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研究生: 楊博超
Po Tsao Yang
論文名稱: 参仟瓦低頓轉扭矩風力發電機之研究
Investigation of Three-kilowatt Wind Power Generator with Low Cogging Torque
指導教授: 王培仁
Pei Jen Wang
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 90
中文關鍵詞: 風力發電機霍巴理論低頓轉扭矩
外文關鍵詞: Wind Power Generation, Halbach Theory, Low Cogging Torque
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  • 摘 要

    隨著近年來風電技術大幅提昇及市場需求快速增加,風力發電已慢慢從輔助性轉為主力能源之ㄧ,風電能提供潔淨無污染之綠色電能,有能源與環保之雙重貢獻。而風力發電機在國內的研究仍屬少數,本研究著重於風力發電機(Wind Power Generator)的功率密度、效率與低頓轉扭矩之研究。首先對傳統的發電機進行探討,分析其基本磁路設計,再採用Klaus Halbach的磁路設計理論,進行模擬驗證後確認此理論可信度,對此理論結構做尺寸因子與磁石延展角、間隙的電磁分析實驗後,應用霍巴陣列(Halbach Array)的高磁密弦波輸出,設計新型無槽無鐵心式風力發電機,並使用模擬軟體將其進行建模與參數分析,接上負載與三相全橋式整流電路,觀察不同輸出時之工作特性與效率,最後比較此結構設計與傳統風力發電機在整體尺寸、工作特性與成本之差異性。

    關鍵詞:風力發電機、霍巴理論、低頓轉扭矩


    ABSTRACT
    As the technology in wind power generation has advanced and the market has rapidly grown in recent years, wind power has gradually switched from auxiliary to primary utility sources with green energy without pollution which contributes to both environmental and energy consideration. Since researches in wind power generators are still scarce in Taiwan, this thesis focuses on the analysis of power density, efficiency and cogging torque of small wind-power generators. We first review the traditional generator and analyze the magnetic circuits; and, we adopt the Halbach magnetic theory for our new design. We further verify the design via computer simulations on size effects, extended angles, and interleaves of magnet. The design of wind power generator provides sinusoidal magnetic flux density in slotless and coreless structure given by Halbach Array. After preliminary design is done, computer simulations in static and dynamic conditions are conducted with output performances with rated load under either Y or bridge-rectified DC connection. Finally, pros and cons between the proposed design and traditional design are concluded on performances and costs.

