基本信息
- 项目名称：
- 无铁芯永磁直驱风力发电机
- 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：
- 利用ansoft仿真软件的maxwell平台，优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度；在相同情况下，对定、转子均为导磁材料，定、转子均为非导磁材料，定子为非导磁材料转子为导磁材料的三种电机以及加入Halbach列后的新型无铁心永磁电机进行了建模和仿真。结果表明：加入Halbach列后的新型无铁心永磁电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机。最后利用瞬态场仿真验证了电机的动态性能。
- 详细介绍：
- 风力发电是人类利用风能解决能源紧缺和环境污染问题的重要途径，风力发电机是风力发电系统的核心能量转换部件。目前，风力发电机的类型主要有笼型异步发电机、异步双馈发电机和永磁同步发电机。笼型异步发电机和异步双馈发电机技术相对成熟，但变换装置复杂，因此，低速直驱、高效率、高可靠性的永磁直驱风力发电机是风力发电机的发展趋势。永磁直驱风力发电机有很多优点，但定转子之间的电磁吸力和齿槽转矩大，使得电机结构重量大，装配困难；且铁耗严重。无铁心永磁直驱风力发电机不仅继承了永磁直驱风力发电机的诸多优点，而且消除了电机的齿槽转矩及电枢的铁心损耗，减轻了电机的结构重量，装配容易，在风能的开发利用中具有广阔的应用前景项目组利用ansoft仿真软件的maxwell2D平台，优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度；在转子直径不变的情况下，对定子、转子均为导磁材料、定、转子均为非导磁材料和定子为非导磁材料转子为导磁材料的三种永磁直驱风力发电机进行了建模和仿真，比较分析了这3种发电机的优缺点；为了减轻电机的结构重量、提高电机的气隙磁密，提出了无铁心永磁直驱风力发电机，并对比研究加入Halbach列之后的新型无铁心永磁电机与上述三种永磁电机的重量和气隙磁密Bδ的大小；仿真和计算结果表明：加入Halbach列后的新型无铁心永磁直驱风力发电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机。对电机结构优化的同时，项目组根据优化结果绘制了电机三维模型，同时利用瞬态场仿真验证了电机的动态性能，验证结果表明电机可以正常运行。最后，项目组利用AutoCAD绘图软件绘制了电机的结构图纸，样机正紧张的在加工中。
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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
- 作品发明目的：常见的发电机由于存在齿轮箱，双馈异步电机还存在碳刷和滑环，使得系统成本高，可靠性差，维护量大，而且噪音比较严重。直驱无刷永磁同步发电机因为具有变速运行、变桨调节、低转速、高效率、高功率因数等特点，已成为研究开发的热点之一。但其体积重量比较大，定转子之间存在巨大电磁吸力使得安装比较困难。现有技术中也有无铁芯的永磁同步风力发电机，其气隙磁密不高，功率密度比较低。本项目组研究了一种结构新颖合理、功率密度高和高效率的无铁心永磁直驱风力发电机。基本思路：现有技术方案中，一般用于直驱风力发电的是永磁直驱风力发电机，该类型的电机虽然结构简单，工作可靠，但定转子之间的巨大的电磁吸力使得电机安装困难，铁芯的存在使得电机的重量较重、体积较大，并且该种类型的电机存在齿槽转矩和一定的铁心损耗，当风速较低时，发电机的发电效率会很低，而使得风能的利用程度较低。这些不足限制了永磁电机在风力发电上的应用和推广。而Halbach电机作为一种新型电机拥有很多优点，但其应用范围还不是很广，若将其应用在永磁直驱风力发电机中则会给风力发电带来很多好处。创新点：（1）定子采用非导磁材料，使得无齿槽转矩及定位力矩；（2）转子磁钢采用Halbach列结构，使得风力发电机系统的结构重量减轻；（3）定转子均采用非导磁材料，使得定、转子安装难度及塔架的成本降低。技术关键：（1）电机定子用非导磁材料制成；（2）为使电机气隙磁密升高，磁钢排列需要特殊的排列方式；（3）电机的支撑方式。
科学性、先进性
