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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 利用ansoft仿真軟件的maxwell平臺(tái)，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度；在相同情況下，對(duì)定、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料，定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料，定子為非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料的三種電機(jī)以及加入Halbach列后的新型無鐵心永磁電機(jī)進(jìn)行了建模和仿真。結(jié)果表明：加入Halbach列后的新型無鐵心永磁電機(jī)是一種重量較輕、氣隙磁密相對(duì)較高的電機(jī)。最后利用瞬態(tài)場(chǎng)仿真驗(yàn)證了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。
- 詳細(xì)介紹：
- 風(fēng)力發(fā)電是人類利用風(fēng)能解決能源緊缺和環(huán)境污染問題的重要途徑，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)換部件。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型主要有籠型異步發(fā)電機(jī)、異步雙饋發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。籠型異步發(fā)電機(jī)和異步雙饋發(fā)電機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，但變換裝置復(fù)雜，因此，低速直驅(qū)、高效率、高可靠性的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但定轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力和齒槽轉(zhuǎn)矩大，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)重量大，裝配困難；且鐵耗嚴(yán)重。無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅繼承了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且消除了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩及電樞的鐵心損耗，減輕了電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，裝配容易，在風(fēng)能的開發(fā)利用中具有廣闊的應(yīng)用前景項(xiàng)目組利用ansoft仿真軟件的maxwell2D平臺(tái)，優(yōu)化了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)、磁鋼寬度和厚度；在轉(zhuǎn)子直徑不變的情況下，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子均為導(dǎo)磁材料、定、轉(zhuǎn)子均為非導(dǎo)磁材料和定子為非導(dǎo)磁材料轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料的三種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模和仿真，比較分析了這3種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)；為了減輕電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量、提高電機(jī)的氣隙磁密，提出了無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并對(duì)比研究加入Halbach列之后的新型無鐵心永磁電機(jī)與上述三種永磁電機(jī)的重量和氣隙磁密Bδ的大??；仿真和計(jì)算結(jié)果表明：加入Halbach列后的新型無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種重量較輕、氣隙磁密相對(duì)較高的電機(jī)。對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)，項(xiàng)目組根據(jù)優(yōu)化結(jié)果繪制了電機(jī)三維模型，同時(shí)利用瞬態(tài)場(chǎng)仿真驗(yàn)證了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，驗(yàn)證結(jié)果表明電機(jī)可以正常運(yùn)行。最后，項(xiàng)目組利用AutoCAD繪圖軟件繪制了電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖紙，樣機(jī)正緊張的在加工中。
作品圖片
作品專業(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)
- 作品發(fā)明目的：常見的發(fā)電機(jī)由于存在齒輪箱，雙饋異步電機(jī)還存在碳刷和滑環(huán)，使得系統(tǒng)成本高，可靠性差，維護(hù)量大，而且噪音比較嚴(yán)重。直驅(qū)無刷永磁同步發(fā)電機(jī)因?yàn)榫哂凶兯龠\(yùn)行、變槳調(diào)節(jié)、低轉(zhuǎn)速、高效率、高功率因數(shù)等特點(diǎn)，已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)之一。但其體積重量比較大，定轉(zhuǎn)子之間存在巨大電磁吸力使得安裝比較困難?，F(xiàn)有技術(shù)中也有無鐵芯的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其氣隙磁密不高，功率密度比較低。本項(xiàng)目組研究了一種結(jié)構(gòu)新穎合理、功率密度高和高效率的無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。基本思路：現(xiàn)有技術(shù)方案中，一般用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電的是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該類型的電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但定轉(zhuǎn)子之間的巨大的電磁吸力使得電機(jī)安裝困難，鐵芯的存在使得電機(jī)的重量較重、體積較大，并且該種類型的電機(jī)存在齒槽轉(zhuǎn)矩和一定的鐵心損耗，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率會(huì)很低，而使得風(fēng)能的利用程度較低。這些不足限制了永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用和推廣。而Halbach電機(jī)作為一種新型電機(jī)擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用范圍還不是很廣，若將其應(yīng)用在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中則會(huì)給風(fēng)力發(fā)電帶來很多好處。創(chuàng)新點(diǎn)：（1）定子采用非導(dǎo)磁材料，使得無齒槽轉(zhuǎn)矩及定位力矩；（2）轉(zhuǎn)子磁鋼采用Halbach列結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量減輕；（3）定轉(zhuǎn)子均采用非導(dǎo)磁材料，使得定、轉(zhuǎn)子安裝難度及塔架的成本降低。技術(shù)關(guān)鍵：（1）電機(jī)定子用非導(dǎo)磁材料制成；（2）為使電機(jī)氣隙磁密升高，磁鋼排列需要特殊的排列方式；（3）電機(jī)的支撐方式。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)有技術(shù)中的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分有鐵心，就使得電機(jī)的重量較大，鐵心的使用使得電機(jī)中存在鐵芯損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩以及齒槽轉(zhuǎn)矩所帶來的起動(dòng)阻力矩；而現(xiàn)有技術(shù)中的無鐵芯永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密較低，而使得電機(jī)的功率密度較小。