航空用电励磁双凸极电机关键技术的研究

摘要

电励磁双凸极电机（Wound-excited Doubly Salient Machine，WEDSM）因其结构简单，制造方便，工作可靠，气隙磁通调节灵活而受到了广泛的关注，在航空航天，新能源等领域具有潜在的应用价值。WEDSM既可以与二极管不控整流电路组成直流无刷发电机系统，同时它也可以与逆变桥式电路组合作为驱动电动机系统应用。随着电力电子技术的不断发展，航空系统中的电控装置越来越多，发电容量也越来越大，然而，电机运行环境恶劣、易受电磁干扰，可靠性要求高。探索合理的WEDSM绕组结构和它的无位置传感器技术是推动WEDSM技术发展和应用的重要内容。
　　本论文主要致力于对航空用WEDSM的主要关键技术进行研究，其中包括发电机绕组结构与容错特性，电动机的无位置传感器技术。论文概括了双凸极电机的发展历史和WEDSM出现的意义，对现有WEDSM基本电磁特性，容错特性和无位置传感器驱动方法的研究现状进行了分析。对开关磁阻电机和直流无刷电机的无位置传感器驱动方法的研究现状进行了总结。通过对风力发电技术发展以及航空电源技术发展的介绍说明了WEDSM的实际应用前景。
　　论述了WEDSM的基本结构和工作原理，给出了WEDSM发电运行和电动运行时的数学模型，分析了WEDSM的铁损和其他损耗模型，并对WEDSM的基本电磁特性进行了分析。
　　研究了电励磁双凸极发电机（wound-excited doubly salient generator，WEDSG）的定转子极数与容错特性的关系，推导了容错WEDSG的定转子极数比，分析了五相20/8极和20/16极两种WEDSG基本电磁特性，在此基础上，对五相20/16极WEDSG在单相开路故障，单相短路故障，相邻相开路故障，非相邻相开路故障以及相与相之间短路故障下的容错特性进行了理论和仿真分析，并通过一台五相20/16极WEDSG样机实验验证了其具有容错特性。
　　提出了双电枢绕组WEDSG（dual armature-winding WEDSG，DAW-WEDSG）与混合半桥整流电路组成的发电系统，对DAW-WEDSG基本特性进行了研究，包括同一定子极上两套绕组的匝数，绕组结构，空载和加载电磁特性。并将其与相同尺寸的三相单电枢绕组WEDSG（single armature-winding WEDSG，SAW-WEDSG）在开关磁阻发电机（switched reluctance generator,SRG）发电方式与第二种双凸极发电机（doubly salient generator2,DSG2）发电方式下的输出特性进行了对比研究。同时将其与一台相同尺寸五相电励磁双凸极容错电机在三种故障下的容错特性进行了对比分析，分析可知双电枢绕组电机具有与五相电励磁双凸极容错电机一样的容错能力，但双绕组电机的功率密度更高。通过对一台DAW-WEDSG样机和一台相同尺寸的SAW-WEDSG样机进行实验，分别验证了DAW-WEDSG的基本特性和容错特性以及SAW-WEDSG在第二种双凸极发电方式下的基本特性。
　　研究了WEDSM电动运行时不同速度范围无位置传感器检测法，提出了用于初始位置检测的串联自感检测法和端电压法，并考虑励磁电流产生的磁阻转矩对转子位置的影响，同时研究了脉冲注入的时间与频率。提出了低速运行时的换相点脉冲注入法和应用于高速运行的端电压坐标变换法，并对低速与高速间的切换算法进行研究。最后通过实验分别验证各种转速范围无位置方法的可行性。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1双凸极电机结构的发展

1.2电励磁双凸极发电机研究现状

1.3 无位置传感器技术研究现状

1.4电励磁双凸极电机的应用前景

1.5本文的研究意义及内容结构安排

第二章 电励磁双凸极电机基本电磁特性

2.1 引言

2.2 电机结构

2.3数学模型

2.4 电机的工作原理

2.5 本章小结

第三章 五相电励磁双凸极发电机基本特性研究

3.1 引言

3.2 WEDSG的容错结构

3.3五相20/16极WEDSG容错特性分析

3.4 实验验证

3.5本章小结

第四章 双电枢绕组电励磁双凸极发电机

4.1引言

4.2 电机结构与工作原理

4.3 不同发电方式比较研究

4.4 损耗分析

4.5容错特性

4.6 实验结果

4.7本章小结

第五章 电励磁双凸极电机无位置传感器技术

5.1 引言

5.2 电机结构

5.3 初始位置检测技术

5.4 低速无位置检测技术

5.5 中、高速无位置检测技术

5.6 切换算法

5.7 实验结果与分析

5.8 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文的主要工作与创新点

6.2 进一步的工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录