本文以国家自然科学基金重点资助项目为背景,针对现有无刷双馈发电机转子耦合能力不强、电机中谐波磁场较大和功率密度较低等突出问题,提出了一种具有新型机械结构、传动型式以及冷却结构的兆瓦级半直驱笼障转子耦合双定子无刷双馈风力发电机。论文研究的主要内容包括以下几个方面:(1)提出了双定子电机新型拓扑结构,阐述了兆瓦级半直驱笼障转子耦合双定子无刷双馈风力发电机运行系统,综合考虑风力发电机结构设计方法以及目前国内外双定子电机结构设计型式,详细比较现有双定子电机拓扑结构优缺点,对所提出的兆瓦级半直驱笼障转子耦合双定子无刷双馈风力发电机进行机械结构设计。利用解析推导和有限元仿真确定机座与外定子之间装配过盈量选取方法,分析了机座的受力、形变以及模态,对机座结构进行改进。为支撑内定子结构,设计了一种新零部件,即空心静止轴,利用有限元仿真确定静止轴与内定子之间装配方式,研究静止轴内外径对受力和形变的影响规律。比较和分析了不同转子笼障结构方案,确定转子结构型式,对比分析了转子笼障燕尾结构参数对受力和形变的影响。(2)以兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机为研究对象,分析了转子笼障结构中笼条电流对气隙磁场的影响,推导出笼障转子无刷双馈电机气隙磁场解析表达式,以此为基础利用麦克斯韦定律推导出考虑转子笼条电流以及控制绕组变频电流时间谐波在内,定子铁心内表面单位面积径向电磁激振力波的解析表达式。分析识别了对电磁振动起主要影响的电磁激振力波频率,采用有限元方法计算机座固有频率,分析了力波频率对机座振动的影响。(3)针对兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机因机械结构复杂而导致温度难以准确计算问题,建立了考虑整机结构的热网络温度计算模型,利用解析法推导出特殊结构零件之间(转子笼障结构、隔磁环以及空心静止轴)热阻数学模型,开发了该种新型电机稳态温度计算软件平台,采用有限元方法计算各结构稳态温度,比较两种方法所得温度结果,验证了本文针对兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机所提出的热网络计算模型的合理性和有效性。(4)针对兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机整体温度较高问题,提出了采用双水冷、空冷+双水冷混合两种方案作为该种新型发电机冷却结构,对比分析了不同水道结构优缺点,确定了机壳内水道结构型式。利用解析推导和有限元仿真研究了机壳内不同水道数量、截面积、流速以及进出水口尺寸对外单元电机冷却效果的影响;利用有限元方法比较了不同内定子“U”型水管数量和进出水口尺寸对内单元电机冷却效果的影响。针对空冷+双水冷混合冷却方案中利用空气进行冷却,采用有限体积法研究了结构内部空气的流变特性,对风路结构进行改进。利用有限元方法对分别采用双水冷以及空冷+双水冷混合两种冷却结构该种发电机的稳态温度场进行了仿真,比较了不同冷却方案温度分布结果,确定了兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机的冷却结构。(5)为了验证兆瓦级半直驱笼障转子双定子无刷双馈风力发电机机械结构、传动型式以及冷却结构设计方法的合理性和有效性,加工和制造了与兆瓦级发电机在机械结构、传动型式以及冷却结构均相同,仅体积缩小的50kW原始样机以及结构改进后样机。搭建了振动与噪声试验平台,测试了样机在额定转速和负载条件下的振动与噪声。搭建了温度试验平台,测试了样机在额定转速下,不同负载、不同机壳内水道以及内定子“U”型水管内流量,以及功率绕组和控制绕组互换励磁等情况下内外定子绕组温度随时间的变化曲线。通过实验研究验证了本文针对兆瓦级半直驱笼障转子耦合双定子无刷双馈风力发电机所提出的机械机构、传动型式以及冷却结构设计思路和方法的合理性和有效性。