超导感应电机的建模与分析

摘要

随着人口的增加，工业化和城镇化进程的加快，各种资源特别是能源的需求量大幅度上升，经济发展面临资源特别是能源约束矛盾的问题更加突出。从一次能源到电能的转换几乎100％依赖电机来完成；而在所有的电能消耗中，电机的电能消耗量占总发电量的60％-70％。因此提高电机的效率对于节约能源有十分重要的意义。 目前应用的常导电动机绝大部分是感应电机和永磁同步电机。在这两种电动机中，使用数量最多的是鼠笼式感应电动机。根据美国国内情况调查来看500马力以上的鼠笼式感应电动机的平均输出功率为1500马力左右，总的来说，效率为95％左右，如果使500马力以上的电动机全部超导化后，可使能耗损失减少40％，则效率高达97-98％，推算年节能量为2×10<'9>干瓦时。将超导技术应用于电机是最具有前景和最具挑战性的实现这个目标的技术手段。 现行超导电机研究都是集中在电励磁超导同步电机上。电励磁同步电机是目前超导电机研究最热门的领域，而高温超导体在最广泛应用的感应电机中的应用研究则鲜见报道。日前韩国学者提出了一种新型的高温超导电动机。其通过高温超导块材料的应用，使新型电动机不仅在性能上同时具有常导感应电机和永磁同步电机的优点，避免它们各自的缺点，而且具有高效率、高可靠性等优点。 本课题根据日前韩国学者提出的新型高温超导电动机思想，在普通三相鼠笼型异步电动机的基础上进行的改进和优化。我们采用MATLAB/SIMULINK仿真技术，通过在普通三相鼠笼型异步电动机理论模型的基础上，通过改变转子电阻的大小，来模拟超导材料的性质，对新型感应电动机的思想进行简易的验证。对以后建立高温超导电动机的三维数学模型提供一些依据。 还将采用Ansoft中Maxwell 2D的有限元方法，通过计算机仿真来分析新型超导电机的运行特性和磁场特点。确定高温超导感应型异同步电机的基本结构，进行整体或局部的分析，并进行大量的仿真实验，验证理论分析方法和电机结构的可行性。利用软件仿真实验的方法，模拟各种负载进行实验，分析电流、电压、转速、磁链和转矩等变量，计算电机运行效率，进行验证和参数的优化。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪言

1.1引言

1.2高温超导电动机的研究现状

1.3高温超导电动机的优点

1.4本课题的出发点和研究意义

1.5本课题所研究的超导电动机的结构及机理

第二章超导体的基础知识

2.1超导特性

2.1.1完全导电性

2.1.2完全反磁性

2.1.3伦敦方程

2.2超导材料

2.2.1超导体的分类

2.2.2非理想的第二类超导体(硬超导体)的特性

2.3高温超导材料的最新进展

2.3.1Bi系超导线材

2.3.2柔性金属基YBCO带材进展

2.3.3高温超导块材料的进展

第三章静止两相坐标系下超导感应电机的建模与仿真

3.1高温超导电机在静止坐标系下的简化数学模型

3.2 Matlab/Simulink仿真模型的建立

3.3仿真结果与分析

3.3.1电机空载起动

3.3.2电机负载起动

第四章基于Ansoft/Maxwell 2D的建模与分析

4.1 高温超导电动机电磁场仿真模型的建立

4.1.1电磁场仿真的基本电机模型的选定

4.1.2 Maxwell 2D中仿真模型的建立

4.2电磁场仿真结果及分析

4.2.1仿真结果

4.2.2结果说明和分析

第五章电机结构的优化和改进

5.1电机转子的优化

5.1.1定、转子槽配合的优化

5.1.2改进转子槽形

5.1.3优化前后的仿真结果

5.2电机定子的改进

5.2.1电机定子绕组形式的改进

5.2.2改进后的定子绕组

5.2.3改进后的仿真结果

5.3 电磁场仿真与Simulink仿真结果的对比分析

第六章全文总结和展望

作者学习期间发表的文章

参考文献

致谢