摘要摘要全力发展风电是实现我国“双碳”目标的重要举措之一，已成为中国重大战略需求。低风速风电是我国风电重点研发领域之一。垂直轴风电机组因无需偏航，可以有效应对低风速风电场风向变化频繁的工况，非常适合于低风速风电场。针对现有垂直轴风电系统启动阻力矩较高、风能利用率较低的问题，本文提出低齿槽转矩、低损耗的低风速磁悬浮垂直轴风力发电机及悬浮电机的设计的具体方案。其中，垂直轴风力发电机为主发电机，采用内转子永磁直驱型风力发电机：悬浮电机采用混合励磁的盘式电机，以降低启动阻力矩、调控悬浮阻尼。主要工作内容如下：第一，针对主发电机的设计特点及...

  摘要摘要全力发展风电是实现我国“双碳”目标的重要举措之一，已成为中国重大战略需求。低风速风电是我国风电重点研发领域之一。垂直轴风电机组因无需偏航，可以有效应对低风速风电场风向变化频繁的工况，非常适合于低风速风电场。针对现有垂直轴风电系统启动阻力矩较高、风能利用率较低的问题，本文提出低齿槽转矩、低损耗的低风速磁悬浮垂直轴风力发电机及悬浮电机的设计的具体方案。其中，垂直轴风力发电机为主发电机，采用内转子永磁直驱型风力发电机：悬浮电机采用混合励磁的盘式电机，以降低启动阻力矩、调控悬浮阻尼。主要工作内容如下：第一，针对主发电机的设计特点及性能指标要求，完成基于传统径向充磁的永磁同步发电机的初步设计。通过等效磁路法(MEc)和有限元法(FEM)结合法，建立径向充磁永磁同步发电机的仿真模型，探究发电机在不同工况下的运行性能，使其性能达标。第二，在深入研究Halbach充磁磁极特点的基础上，为进一步提升发电机性能，采用Maxwell 2D软件，建立充磁角度分别为900、60。及450的Halbach阵列发电机模型，对不同充磁方式下的发电机进行详细仿真与比较。根据结果得出，Halbach阵列可以优化发电机气隙磁密、反电动势、齿槽转矩以及电磁转矩等性能指标，验证了采用Halbach阵列的发电机的优越陆。其中，以450充磁角度的Halbach阵列为最佳。第三，针对主发电机低启动力矩、低损耗以及平稳运行的要求，以齿槽转矩和铁耗为优化目标，对Halbach阵列永磁同步发电机来优化设计，以实现低风速发电。在深入分析齿槽转矩产生机理的基础上，结合能量法推导出齿槽转矩和磁极参数、定子结构参数之间的解析式，提出改变永磁体充磁角度、定子槽口尺寸及转子分段斜极三种削弱齿槽转矩的方式，探索不同充磁方式对涡流的影响，计算发电机损耗及效率。仿真根据结果得出，齿槽转矩、铁耗均得到一定效果改善，启动阻力矩变小，效率提高提高至91．62％。然后，对优化后的主发电机做综合分析。根据结果得出，优化后的发电机，其反电动势波形、输出转矩脉动等都得到一定效果改善，更适用于低风速发电场合。第四，对悬浮电机进行设计、仿真验证。悬浮电机采用盘式电机结构：为实现悬浮力可控、能耗低，悬浮电机采用定子混合励磁：为了削弱齿槽转矩，将转子槽设计为斜槽。首先阐述悬浮电机的拓扑结构及工作原理；其次，依据磁路计算确定悬浮电机定转子尺寸参数；最后，基于Maxwell 3D软件建立悬浮电机模型，分别对静态场、瞬态场进行仿真分析，根据结果得出，悬浮电机产生的悬浮力、感应电动势、齿槽转矩、输出转矩等性能指标均契合设计要求。关键词：风力发电，低风速，垂直轴风电机组，磁悬浮，Halbach阵列，永磁同步发电机，盘式电机，发电机优化设计，有限元分析万方数据