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永磁风力发电机气隙流场与全域温度场研究

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容及方法

第二章 基本理论与基础试验

2.1 永磁风力发电机基本结构与理论

2.2 发电机内部流场

2.3 传热学基本理论

2.4槽型结构

2.5 软件简介

2.6 基础实验

2.7 本章小结

第三章 发电机气隙处流场计算

3.1 CFX总体步骤

3.2 模型的建立

3.3 计算结果分析

3.4 对流换热系数计算

3.5 本章小结

第四章 永磁发电机全域温度场分析

4.1 发电机全域温度场计算

4.2 计算结果分析

4.3 不同槽型发电机温度场分析

4.4 不同气隙温度场分布情况

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间科研成果

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摘要

永磁发电机由于省去了电刷、集电环以及励磁绕组,所以具有结构紧凑、便于维护、无励磁损耗、功率因素大和效率高等优点。近年来已在小型风电系统中被广泛应用,但由于完全封闭的结构特点,使其在运行过程中产生的温升不易及时散失,从而引起永磁体高温退磁、输出电流不稳定、效率降低等一系列不利后果。因此,以提高整机效率为目的,研究永磁风力发电机温度场随结构的变化情况及最佳温度分布所对应结构意义重大。本研究为揭示各部件温升规律及其影响因素,针对不同工况下定、转子间气隙流场及不同结构发电机温度场开展了研究。
  首先,以发电机稳态温度场测试数据为依据,采用CFX软件对其定、转子间气隙处流场进行数值分析。通过模拟计算不同转速和载荷对应气隙处流体流速沿径向分布规律,并结合相同工况下转子磁钢表面温度场分布情况,选择最佳运行载荷;再结合经验公式计算得到定、转子表面最优对流换热系数,为全域温度场数值计算提供有效参数。
  然后,以发电机内部流场数值计算所得最优对流换热系数为边界条件,采用ANSYS有限元法对其全域温度场进行模拟计算。分析发现,定子槽型以及气隙长度对发电机整体温升影响较大。针对这一问题,本研究进一步分析了0.025cm~0.065cm的不同气隙长度相应梨形槽、扇形槽、斜肩圆底槽三种齿槽结构的温度场分布情况。结果表明,增大气隙长度、优化定子结构可显著改善发电机内部温度场分布情况;将效率、温升和散热综合考虑,气隙长度为0.055cm所对应的梨形槽结构为最优结构。
  最终,以生热小、散热强为主旨,结合最优结构,找出了最佳运行工况,为有效控制发电机温升问题提供了可靠措施,并为设计离网型风电系统专用永磁发电机提供了理论依据。

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