- 现有技术中的永磁风力发电机大部分有铁心，就使得电机的重量较大，铁心的使用使得电机中存在铁芯损耗和齿槽转矩以及齿槽转矩所带来的起动阻力矩；而现有技术中的无铁芯永磁风力发电机的气隙磁密较低，而使得电机的功率密度较小。本项目的无铁芯永磁直驱风力发电机通过采用Halbach列，而使得气隙磁密大为提高，并且使得气隙中磁场呈正弦分布，从而可以达到省去定子铁心的效果，并且提高了能量的转换效率，增强了电磁的兼容性。此外本项目的定子采用无铁心结构，消除了定转子之间的巨大电磁吸力，降低了电机的电机的重量，提高了电机的功率密度，并且消除了铁芯损耗和齿槽转矩以及齿槽效应所带来的起动阻力矩。从而提高了电机的效率，也提高了风能利用率。本项目的无铁芯永磁直驱风力发电机使得风力发电机的安装相对容易，使得整个风机系统的成本有所下降。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年3月，获得上海市教委的“大学生创新活动计划项目”的1万元资助，学校配套1万元（项目号：10SCX14）。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 实物、产品图纸现场演示图片
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：（1）通过采用Halbach阵列磁钢，气隙磁密大为提高，并且使气隙中磁场呈正弦分布，从而可以达到省去定子铁芯的效果；（2）用非导磁材料制作定子本体，使定子采用无铁芯结构，降低了电机的重量；消除了铁芯损耗和齿槽转矩以及齿槽效应所带来的起动阻力矩，提高了风能利用率。适应范围：风力发电厂推广前景：无铁心永磁直驱风力发电机定子不存在齿槽结构，可以有效的消除传统永磁电机低速时的转矩脉动；定子的铁心损耗减为0，提高了电机效率；同时，由于不受槽满率的限制，所以可以通过适当增加导线线经的方法来降低铜耗；电机定子和转子之间的电磁吸力也相应的消失，电机的结构重量可以大大降低，安装容易，同时延长了电机轴承的使用寿命。经济效益：无铁心永磁直驱风力发电机的研究在国内停留在初步的理论研究和样机试验阶段。从经济效益出发它的生产成本增加量远远低于效益成本，在大中型风力发电机应用场合如每年有10万台套生产推广量计算，按每台税后利匀500元人民币计算，可获经济效益5000万元。
同类课题研究水平概述
- 内转子径向结构永磁直驱风力发电机的气隙磁密相对较小，且转子的可靠性较差；外转子径向结构永磁直驱风力发电机存在定子冷却和安装运输方面的问题。英国学者E.Spooner的具有辅助磁极的永磁直驱风力发电机为切向结构和径向结构的组合，减小了转轴侧永磁体的漏磁，提高了气隙磁密。但电机结构复杂，铁心损耗严重。芬兰学者L.Soderlund和法国学者Darins.Vizreanu的轴向磁通永磁直驱风力发电机气隙磁密较低，且电机径向尺寸较大、转子之间存在轴向吸力；双定子中间转子盘式轴向结构虽然可以消除轴向磁拉力。但同等电磁负荷下，效率较低。荷兰学者Henk.Polinder的10MW永磁直驱风力发电机为外转子的结构型式，电机定转子之间的电磁吸力较大，使得电机的结构重量大，要求电机有一定的结构刚度，电机结构重量与电机总重量的比较大。混合励磁发电机兼有永磁和电励磁电机的优点，调节灵活，但结构和控制方式还需改进。为了减小铁耗，消除永磁电机的齿槽转矩，国内外学者也开展了对无铁心电机的研究。国内沈阳工业大学、天津大学研究了基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机；北京交通大学研究了无铁心轴向磁通永磁直流无刷电机；华中科技大学研究了轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机和转子无铁心式直流永磁盘式电机；中国科学院电工研究所研究了平面气隙和定转子可分离的无铁心电机。考虑到无铁心结构的一些缺陷，如漏磁大、气隙磁密低、转矩密度低、电枢绕组固定困难等因素，一般认为：无铁心永磁同步电机仅适用于中小功率的电机。中国青岛德安顺加热器公司打破了发电机传统的设计结构，利用内外转子的间隙磁场，使发电机磁场强度大大增强，定子采用工程塑料制成，有效降低了启动阻力矩，同时降低了电枢绕组的电阻值，完全消除了铁心的涡流损耗，使发电机真正做到微风启动，且有较高的效率。上海敏动机电有限公司设计生产了一种高转速风力发电机，它重量较轻,是普通马达的1/3-1/2；无铁芯和绕线,耐高温, 使用寿命长,输出功率更高 。深圳安托山公司设计生产了2MW、300rpm半直驱无铁心永磁直驱风力发电机。 E.Spooner提出的定子无铁心永磁直驱风力发电机发电机直径和叶片直径的比过大，空气动力损耗严重。青岛安顺公司和上海敏动公司的无铁心风力发电机容量较小，深圳安托山公司的电机磁钢用量较大，达700kg，使得电机成本过高。
