新型磁阻式无刷双馈电机研究及其应用

摘要

无刷双馈电机具有结构简单、无滑环电刷等优点，在交流调速领域和变速恒频恒压发电方面均展现出了良好的应用前景。为推动这一新型电机的工业化应用进程，本文以绕线辅助磁阻式这一新型磁阻式无刷双馈电机为研究对象，在电机数学模型、电机设计、参数计算等方面做了深入的探索，并在无刷双馈发电系统中电机的运行特性做了仿真和实验研究。论文的主要工作和创新点如下:
　　1、分析了特殊笼型、磁阻式和绕线式无刷双馈电机定、转子结构和电机运行原理，然后依据无刷双馈电机的异步化运行的同步电机的特点，把磁阻式结构与绕线式转子结构相结合，充分发挥两种结构的优点，提出一种具有绕线辅助磁阻式无刷双馈电机的转子结构。该种转子结构将现有的磁阻式结构与绕线式转子结构相结合，既保持了绕线转子绕线接线方式非常灵活，还发挥了磁阻式转子对磁通的导向作用，改善电机的磁场调制效果，可以很好的实现转子与定子两套绕组耦合能力实现最大化。
　　2、根据新型磁阻式无刷双馈电机转子结构特点，首先定义了两个轴线:磁阻最大路径轴线m轴和磁阻最小路径轴线n轴。与常规电机不同，m轴、n轴之间的电角度并不相互垂直。定子三相功率绕组磁动势分解到m轴、n轴实现解耦，三相控制绕组磁动势亦可通过同样的方法实现解耦，进而推导出转子同步速无刷双馈电机数学模型。
　　3、为得到无刷双馈电机等效电路，本文对新型磁阻式无刷双馈电机进行了详细的分析，依据绕线式转子与磁阻式转子具有相似的磁场调制作用，并从定子功率绕组和控制绕组的电磁耦合关系来看，在不需要研究转子内部电磁过程、转子绕组中电流等变量的情况下，可采用略去中间过程，直接计算两侧耦合结果的方法分析新型磁阻式无刷双馈电机的稳态等效电路。
　　4、对转子极弧系数、隔磁层与其之间导磁层宽度的比值、隔磁层数、串联导体数、内凸极轴线和绕组轴线的相对位置、绕组连接方式等参数对新型磁阻式无刷双馈电机磁场耦合能力的影响进行了分析，为了保证参数的统一性，这里保持定子侧完全相同，最终得到新型磁阻式无刷双馈电机的新型混合转子的优化结构尺寸及高次谐波较低的新型绕组。
　　5、研究并给出了无刷双馈电机定转子槽配合、极数选择的依据，以及极数配合对电机性能的影响。分析电机的电负荷和磁负荷对新型绕线辅助磁阻式无刷双馈电机的主要尺寸设计的影响，进而分析在电、磁负荷允许的范围内，尽可能减小电机体积，以增大无刷双馈电机的功率密度的条件。
　　6、分析了1/3对极新型磁阻式无刷双馈电机的径向电磁力波，经理论推导得出基波磁场相互作用形成的径向电磁力波是使无刷双馈电机产生变形的主要原因。利用有限元仿真软件仿真其径向电磁力，再通过傅里叶分析结果和理论分析相比较，证明了理论分析的合理性。最后以YZR250为基础，设计了一台30kVA风力发电用无刷双馈发电系统样机，并对该电机在风力发电方面的应用做了详细的分析，通过仿真和样机实验验证了样机的空载和负载特性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 无刷双馈电机的发展历史和研究现状

1．2 无刷双馈电机的基本原理

1．2．1 无刷双馈电机的工作原理

1．2．2 无刷双馈电机的运行方式

1．3 无刷双馈电机的研究意义

1．3．1 无刷双馈电机作为电动机应用于变频调速系统的研究意义

1．3．2 无刷双馈电机作为发电机应用于变速恒压恒频发电系统的研究意义

1．4 本文的研究背景和来源

1．5 本文的研究内容

第二章 新型磁阻式无刷双馈电机的定转子结构设计

2．1 无刷双馈电机的定子结构

2．2 无刷双馈电机的转子结构和设计原理

2．2．1 特殊笼型转子结构

2．2．2 磁阻式转子结构

2．2．3 绕线式无刷双馈电机的转子结构和设计原理

2．3 新型磁阻式无刷双馈电机的转子结构和设计原理

2．3．1 新型磁阻式无刷双馈电机的转子磁阻结构

2．3．2 新型磁阻式无刷双馈电机的转子绕线结构

2．4 本章小结

第三章 新型磁阻式无刷双馈电机的数学模型

3．1 新型磁阻式无刷双馈电机的通用分析模型

3．1．1 功率绕组的自感与互感

3．1．2 控制绕组的自感与互感

3．1．3 转子绕组的自感与互感

3．1．4 定转子之间的互感

3．2 新型磁阻式无刷双馈电机的d-q轴数学模型

3．3 新型磁阻式无刷双馈电机的等效电路

3．4 本章小结

第四章新 型磁阻式无刷双馈电机的转子耦合能力研究与参数优化

4．1 极弧系数的选择

4．2 导磁层与隔磁层宽度的比值对磁场调制能力的影响

4．3 隔磁层数对磁场调制效果的影响

4．4 串联导体数对磁场调制效果的影响

4．5 内凸极轴线和绕组轴线的相对位置对磁场调制效果的影响

4．6 转子结构与绕组连接方式对磁场调制效果的影响

4．7 本章小结

第五章 新型磁阻式无刷双馈电机的电磁设计与特性仿真

5．1 关键额定数据的选择

5．1．1 极对数选择

5．1．2 槽配合选择

5．1．3 容量选择

5．2 主要尺寸和电磁设计参数的选择

5．3 新型磁阻式无刷双馈电机的特性仿真

5．4 新型磁阻式转子、改进磁阻式转子与磁阻式转子无刷双馈电机性能对比

5．5 本章小结

第六章 新型磁阻式无刷双馈发电机的仿真和实验研究

6．1 新型磁阻式无刷双馈电机电磁力波的理论及仿真研究

6．1．1 新型无刷双馈电机的气隙磁密仿真分析

6．1．2 新型磁阻式无刷双馈电机的径向磁力波分析

6．2 实验平台

6．2．1 实验样机

6．2．2 实验测试平台

6．3 新型磁阻式无刷双馈电机的动态特性仿真与样机实验验证

6．3．1 发电机空载时动态特性仿真与样机实验验证

6．3．2 发电机负载时动态特性仿真与样机实验验证

6．4 本章小结

第七章 全文总结及展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文目录