    Keywords:Wind Power Generation, Halbach Theory, Low Cogging Torque

    目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VII 表 目 錄 XI 符 號 文 字 說 明 XII 1 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 文獻回顧 3 2 第二章 理論分析 14 2-1 感應電動勢之計算 14 2-2 電樞常數之計算 16 2-3 永磁工作點分析 18 2-4 霍巴陣列理論分析 19 3 第三章 電腦輔助工程電磁分析 29 3-1 電磁場分析軟體簡介 29 3-2 永磁材料分析 33 3-3 二維磁場模擬分析 33 3-3-1 霍巴陣列理論驗證與分析 33 3-3-2 線型霍巴陣列模擬分析 35 3-3-3 環型霍巴陣列模擬分析 37 4 第四章 參仟瓦風力發電機設計與分析 56 4-1 設計規格 56 4-2 幾何結構 57 4-3 完整建模與靜磁模擬 58 4-4 線圈建模與暫態模擬 59 4-4-1 線圈軸向長度 60 4-4-2 線圈串聯方式 61 4-4-3 線圈截面積 61 4-4-4 誤差修正與討論 62 4-5 輸出負載線 63 4-5-1 Y接負載 63 4-5-2 整流負載 64 5 第五章 結果與討論 85 5-1 結論 85 5-2 未來工作 86 參考文獻 88 圖 目 錄 圖 1 1 全球風力發電裝置容量成長圖[1] 7 圖 1 2 全球前十名國家裝置風力發電容量比較圖[1] 7 圖 1 3 左為軸向磁通式,右為徑向磁通式[2] 8 圖 1 4 磁性材料磁能積趨勢[10] 8 圖 1 5 Maslov發電機結構[11] 9 圖 1 6 Maslov轉子結構,左為二永磁式,右為三永磁式[11] 9 圖 1 7 左為TORUS-NN型,又為TORUS-NS型[14] 10 圖 1 8 模擬模型種類[15] 10 圖 1 9 Halbach設計的磁石排列方式[5] 11 圖 1 10 Ofori-TenKorang的比較結果[16] 11 圖 1 11 Jeong的磁路方式與磁力線分佈[17] 12 圖 1 12 Jeong的比較結果[17] 12 圖 1 13 霍巴磁環與傳統排列模型[19] 13 圖 1 14 兩種磁石結構磁密分布圖[21] 13 圖 2 1 釹鐵硼N35的材料特性 26 圖 2 2 基本磁路模型 26 圖 2 3 工作點 27 圖 2 4 線性霍巴陣列磁力線分佈 27 圖 2 5 線性霍巴陣列示意圖 28 圖 3 1 線型永磁兩種磁極方向 42 圖 3 2 環型永磁三種磁極方向 42 圖 3 3 磁鐵表面磁密分布,左為線型,右為環型 43 圖 3 4 磁鐵有間隙結購示意圖 43 圖 3 5 磁鐵無間隙結購示意圖 43 圖 3 6 有間隙型磁通密度分佈圖 44 圖 3 7 無間隙型磁通密度分佈圖 44 圖 3 8 有間隙型氣隙中央處磁密變化圖,磁石間隙為5mm 45 圖 3 9 無間隙型氣隙中央處磁密變化圖 45 圖 3 10 雙層線性霍巴陣列 46 圖 3 11 單層線性霍巴陣列,下方為矽鋼片 46 圖 3 12 單層線性霍巴陣列觀測線、點圖 46 圖 3 13 無矽鋼片,上為氣隙磁密橫向分佈圖,下為縱向分佈圖 47 圖 3 14 有矽鋼片,上為氣隙磁密橫向分佈圖,下為縱向分佈圖 48 圖 3 15 各因子對氣隙中央磁密的影響 (a)無矽鋼片(b)有矽鋼片 49 圖 3 16 各因子對偏差比的影響 (a)無矽鋼片(b)有矽鋼片 50 圖 3 17 各因子靈敏度分析 51 圖 3 18 試驗編號7矽鋼片對氣隙磁密的影響 51 圖 3 19 交錯排列氣隙磁密分佈圖,上為橫向,下為縱向 52 圖 3 20 霍巴排列氣隙磁密分佈圖,上為橫向,下為縱向 53 圖 3 21 磁石排列方式對氣隙磁密影響比較圖 54 圖 3 22 永磁延展角實驗結構示意圖 54 圖 3 23 永磁延展角實驗結果 55 圖 3 24 永磁間隙實驗結構示意圖 55 圖 3 25 永磁間隙實驗結果 55 圖 4 1 合作廠商之發電機示意圖,右為單塊永磁形狀 71 圖 4 2 釹鐵硼N35永磁工作點 71 圖 4 3 徑向霍巴陣列發電機結構示意圖 72 圖 4 4 觀測線位置 72 圖 4 5 不同高度氣隙磁密變化 73 圖 4 6 永磁上方漏磁 73 圖 4 7 單相單組線圈示意圖 74 圖 4 8 線圈電流方向 74 圖 4 9 不同軸向長度線圈 (a)80 (b)90 (c)100 (d)110 (e)120 (f)130mm 75 圖 4 10 線圈軸向長度對感應電壓影響模擬結果 76 圖 4 11 外接電路串連單組線圈 76 圖 4 12 導線串接線圈示意圖 77 圖 4 13 線圈串接方式對感應電壓關係圖 77 圖 4 14 不同截面積單組線圈 78 圖 4 15 磁力線分布示意圖。(a)有槽有鐵心 (b)無槽無鐵心 78 圖 4 16 (a)三相平衡Y接負載 (b)單相等效電路 79 圖 4 17 開路A相感應電壓諧波成分圖形 79 圖 4 18 滿載負載電壓與電流波形圖 80 圖 4 19 發電機於不同輸出時之電壓電流 80 圖 4 20 發電機於不同輸出時之功率與效率 81 圖 4 21 三相全橋式整流負載電路圖 81 圖 4 22 整流A相線圈電流波形圖 82 圖 4 23 整流滿載下三相與負載電壓波形圖 82 圖 4 24 整流滿載下A相與負載電流波形圖 83 圖 4 25 整流後不同輸出時之電壓電流 83 圖 4 26 整流後不同輸出時之負載輸出功率 84 圖 4 27 整流後不同輸出時之負載效率 84 表 目 錄 表 3 1 理論之數值模擬驗證 39 表 3 2 單雙層線性霍巴陣列比較 39 表 3 3 三因子三水準實驗設計值 39 表 3 4 線性霍巴陣列之尺寸試驗結果 40 表 3 5 永磁延展角實驗設計值 41 表 3 6 永磁間隙實驗設計值 41 表 4 1 馬達框號模擬結果 67 表 4 2 內環厚度與氣隙磁密關係 67 表 4 3 單槽繞線(32極96槽)排列方式 67 表 4 4 雙槽繞線(32極36槽)排列方式 67 表 4 5 設計結果尺寸比較 68 表 4 6 佔槽率測試結果 69 表 4 7 佔槽率與修正係數對應表 69 表 4 8 整流負載輸入功率RMS 70 表 4 9 整流負載輸出功率RMS 70

    參考文獻

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