基本信息
- 项目名称：
- CPPM外转子混合励磁风力发电机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该项目研制出了CPPM外转子混合励磁风力同步发电机样机，并把该样机运用于中小功率离网型发电系统中。 该发电机与同类产品相比具有如下优点： 1.无刷无滑环结构，可靠性高； 2.宽风速范围内电压调节，效率高； 3.外转子结构可使其用增速器增速，减小发电 机体积和重量。
- 详细介绍：
- 该项目提出了CPPM外转子混合励磁风力同步发电机的拓扑结构，并对这种新型发电机的运行原理和特性进行了理论研究；然后，进行了三维磁场的建模与分析，并讨论了电磁设计方法；最后设计并试制了一台额定功率为4000W、额定电压为110V、额定转速为2000 r/min的风力同步发电机试验样机，构建了试验平台，对其进行一系列试验研究。试验结果表明，混合励磁风力同步发电机输出电压波形好，电压调节能力强，完全能够满足高性能风力发电机的要求。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的及思路：风能是一种安全、清洁的循环可再生能源。但在风力发电中，风速的不稳定和负载的波动，导致传统的风力发电设备难以在保持高效率的同时维持输出电压的恒定。因此，本研究小组研究设计出CPPM混合励磁发电机。它通过调节励磁电流来控制气隙磁场实现稳压，可在宽风速范围内发电，效率大大提高。 创新点：一是将CPPM混合励磁结构首次应用于风力发电机，很好地结合了永磁同步发电机高效率和电励磁同步发电机调压能力强的优点；二是风力发电机采用外转子结构，对于小型风力发电机来说，可以加装增速机提高发电机转速，减小其体积；三是转子采用内置式磁钢，便于磁钢的安装和固定，简化了制造工艺。 关键技术：一是采用了三维磁场有限元的分析和设计方法；二是本项目提出了一种新型的CPPM混合励磁同步发电机转子结构；三是CPPM混合励磁同步发电机除了直、交轴电流id和iq外，还增加了直流励磁电流If，控制优化策略较为复杂。 主要技术指标如下：额定功率：4 k W 额定电压：110 V 额定转速：2000 r/min 额定效率：92 %励磁电流调节范围：-1.5 ~ 4 A 增速比：1：5
科学性、先进性
- CPPM外转子混合励磁风力发电机是一种新型的风力发电机。目前只有英国、日本和美国有学者在研究CPPM混合励磁电机，主要应用于电动汽车驱动电机和汽车发电机。本项研究首次将CPPM混合励磁应用于外转子风力发电机，其主要特点有：（1）无刷结构，可靠性高。该发电机励磁绕组在内定子侧是固定不动的，因此可省去电刷和滑环，可靠性高。 （2）外转子安装方便，可带有增速机提高发电机转速。该发电机外转子内侧为铁极和磁极，运行安全，外侧直接安装叶片，通过增速机得以提速，使其可在较高转速下工作。（3）采用简单直流调压控制电机气隙磁场，调压性能优良。CPPM外转子混合励磁风力发电机只需对直流励磁绕组采用简单的斩波控制即可实现调压。（4）可在宽风速范围发电，发电效率明显高于其它类型的风力发电机。在风速较低时，可通过增磁控制提高发电机的输出电压，在风速较高时，则可通过弱磁控制来降低发电机的输出电压。可见，该发电机可以拓宽其发电的有效风速范围；同时，其也具有永磁同步发电机高效率的优点，因此，其发电效率也会大为提高。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年6月3日在华中农业大学参加湖北省第八届“挑战杯·青春在沃”大学生课外学术科技作品竞赛大赛并获得湖北省一等奖； “CPPM混合励磁风力发电机磁场有限元分析”一文发表于微特电机（核心期刊）2011年第5期。 对CPPM混合励磁风力发电机进行了二维和三维磁场有限元分析，研究了电机轴向磁场的饱和问题，为电机优化设计以及拟定系统控制策略提供依据。 （本项目申报人刘高翔是该论文的第三作者）
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：CPPM混合励磁风力发电机通过调节励磁电流来控制气隙磁场实现稳压，并可在宽风速范围内发电，系统控制相对简单，风电转换效率高。 适应范围：CPPM混合励磁风力发电机可广泛应用于中小离网型风力发电系统中。 推广前景的技术说明： 本项目已完成实验室阶段样机和控制器开发，还需要进一步的完善，为产业化做准备。 市场分析和经济效益预测：随着全球能源危机的加剧，新能源的开发和利用受到了人们广泛的重视。其中，风能资源丰富，发展风电潜力巨大。据中国气象科学研究院初步探明，中国风能总储量达32.26亿千瓦，居世界第一位。因此，风电在中国的发展潜力巨大。 作为风力发电的最关键设备，风力发电机性能的优劣决定着其在电力市场上的竞争力。而我们的作品性价比高，维护安装方便，发电效率高，市场前景广阔。 按一家公司年产10000台的产量计算，每台发电机的售价约为5000元左右，总产值则为5000万元，保守估计，每年利润则达1500万元。
同类课题研究水平概述
- 上世纪九十年代初，英国人最早提出了CPPM（Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine）电机，日本MEIDENSHA公司TAKAYUKI MIZUNO等人在上世纪90年代将CPPM电机用于电动汽车驱动电机，并在CPPM电机结构、分析与控制方法以及电机试制等方面做出了开拓性的工作；美国威斯康星大学T.A.Lipo等人也在CPPM电机结构、磁场分析，特别是在设计方法方面做了大量工作。 国内参入研究CPPM电机的学者较少。沈阳工业大学特种电机研究所唐任远院士等人提出了计算CPPM电机电感参数的方法；湖北工业大学稀土电机及控制研究所李新华教授等人在CPPM电机的参数计算、三维磁场分析以及无导磁机壳结构等方面也进行了深入研究，成功试制出了CPPM无刷电动机和CPPM同步发电机样机，受到同行的广泛关注。 与普通永磁电机相比，CPPM电机具有以下几个方面的优势： 1）宽范围地减小或增加气隙磁通，并且只需很少的励磁安匝数就可实现； 2）由于结构特殊，可以方便地控制电机的励磁强度，而对永磁体没有任何退磁风险； 3）采用气隙磁通控制，可以增加并改善驱动电机在低、中和高速范围内功率能力。