本項(xiàng)目的無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(chǎng)呈正弦分布，從而可以達(dá)到省去定子鐵心的效果，并且提高了能量的轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)了電磁的兼容性。此外本項(xiàng)目的定子采用無鐵心結(jié)構(gòu)，消除了定轉(zhuǎn)子之間的巨大電磁吸力，降低了電機(jī)的電機(jī)的重量，提高了電機(jī)的功率密度，并且消除了鐵芯損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩以及齒槽效應(yīng)所帶來的起動(dòng)阻力矩。從而提高了電機(jī)的效率，也提高了風(fēng)能利用率。本項(xiàng)目的無鐵芯永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝相對(duì)容易，使得整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的成本有所下降。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年3月，獲得上海市教委的“大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目”的1萬元資助，學(xué)校配套1萬元（項(xiàng)目號(hào)：10SCX14）。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品圖紙現(xiàn)場(chǎng)演示圖片
使用說明,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)：（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(chǎng)呈正弦分布，從而可以達(dá)到省去定子鐵芯的效果；（2）用非導(dǎo)磁材料制作定子本體，使定子采用無鐵芯結(jié)構(gòu)，降低了電機(jī)的重量；消除了鐵芯損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩以及齒槽效應(yīng)所帶來的起動(dòng)阻力矩，提高了風(fēng)能利用率。適應(yīng)范圍：風(fēng)力發(fā)電廠推廣前景：無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子不存在齒槽結(jié)構(gòu)，可以有效的消除傳統(tǒng)永磁電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；定子的鐵心損耗減為0，提高了電機(jī)效率；同時(shí)，由于不受槽滿率的限制，所以可以通過適當(dāng)增加導(dǎo)線線經(jīng)的方法來降低銅耗；電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力也相應(yīng)的消失，電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量可以大大降低，安裝容易，同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)軸承的使用壽命。經(jīng)濟(jì)效益：無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究在國(guó)內(nèi)停留在初步的理論研究和樣機(jī)試驗(yàn)階段。從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)它的生產(chǎn)成本增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于效益成本，在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合如每年有10萬臺(tái)套生產(chǎn)推廣量計(jì)算，按每臺(tái)稅后利勻500元人民幣計(jì)算，可獲經(jīng)濟(jì)效益5000萬元。
同類課題研究水平概述
- 內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向結(jié)構(gòu)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣隙磁密相對(duì)較小，且轉(zhuǎn)子的可靠性較差；外轉(zhuǎn)子徑向結(jié)構(gòu)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在定子冷卻和安裝運(yùn)輸方面的問題。英國(guó)學(xué)者E.Spooner的具有輔助磁極的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為切向結(jié)構(gòu)和徑向結(jié)構(gòu)的組合，減小了轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體的漏磁，提高了氣隙磁密。但電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵心損耗嚴(yán)重。芬蘭學(xué)者L.Soderlund和法國(guó)學(xué)者Darins.Vizreanu的軸向磁通永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙磁密較低，且電機(jī)徑向尺寸較大、轉(zhuǎn)子之間存在軸向吸力；雙定子中間轉(zhuǎn)子盤式軸向結(jié)構(gòu)雖然可以消除軸向磁拉力。但同等電磁負(fù)荷下，效率較低。荷蘭學(xué)者Henk.Polinder的10MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式，電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的電磁吸力較大，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大，要求電機(jī)有一定的結(jié)構(gòu)剛度，電機(jī)結(jié)構(gòu)重量與電機(jī)總重量的比較大?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)兼有永磁和電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)節(jié)靈活，但結(jié)構(gòu)和控制方式還需改進(jìn)。為了減小鐵耗，消除永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展了對(duì)無鐵心電機(jī)的研究。國(guó)內(nèi)沈陽工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)研究了基于Halbach陣列的盤式無鐵心永磁同步電機(jī)；北京交通大學(xué)研究了無鐵心軸向磁通永磁直流無刷電機(jī)；華中科技大學(xué)研究了軸向磁場(chǎng)無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)和轉(zhuǎn)子無鐵心式直流永磁盤式電機(jī)；中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究了平面氣隙和定轉(zhuǎn)子可分離的無鐵心電機(jī)?？紤]到無鐵心結(jié)構(gòu)的一些缺陷，如漏磁大、氣隙磁密低、轉(zhuǎn)矩密度低、電樞繞組固定困難等因素，一般認(rèn)為：無鐵心永磁同步電機(jī)僅適用于中小功率的電機(jī)。中國(guó)青島德安順加熱器公司打破了發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)外轉(zhuǎn)子的間隙磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，定子采用工程塑料制成，有效降低了啟動(dòng)阻力矩，同時(shí)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(jī)真正做到微風(fēng)啟動(dòng)，且有較高的效率。上海敏動(dòng)機(jī)電有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種高轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它重量較輕,是普通馬達(dá)的1/3-1/2；無鐵芯和繞線,耐高溫, 使用壽命長(zhǎng),輸出功率更高 。深圳安托山公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)了2MW、300rpm半直驅(qū)無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 E.Spooner提出的定子無鐵心永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)直徑和葉片直徑的比過大，空氣動(dòng)力損耗嚴(yán)重。青島安順公司和上海敏動(dòng)公司的無鐵心風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量較小，深圳安托山公司的電機(jī)磁鋼用量較大，達(dá)700kg，使得電機(jī)成本過高。
