飞轮脉冲电源放电过程及其同步电机铁耗分析与计算

摘要

飞轮脉冲电源是基于飞轮储能系统并用于脉冲负载的一种新型电源，与其它类型脉冲电源相比，具有功率密度大、能量转换效率高等优点，因此在航天、航空、舰船等诸多领域有着广阔的应用前景。本文从损耗的角度出发，深入研究了飞轮脉冲电源放电过程的动态性能及其同步电机的损耗分布。
　　 本文首先介绍了飞轮脉冲电源的组成与工作原理，在dq0坐标系下推导了同步电机的瞬态模型，通过两个实验验证了该模型的正确性。然后基于同步电机的瞬态模型建立了飞轮脉冲电源放电过程的计算模型，并对这个模型做了仿真分析。
　　 其次介绍了铁耗产生的物理原理及分类，推导了Bertotti铁耗分立模型在交变磁化和旋转磁化条件下的计算公式，介绍了铁磁材料铁耗曲线的测量方法。采用有限元方法，并结合铁耗分立模型和谐波分析法建立了电机的铁耗计算模型。
　　 研究了飞轮脉冲电源放电模型和同步电机铁耗模型两个模型之间的耦合关系，提出了两种场路耦合的方法来实现两个模型之间的解耦，即瞬态时步法和周期时步法。通过Matlab对有限元软件ANSYS的二次开发来实现提出的算法。本文还对放电过程中电机的热分析进行了研究，采用有限元法求解了同步电机内部的热场分布。
　　 本文最后搭建了一个飞轮脉冲电源的实验平台，并通过4组实验结果与计算结果的对比分析，验证了本文提出方法的可行性。