飞轮储能用永磁电机不同工况下电磁场与温度场的研究

摘要

飞轮储能系统是依靠电机带动飞轮旋转实现能量储存、飞轮带动电机发电运行实现能量释放的，因此，电动/发电机是飞轮储能系统电能与机械能转换的核心部件之一，对整个系统有绝对性的影响。很有必要对飞轮储能用永磁电机不同工况下控制方式与本体结构对电机内部电磁场及温度场的影响进行系统的研究。
　　本文以一台12.5kW飞轮储能用永磁电机为研究对象。研究了永磁电机电动工况时的控制方式，建立了两种控制方式与电机有限元场路耦合系统。对场路耦合系统进行计算，发现，方波控制电机内最大磁密比正弦波控制大。正弦波控制计算结果与实测结果对比，验证了计算方法的准确性。给出了两种控制方式下电机定子铁耗与转子表面涡流损耗随载波比、电机气隙长度的变化规律;此外研究了端部漏感对定转子损耗的影响。本部分的研究，为计算电机温度场奠定基础。
　　永磁电机运行在发电工况时，电机内部电磁场会受整流电路影响，因此，建立了场路耦合系统，研究了发电机恒定转速发电过程电机内部电磁场、定转子损耗及整流后直流电压波动随整流电路滤波电容、电机转速的变化规律。发现，整流电路滤波电容对电机内部电磁场影响很小，但，对输出直流电压波动影响很大。
　　建立了飞轮储能用永磁电机三维全域温度计算模型，对电机不同运行工况时温度场进行了计算。电机运行在电动工况时，对电动机方波与正弦波控制方式下载波比及电机气隙长度、绕组端部漏感对电机温度场的影响进行了研究，从永磁体温度分布曲线得到了永磁体温度变化规律。此外，研究了转子护套结构对电机温度场的影响，发现，采用网状结构能降低永磁体温度。对永磁电机运行在电动工况的温度进行了测试，验证了损耗及其温度计算方法的准确性。电机运行在发电工况时，研究了不同转速时电机各部件温度的变化规律。
　　在前面研究的基础上，研究了飞轮储能充放电控制方式，建立了飞轮储能充电方波与正弦波控制场路耦合系统，对比分析了飞轮储能充电过程不同控制方式下电机电枢电流、电磁转矩及转速的变化情况，研究了两种控制方式下飞轮储能充电过程电机内部电磁场与气隙磁密谐波变化规律。建立飞轮储能恒压放电场路耦合系统，成功实现系统输出直流电压稳定在310V;研究了飞轮储能放电过程电机内部电磁场变化情况，给出了放电过程电机气隙磁密的变化规律。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 序言

1．1 课题研究背景及研究的目的和意义

1．2 飞轮储能工作原理及其关键技术

1．2．1 飞轮储能工作原理及工作模式

1．2．2 飞轮储能系统关键技术

1．3 飞轮储能系统发展现状

1．3．1 飞轮储能系统国外发展现状

1．3．2 飞轮储能系统国内发展状况

1．3．3 飞轮储能用电机研究现状

1．4 本文研究内容

第二章 永磁电机电动工况不同控制方式对电机的影响

2．1 样机本体结构及有限元模型的建立

2．2 方波控制永磁电机场路耦合模型的建立

2．2．1 方波控制永磁电机的数学模型

2．2．2 方波控制永磁电机运行原理及场路耦合模型的建立

2．3 正弦波控制永磁电机场路耦合模型的建立

2．3．1 正弦波控制永磁电机数学模型

2．3．2 正弦波控制永磁电机运行原理及场路耦合模型

2．4 方波控制与正弦波控制方式对电机的影响

2．4．1 方波控制与正弦波控制对电机电压、电枢电流的影响

2．4．2 方波控制与正弦波控制时电机内部磁密分布及转矩波动分析

2．5 正弦波控制样机实验

2．6 方波与正弦波控制方式下载波比、电机气隙长度、绕组端部漏感对对电机的影响

2．6．1 两种控制方式下载波比电机定子铁耗与转子护套涡流损耗影响的研究

2．6．2 两种控制方式下电机气隙长度对电机的影响

2．6．3 两种控制方式下定子绕组端部漏感对电机损耗影响的分析

2．7 本章小结

第三章 永磁电机发电工况研究

3．1 永磁电机发电工况场路耦合模型的建立

3．2 滤波电容对电机的影响

3．2．1 滤波电容对电机内部电磁场及电枢电流的影响

3．2．2 滤波电容对电机定子铁耗与护套涡流损耗的影响

3．2．3 滤波电容对整流电路输出直流电压波动影响的研究

3．3 发电机不同转速时不可控整流电路对电机的影响分析

3．4 本章小结

第四章 永磁电机不同工况时温度场的计算

4．1 永磁电机三维全域温度场有限元模型的建立

4．2 电机各部件导热系数的确定

4．2．1 机壳传热系数的计算

4．2．2 气隙传热系数的确定

4．2．3 绕组等效模型与传热系数计算

4．3 永磁电机电动工况时温度场的计算

4．3．1 方波与正弦波控制不同载波比对永磁电机温度场的影响

4．3．2 方波与正弦波控制不同气隙长度对电机温度影响的分析

4．3．3 方波与正弦波控制定子绕组端部漏感对永磁电机温度场影响

4．3．4 不同转子护套结构对永磁电机温度场影响的研究

4．4 样机电动工况温度测试实验

4．5 永磁电机发电工况时温度场的计算

4．6 本章小结

第五章 飞轮储能控制系统的研究及充放电过程电机内部电磁场的计算

5．1 飞轮储能充电不同控制方式对电机的影响分析

5．1．1 飞轮储能充电方波控制与正弦波控制场路耦合模型的建立

5．1．2 充电过程不同控制方式对电枢电流、电磁转矩、转速的影响

5．1．3 飞轮储能充电过程电机内部电磁场的研究

5．2 飞轮储能恒压放电过程研究

5．2．1 飞轮储能恒压放电场路耦合系统研究

5．2．2 恒压放电过程电机三相电流、电磁转矩及输出直流电压分析

5．2．3 飞轮储能恒压放电过程电机内部电磁场及气隙磁密变化过程

5．2．4 飞轮储能恒压放电过程电机定子铁耗与护套涡流损耗计算

5．3 本章小结

总结

参考文献

作者简介

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