磁通切换型聚磁式横向磁通永磁风力发电机研究

风力发电正朝着大型化、高效率、高可靠性和低成本方向发展，海上风电已成为未来风电发展的重点。本项目将磁通切换原理和聚磁方式与横向磁通永磁电机有机结合，提出了一类具有新型拓扑结构和高功率密度的磁通切换型聚磁式横向磁通永磁发电机（FSFC-TFPMM），巧妙地解决了横向磁通永磁电机的一个共性不足，使其定子铁心数增加一倍，并具有聚磁特征，显著地增加了电机的每极磁通量，提高了功率密度，具有明显的原创性。本项目研究这类电机实现磁通切换和聚磁特征的最佳拓扑结构，掌握其参数计算以及性能分析方法，通过多目标优化设计，努力提高功率密度，减小电机体积，同时减少漏磁，提高功率因数；建立该电机及控制系统的仿真模型，搭建并网发电系统，结合该电机的特点，仿真并实验研究最大风能追踪的控制方法和控制策略。本项目不仅可以丰富电机形式，而且有助于提高我国大型风力发电机设计与控制的基础研究水平，积累核心技术和自主创新能力。

横向磁通永磁电机（TFPMM）是一种电路与磁路在结构上完全解耦的新型永磁电机，相比传统的径向和轴向磁通永磁电机具有较高的转矩密度，且易于实现多极化，在低速大容量风力发电领域具有广阔的应用前景，对其设计、分析、优化及在风力发电系统中的控制进行研究具有重要的理论意义和工程价值。. 本课题在广泛研究国内外已有TFPMM的基础上，创新性地提出了一种新型的磁通切换型聚磁式横向磁通永磁同步电机（FSFC-TFPMM），对该电机的拓扑结构、运行原理进行了详细地分析，并对电机的电磁设计、分析理论以及电机优化等方面进行了全面深入的研究。此外，搭建了直驱式并网风力发电系统（WPGS）的仿真系统与实验平台，对其主电路的拓扑结构，以及发电机侧和电网侧控制器的控制策略与控制算法进行分析设计并加以改进。在此平台上，对FSFC-TFPMM应用于风力发电的控制技术进行了深入研究探讨。项目主要的研究内容和取得的成果如下：.（1）深入研究了FSFC-TFPMM的结构特点与运行原理，给出了电机的电磁与结构参数的设计方法，采用三维有限元法（3D-FEM）对该电机在空载与负载时的磁场分布特征进行了分析，计算了绕组磁链、感应EMF、绕组电感以及定位力矩等电磁性能参数。.（2）分别设计制作了单相与三相FSFC-TFPMM样机并进行实验测试，对发电机的外特性、定位力矩等参数进行了测量，验证了电磁设计的正确性，并以减少电机定位力矩为目标对该电机的结构参数进行了优化。.（3）构建了基于Matlab/Simulink的仿真系统和以TMS320F2812 DSP为核心的实验平台。通过电机侧和电网侧的协调控制，实现了MPPT和整个WPGS稳定运行。将FSFC-TFPMM应用于直驱式WPGS，根据其自身的特点提出了适合于该发电机的控制方式，仿真与实验结果验证了该新型电机运用于WPGS中的可行性与有效性。.（4）对双C形定子铁心FS-TFPFM和E形FSFC-TFPMG这两种新结构发电机进行了初步的有限元分析，给出了一些重要的结果。. 基于本项目的研究工作，发表论文20篇，SCI收录8篇。申请发明专利9件，获发明专利授权5件。