正常運行。最后，項目組利用AutoCAD繪圖軟件繪制了電機的結構圖紙，樣機正緊張的在加工中。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品發(fā)明目的：常見的發(fā)電機由于存在齒輪箱，雙饋異步電機還存在碳刷和滑環(huán)，使得系統(tǒng)成本高，可靠性差，維護量大，而且噪音比較嚴重。直驅無刷永磁同步發(fā)電機因為具有變速運行、變槳調節(jié)、低轉速、高效率、高功率因數(shù)等特點，已成為研究開發(fā)的熱點之一。但其體積重量比較大，定轉子之間存在巨大電磁吸力使得安裝比較困難。現(xiàn)有技術中也有無鐵芯的永磁同步風力發(fā)電機，其氣隙磁密不高，功率密度比較低。本項目組研究了一種結構新穎合理、功率密度高和高效率的無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機?；舅悸罚含F(xiàn)有技術方案中，一般用于直驅風力發(fā)電的是永磁直驅風力發(fā)電機，該類型的電機雖然結構簡單，工作可靠，但定轉子之間的巨大的電磁吸力使得電機安裝困難，鐵芯的存在使得電機的重量較重、體積較大，并且該種類型的電機存在齒槽轉矩和一定的鐵心損耗，當風速較低時，發(fā)電機的發(fā)電效率會很低，而使得風能的利用程度較低。這些不足限制了永磁電機在風力發(fā)電上的應用和推廣。而Halbach電機作為一種新型電機擁有很多優(yōu)點，但其應用范圍還不是很廣，若將其應用在永磁直驅風力發(fā)電機中則會給風力發(fā)電帶來很多好處。創(chuàng)新點：（1）定子采用非導磁材料，使得無齒槽轉矩及定位力矩；（2）轉子磁鋼采用Halbach列結構，使得風力發(fā)電機系統(tǒng)的結構重量減輕；（3）定轉子均采用非導磁材料，使得定、轉子安裝難度及塔架的成本降低。技術關鍵：（1）電機定子用非導磁材料制成；（2）為使電機氣隙磁密升高，磁鋼排列需要特殊的排列方式；（3）電機的支撐方式。
科學性、先進性
- 現(xiàn)有技術中的永磁風力發(fā)電機大部分有鐵心，就使得電機的重量較大，鐵心的使用使得電機中存在鐵芯損耗和齒槽轉矩以及齒槽轉矩所帶來的起動阻力矩；而現(xiàn)有技術中的無鐵芯永磁風力發(fā)電機的氣隙磁密較低，而使得電機的功率密度較小。本項目的無鐵芯永磁直驅風力發(fā)電機通過采用Halbach列，而使得氣隙磁密大為提高，并且使得氣隙中磁場呈正弦分布，從而可以達到省去定子鐵心的效果，并且提高了能量的轉換效率，增強了電磁的兼容性。此外本項目的定子采用無鐵心結構，消除了定轉子之間的巨大電磁吸力，降低了電機的電機的重量，提高了電機的功率密度，并且消除了鐵芯損耗和齒槽轉矩以及齒槽效應所帶來的起動阻力矩。從而提高了電機的效率，也提高了風能利用率。本項目的無鐵芯永磁直驅風力發(fā)電機使得風力發(fā)電機的安裝相對容易，使得整個風機系統(tǒng)的成本有所下降。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年3月，獲得上海市教委的“大學生創(chuàng)新活動計劃項目”的1萬元資助，學校配套1萬元（項目號：10SCX14）。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 技術轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品圖紙現(xiàn)場演示圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：（1）通過采用Halbach陣列磁鋼，氣隙磁密大為提高，并且使氣隙中磁場呈正弦分布，從而可以達到省去定子鐵芯的效果；（2）用非導磁材料制作定子本體，使定子采用無鐵芯結構，降低了電機的重量；消除了鐵芯損耗和齒槽轉矩以及齒槽效應所帶來的起動阻力矩，提高了風能利用率。