无刷双馈电机谐波损耗数值分析与电磁方案优化设计

摘要

无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)取消了电刷和滑环，具有运行可靠、变频器容量小、转速和功率因数可调等优点，它既可作为电动机用于交流调速传动系统，也可作为发电机用于变速恒频发电系统，具有广阔的应用前景。然而，BDFM谐波损耗大、效率低，目前还缺乏优化设计的方法。本文依托重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目，针对笼型转子BDFM的谐波损耗计算和优化设计问题进行研究。
　　 首先，简要介绍了BDFM的基本结构、运行方式和电磁设计特点；其次，分析并建立了笼型转子BDFM二维场路耦合时步有限元模型，并利用谐波分析的方法，研究了谐波铜耗和铁耗的计算方法，建立了两种转子铜耗计算模型和三种定转子铁耗计算模型，分析了不同损耗计算模型对转子铜耗和定转子铁耗的影响；第三，利用Ansoft/Maxwell软件，计算并得到了笼型转子BDFM定转子谐波铜耗和铁耗的分布规律，并通过第三方试验数据间接验证了本文计算模型与计算结果的正确性；第四，在对标准粒子群优化(Particle Swarm Optimization，PSO)算法进行分析、讨论的基础上，提出了一种带振荡参数的自适应逃逸粒子群优化(Oscillating Parameter Adaptive Escape PSO，OPAE-PSO)算法，并通过4个测试函数验证了其有效性；最后，以高效率为目标，建立了笼型转子BDFM的优化设计数学模型，采用OPAE-PSO算法，在Visual Basic6.0平台上研发了一套BDFM优化设计软件，对一台4.5kW笼型转子BDFM样机进行了优化设计，并对设计结果进行了对比分析。结果表明，OPAE-PSO算法是一种适用于BDFM优化设计的有效方法，采用该算法后电机的效率得到了明显提升。
　　 本文的研究工作为笼型转子BDFM的损耗计算和优化设计提供了理论基础，提出的优化设计方案对BDFM样机的研制具有参考价值。