绕线型无刷双馈电机的建模分析与电磁设计研究

摘要

无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，简称BDFM）是一种新型交流电机，能实现异步、同步和双馈等运行方式。这种电机取消了电刷和滑环，具有变频容量小、功率因数可调等优点，在变速恒频和风力发电中具有很好的应用前景。然而就目前来说，这种电机多处于理论研究阶段。本文以绕线转子结构的BDFM为研究对象，针对BDFM在磁场调制机理、有限元分析、建模与仿真、绕组设计和电磁设计等方面进行研究。　　首先，在简要回顾BDFM的发展历史、研究现状和应用前景的基础上，分析了BDFM的工作原理、运行方式以及转差率和功率流向；其次，从电机学的基本理论和电路理论出发，分别从电路和磁路的理论角度阐述了这种电机的磁场调制机理，并建立了有限元模型来加以验证。第三，建立了绕线型BDFM在ABC坐标系下的稳定数学模型和转子速d-q轴的数学模型，然后利用 Matlab/simulink软件建立其d-q轴仿真模型，并对其不同的运行方式进行仿真；第四，探讨了BDFM的绕组设计要求，归纳总结了现有的几种设计方法，即共轭法、变极法、齿谐波法和极幅调制法，并提出了一种新的双绕组设计方法，并用此方法从互感和环流分析的角度验证了这种方法的可行性。第五，对绕线型BDFM极对数选择、主要尺寸确定和电磁负荷选择这些电机设计的一般原则性问题进行了分析和探讨，给出了BDFM的电磁设计流程图，并在此基础上，借鉴普通异步电机的设计程序，利用VB6.0开发了相应的计算程序，并对电磁设计中参数计算、磁路计算和性能计算等进行了一定的分析和研究。　　最后，对一台普通异步电机进行改进，设计了一台54/36槽6/2极绕线型BDFM的实验样机，并对样机在不同的运行方式下进行了相关的实验研究。实验结果验证了这种绕线转子结构的可行性和本文所推导的数学模型及电磁设计方案的正确性。

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第一章 绪论

1.1 BDFM的发展历史

1.2 BDFM的研究现状

1.3 BDFM的应用前景

1.4 本文主要研究内容

第二章 绕线型无刷双馈电机的原理与结构

2.1 绕线型BDFM的运行原理

2.2 绕线型BDFM的绕组结构

2.3 绕线型BDFM的运行方式

2.4 绕线型BDFM的功率流向

2.5 本章小结

第三章 绕线型无刷双馈电机的磁场调制机理

3.1 从磁路分析绕线型BDFM的磁场调制机理

3.2 从电路分析绕线型BDFM的磁场调制机理

3.3 从有限元验证绕线型BDFM的磁场调制机理

3.4 本章小结

第四章 绕线型无刷双馈电机的MATLAB建模与仿真

4.1 绕线型BDFM在静止ABC坐标系下的数学模型

4.2 绕线型BDFM在旋转d-q坐标系下的数学模型

4.3 基于MATLAB/Simulink绕线型BDFM在转子d-q下的数学模型

4.4绕线型BDFM在旋转d-q数学模型下的动态仿真

4.5本章小结

第五章 绕线型无刷双馈电机的绕组设计

5.1 槽号相位图

5.2 定子绕组设计

5.3 转子绕组设计

5.4 本章小结

第六章 绕线型无刷双馈电机的电磁设计初探

6.1 绕线型BDFM的设计思路

6.2 绕线型BDFM的性能指标

6.3 绕线型BDFM的设计原则

6.4 绕线型BDFM的磁路计算

6.5 绕线型BDFM的参数计算

6.6 绕线型BDFM的性能计算

6.7 绕线型BDFM的可视化软件

6.8本章小结

第七章 绕线型无刷双馈电机的样机制作与实验测试

7.1 绕线型BDFM样机的主要设计参数

7.2 绕线型BDFM样机的实验系统

7.3 绕线型BDFM样机的实验分析

7.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