適應范圍：風力發(fā)電廠推廣前景：無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機定子不存在齒槽結構，可以有效的消除傳統(tǒng)永磁電機低速時的轉矩脈動；定子的鐵心損耗減為0，提高了電機效率；同時，由于不受槽滿率的限制，所以可以通過適當增加導線線經的方法來降低銅耗；電機定子和轉子之間的電磁吸力也相應的消失，電機的結構重量可以大大降低，安裝容易，同時延長了電機軸承的使用壽命。經濟效益：無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機的研究在國內停留在初步的理論研究和樣機試驗階段。從經濟效益出發(fā)它的生產成本增加量遠遠低于效益成本，在大中型風力發(fā)電機應用場合如每年有10萬臺套生產推廣量計算，按每臺稅后利勻500元人民幣計算，可獲經濟效益5000萬元。
同類課題研究水平概述
- 內轉子徑向結構永磁直驅風力發(fā)電機的氣隙磁密相對較小，且轉子的可靠性較差；外轉子徑向結構永磁直驅風力發(fā)電機存在定子冷卻和安裝運輸方面的問題。英國學者E.Spooner的具有輔助磁極的永磁直驅風力發(fā)電機為切向結構和徑向結構的組合，減小了轉軸側永磁體的漏磁，提高了氣隙磁密。但電機結構復雜，鐵心損耗嚴重。芬蘭學者L.Soderlund和法國學者Darins.Vizreanu的軸向磁通永磁直驅風力發(fā)電機氣隙磁密較低，且電機徑向尺寸較大、轉子之間存在軸向吸力；雙定子中間轉子盤式軸向結構雖然可以消除軸向磁拉力。但同等電磁負荷下，效率較低。荷蘭學者Henk.Polinder的10MW永磁直驅風力發(fā)電機為外轉子的結構型式，電機定轉子之間的電磁吸力較大，使得電機的結構重量大，要求電機有一定的結構剛度，電機結構重量與電機總重量的比較大?；旌蟿畲虐l(fā)電機兼有永磁和電勵磁電機的優(yōu)點，調節(jié)靈活，但結構和控制方式還需改進。為了減小鐵耗，消除永磁電機的齒槽轉矩，國內外學者也開展了對無鐵心電機的研究。國內沈陽工業(yè)大學、天津大學研究了基于Halbach陣列的盤式無鐵心永磁同步電機；北京交通大學研究了無鐵心軸向磁通永磁直流無刷電機；華中科技大學研究了軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機和轉子無鐵心式直流永磁盤式電機；中國科學院電工研究所研究了平面氣隙和定轉子可分離的無鐵心電機?？紤]到無鐵心結構的一些缺陷，如漏磁大、氣隙磁密低、轉矩密度低、電樞繞組固定困難等因素，一般認為：無鐵心永磁同步電機僅適用于中小功率的電機。中國青島德安順加熱器公司打破了發(fā)電機傳統(tǒng)的設計結構，利用內外轉子的間隙磁場，使發(fā)電機磁場強度大大增強，定子采用工程塑料制成，有效降低了啟動阻力矩，同時降低了電樞繞組的電阻值，完全消除了鐵心的渦流損耗，使發(fā)電機真正做到微風啟動，且有較高的效率。上海敏動機電有限公司設計生產了一種高轉速風力發(fā)電機，它重量較輕,是普通馬達的1/3-1/2；無鐵芯和繞線,耐高溫, 使用壽命長,輸出功率更高 。深圳安托山公司設計生產了2MW、300rpm半直驅無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機。 E.Spooner提出的定子無鐵心永磁直驅風力發(fā)電機發(fā)電機直徑和葉片直徑的比過大，空氣動力損耗嚴重。青島安順公司和上海敏動公司的無鐵心風力發(fā)電機容量較小，深圳安托山公司的電機磁鋼用量較大，達700kg，使得電機成本過高。
