新型单定子集成磁性齿轮风力发电机研究

风力发电是转变能源利用方式、对抗能源危机和全球暖化的重要途径。在传统风电系统中，通常需要采用增速齿轮箱来提升风轮机的转速，以匹配发电机的工作转速。而机械齿轮箱将会带来种种弊端。同轴磁性齿轮由于采用不接触磁场传动，具有无需润滑、免维护、过载自保护等优点，因而具备在风力发电中的应用潜力。本项目提出了一种新型的单定子集成磁性齿轮风力发电机，通过将电枢绕组嵌入到磁性齿轮中，使其具备机电能量转换的能力。该集成风力发电机与原有双定子集成磁性齿轮风力发电机相比，具有更高的集成度、更高的磁体利用率和相对简单的机体结构。通过本项目的研究，将建立其理论解析模型；并结合二维数值模型对其静态、瞬态电磁特性进行全面分析；建立三维数值模型，对损耗以及温升进行研究，设计合理的散热装置；总结所述电机的优化设计理论，使系统综合性能达到或接近最优；设计并制造实验样机，进行系统试验评估，验证理论分析的正确性。

在充分搜集和调研风力发电背景项目之后，本项目提出了一种新型的单定子集成磁性齿轮风力发电机。所提出发电机的拓扑结构有个显著的特点，即调磁环位于内外转子中间，电枢线圈巧妙地放在同轴磁性齿轮调磁环的空气槽中。由于消除了机械齿轮，该电机具有高效率，无需润滑维护以及过载自我保护的优点。在执行本项目的过程中，详细阐明了当初提出该电机拓扑结构的缘由，初步论证了该电机适用于风力发电场合的可行性。理论上解释了该电机的工作原理是基于磁场调制。由调磁环引起的磁路的不均匀，该电机内外转子永磁体及电枢电流产生的磁场分别被调磁环调制成很多丰富的磁场谐波，这些有效的磁场谐波对稳定转矩的产生有着很大的贡献。通过二维有限法，验证了在内外层气隙起主要作用的磁场谐波。通过数学分析，确定了该电机输出最大转矩时所对应内转子初始位置角以及所通电流相角之间的关系。为了提高效率，集中研究了同轴磁性齿轮的铁损并找出了降低损耗的方法。为了提高转矩密度，基于前面的分析，最终确定设计这种内转子嵌入特殊形状永磁体的单定子集成磁性齿轮电机。通过表面响应法及遗传算法确定了电机的最佳尺寸。根据最佳尺寸设计和加工了样机。建立了实验平台测试并核实了该电机的性能。共发表论文7篇，其中7篇论文都被SCI和EI收录；申请发明专利6项，包含中国发明专利3项，国际发明专利2两项，已授权实用新型专利1项。培养了客座学生3名。