大容量高温超导永磁风力发电机关键技术研究

Large scale MW wind turbine generators have been highlighted recently due to its economic benefit. In this project, the high temperature superconducting (HTS) technologies and permanent magnet motor(PM) technologies will be combined, a novel design of HTS/PM wind turbine generator will be proposed. In this proposal, a numerical analytical model of HTS/PM wind turbine generator with modern advance optimization algorithm will be applied. A design and multi-objective optimization platform will be built accordingly. The electrical-magnetic, thermal, mechanical field coupled FEM models will be built to analyze the behavior of the generator. A 30kW prototype will be manufactured and tested based on the design. The test result will be compared with the expected theoretical design results. The design will be optimized to improve the critical technologies such as: AC losses reduction in HTS coils and the cryogenic system of HTS coils. A complete design procedure will be achieved after this project. The proposed HTS/PM wind turbine generator has the inherent merits in terms of high efficiency and high power density. The research will promote the development of HTS and PM technology, therefore will provide important theoretical and practical foundation for further research.

大兆瓦级容量的风力发电机由于其经济性已经成为目前风力发电机发展的热点。本项目将高温超导技术和永磁电机技术相结合，提出一种新型的高温超导永磁混合型发电机的设计方案。建立高温超导永磁混合型风力发电机的数学解析模型，采用先进的优化算法，在此基础上搭建设计与多目标优化平台；建立其电磁学、热力学、力学等多物理场耦合的有限元仿真模型，分析其电磁场、温度场、力学场等性能。在此基础上完成30kW原理样机的搭建，并通过系统实验对相关成果进行验证完善，解决超导线圈交流损耗分析、超导线圈冷却系统设计等关键技术问题，从而构建完整的新结构高温超导永磁混合型风力发电机的理论体系。本项目所研究的大容量高温超导永磁发电机，具有高效率和高功率密度的特点，其研究将促进高温超导技术、永磁电机技术的发展和工程应用，具有重要的理论和实用价值。

项目组围绕大容量超导永磁风力发电机系统结构研究、电机电磁性能设计与优化、高温超导线圈绕组设计以及系统设计等开展研究。对比分析了有铁芯和空气芯两种定子结构的超导电机的气隙磁密、额定电压、负载转矩及其波动、交流损耗以及电机效率等性能，提出了更加适合超导材料引入的大型永磁发电机结构；设计并制造了原理性超导电枢绕组，计算了其3D磁场的特点，进行了绕组线圈临界电流的评估以及交流损耗的有限元计算与实验测定；建立了超导电机的混合式解析模型，利用气隙边界的等效电流来定量描述电机的铁芯饱和情况，解决传统解析法忽略铁芯饱和的最大问题，并提高计算速度；重点研究了外磁场的方向对于超导带材的影响，提出了一种基于槽内漏磁方向的有效降低交流损耗的方法；可靠性方面，着重分析了高电枢电流情况下线圈的失超保护以及永磁体的抗退磁能力；提出大容量、高功率密度、高可靠性的风力发电机的设计与优化方案。该项目的实施为10MW级大容量高温超导永磁混合型风力发电机的设计开发和制造工艺等的发展提供了有效的技术支撑。结合该项目的研究，完成研究报告一份，搭建超导线圈实验平台一套，共培养硕士研究生2名，博士研究生3名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文12篇，其中被SCI收录9篇，申报国家发明专利3件，授权1件。