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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- CPPM外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 該項(xiàng)目研制出了CPPM外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，并把該樣機(jī)運(yùn)用于中小功率離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)中。 該發(fā)電機(jī)與同類(lèi)產(chǎn)品相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.無(wú)刷無(wú)滑環(huán)結(jié)構(gòu)，可靠性高； 2.寬風(fēng)速范圍內(nèi)電壓調(diào)節(jié)，效率高； 3.外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可使其用增速器增速，減小發(fā)電 機(jī)體積和重量。
- 詳細(xì)介紹：
- 該項(xiàng)目提出了CPPM外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)這種新型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理和特性進(jìn)行了理論研究；然后，進(jìn)行了三維磁場(chǎng)的建模與分析，并討論了電磁設(shè)計(jì)方法；最后設(shè)計(jì)并試制了一臺(tái)額定功率為4000W、額定電壓為110V、額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，構(gòu)建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合勵(lì)磁風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)輸出電壓波形好，電壓調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，完全能夠滿(mǎn)足高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的及思路：風(fēng)能是一種安全、清潔的循環(huán)可再生能源。但在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的不穩(wěn)定和負(fù)載的波動(dòng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備難以在保持高效率的同時(shí)維持輸出電壓的恒定。因此，本研究小組研究設(shè)計(jì)出CPPM混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。它通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制氣隙磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，可在寬風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)電，效率大大提高。 創(chuàng)新點(diǎn)：一是將CPPM混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，很好地結(jié)合了永磁同步發(fā)電機(jī)高效率和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；二是風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，可以加裝增速機(jī)提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小其體積；三是轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式磁鋼，便于磁鋼的安裝和固定，簡(jiǎn)化了制造工藝。 關(guān)鍵技術(shù)：一是采用了三維磁場(chǎng)有限元的分析和設(shè)計(jì)方法；二是本項(xiàng)目提出了一種新型的CPPM混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；三是CPPM混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)除了直、交軸電流id和iq外，還增加了直流勵(lì)磁電流If，控制優(yōu)化策略較為復(fù)雜。 主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率：4 k W 額定電壓：110 V 額定轉(zhuǎn)速：2000 r/min 額定效率：92 %勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)范圍：-1.5 ~ 4 A 增速比：1：5
科學(xué)性、先進(jìn)性
- CPPM外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前只有英國(guó)、日本和美國(guó)有學(xué)者在研究CPPM混合勵(lì)磁電機(jī)，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和汽車(chē)發(fā)電機(jī)。本項(xiàng)研究首次將CPPM混合勵(lì)磁應(yīng)用于外轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要特點(diǎn)有：（1）無(wú)刷結(jié)構(gòu)，可靠性高。該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組在內(nèi)定子側(cè)是固定不動(dòng)的，因此可省去電刷和滑環(huán)，可靠性高。 （2）外轉(zhuǎn)子安裝方便，可帶有增速機(jī)提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。該發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)為鐵極和磁極，運(yùn)行安全，外側(cè)直接安裝葉片，通過(guò)增速機(jī)得以提速，使其可在較高轉(zhuǎn)速下工作。（3）采用簡(jiǎn)單直流調(diào)壓控制電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，調(diào)壓性能優(yōu)良。CPPM外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)只需對(duì)直流勵(lì)磁繞組采用簡(jiǎn)單的斬波控制即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。（4）可在寬風(fēng)速范圍發(fā)電，發(fā)電效率明顯高于其它類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在風(fēng)速較低時(shí)，可通過(guò)增磁控制提高發(fā)電機(jī)的輸出電壓，在風(fēng)速較高時(shí)，則可通過(guò)弱磁控制來(lái)降低發(fā)電機(jī)的輸出電壓?？梢?jiàn)，該發(fā)電機(jī)可以拓寬其發(fā)電的有效風(fēng)速范圍；同時(shí)，其也具有永磁同步發(fā)電機(jī)高效率的優(yōu)點(diǎn)，因此，其發(fā)電效率也會(huì)大為提高。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年6月3日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)參加湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽大賽并獲得湖北省一等獎(jiǎng)； “CPPM混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析”一文發(fā)表于微特電機(jī)（核心期刊）2011年第5期。 對(duì)CPPM混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了二維和三維磁場(chǎng)有限元分析，研究了電機(jī)軸向磁場(chǎng)的飽和問(wèn)題，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及擬定系統(tǒng)控制策略提供依據(jù)。 （本項(xiàng)目申報(bào)人劉高翔是該論文的第三作者）
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 圖片，樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：CPPM混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制氣隙磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，并可在寬風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)電，系統(tǒng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率高。 適應(yīng)范圍：CPPM混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)可廣泛應(yīng)用于中小離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。 推廣前景的技術(shù)說(shuō)明： 本項(xiàng)目已完成實(shí)驗(yàn)室階段樣機(jī)和控制器開(kāi)發(fā)，還需要進(jìn)一步的完善，為產(chǎn)業(yè)化做準(zhǔn)備。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：隨著全球能源危機(jī)的加劇，新能源的開(kāi)發(fā)和利用受到了人們廣泛的重視。其中，風(fēng)能資源豐富，發(fā)展風(fēng)電潛力巨大。據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院初步探明，中國(guó)風(fēng)能總儲(chǔ)量達(dá)32.26億千瓦，居世界第一位。因此，風(fēng)電在中國(guó)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?作為風(fēng)力發(fā)電的最關(guān)鍵設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的優(yōu)劣決定著其在電力市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。而我們的作品性?xún)r(jià)比高，維護(hù)安裝方便，發(fā)電效率高，市場(chǎng)前景廣闊。 按一家公司年產(chǎn)10000臺(tái)的產(chǎn)量計(jì)算，每臺(tái)發(fā)電機(jī)的售價(jià)約為5000元左右，總產(chǎn)值則為5000萬(wàn)元，保守估計(jì)，每年利潤(rùn)則達(dá)1500萬(wàn)元。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 上世紀(jì)九十年代初，英國(guó)人最早提出了CPPM（Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine）電機(jī)，日本MEIDENSHA公司TAKAYUKI MIZUNO等人在上世紀(jì)90年代將CPPM電機(jī)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并在CPPM電機(jī)結(jié)構(gòu)、分析與控制方法以及電機(jī)試制等方面做出了開(kāi)拓性的工作；美國(guó)威斯康星大學(xué)T.A.Lipo等人也在CPPM電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)分析，特別是在設(shè)計(jì)方法方面做了大量工作。 國(guó)內(nèi)參入研究CPPM電機(jī)的學(xué)者較少。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)研究所唐任遠(yuǎn)院士等人提出了計(jì)算CPPM電機(jī)電感參數(shù)的方法；湖北工業(yè)大學(xué)稀土電機(jī)及控制研究所李新華教授等人在CPPM電機(jī)的參數(shù)計(jì)算、三維磁場(chǎng)分析以及無(wú)導(dǎo)磁機(jī)殼結(jié)構(gòu)等方面也進(jìn)行了深入研究，成功試制出了CPPM無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和CPPM同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，受到同行的廣泛關(guān)注。 與普通永磁電機(jī)相比，CPPM電機(jī)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)： 1）寬范圍地減小或增加氣隙磁通，并且只需很少的勵(lì)磁安匝數(shù)就可實(shí)現(xiàn)； 2）由于結(jié)構(gòu)特殊，可以方便地控制電機(jī)的勵(lì)磁強(qiáng)度，而對(duì)永磁體沒(méi)有任何退磁風(fēng)險(xiǎn)； 3）采用氣隙磁通控制，可以增加并改善驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低、中和高速范圍內(nèi)功率能力。
