五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法

摘要

本发明公开了五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法，属于定子双绕组异步发电机的技术领域。本发明提出了一种五相定子双绕组异步电机，定子双绕组为一套星形整距集中结构的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，功率绕组和控制绕组均为单层绕组且具有相同的极对数，紧耦合的功率绕组和控制绕组分上下两层同槽安放在定子槽中；采用谐波注入的非正弦供电技术，以电机体积和质量最小为目标，对电机参数进行迭代优化，改善了电机气隙磁密的波形使其为准方波，充分利用了铁芯，改善电机的饱和，并且提高了电机转矩密度和功率密度。

说明书

技术领域

本发明公开了五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法，属于定子双绕 组异步发电机的技术领域。

背景技术

多电/全电飞机与传统飞机相比，具有结构简单、重量轻、可靠性高和可维护 性好等优点，近年来得到了飞速发展。飞机电源系统经历了几十年的发展，从低 压直流电源系统、恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统，演变到如今 的高压直流电源系统和变频交流电源系统，逐步实现了飞机电源系统的大容量、 高性能、高功率密度、高效率、高可靠性等要求。纵观国内外飞机电源系统的发 展、研究及应用情况，高压直流电源系统和变频交流电源系统是飞机电源的发展 趋势。

1997年美国NASALewis研究中心的专家们根据他们多年研究成果指出对于 未来飞机电源系统，笼型异步电机有可能作为航空发电机，值得全面深入研究。 关于航空用异步电机高压直流发电系统，我国也较早地开展了相关研究工作。从 1998年开始，南京航空航天大学就一直对270V三相笼型异步高压直流发电系统 进行研究，并研制出了18kW样机。这进一步表明笼型异步电机应用于飞机高压 直流发电系统是可行的。而多相异步电机因其具有适合大功率应用、控制灵活、 转矩脉动小、可靠性高等优点，目前已在军用、民用多种场合得到了应用。特别 是，与非正弦供电技术相结合，还可以降低磁密峰值使气隙磁密波形为准方波， 从而充分利用电机铁芯，达到提高电机转矩密度和功率密度的目的。定子双绕组 异步电机发电系统是近几年来出现的一种新型异步电机。从1999年美国田纳西 理工大学的OjoO.教授首次提出定子双绕组异步电机发电系统，国内外的学者纷 纷开展了对定子双绕组异步电机的研究。

航空用高压直流发电系统对电源的体积、重量有严格的要求，因此，电源系 统不仅需具有大容量、高性能、高可靠性的特点，还需要做到体积小、重量轻、 功率密度高。这就要求在对整个高压直流发电系统进行设计时，做到系统体积重 量最小化。目前关于定子双绕组异步电机发电系统的优化设计研究都是仅针对三 相定子双绕组异步发电系统开展的，没有涉及到对发电机本体的体积、重量优化， 也没有研究采用多相定子双绕组结构及谐波注入的非正弦供电技术来对发电机 的体积、重量进行优化。

发明内容

本发明所针对上述背景技术的不足，为了解决尚无多相定子双绕组异步发电 机结构以及采用谐波注入的非正弦供电技术对电机参数优化的技术问题，提供了 五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法，在非正弦供电条件下迭代优化使 得发电机体积和质量最小的电机参数。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

五相定子双绕组异步发电机，包括笼型结构转子，定子双绕组为一套星形整 距集中结构的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，所述功率 绕组和控制绕组均为单层绕组且具有相同的极对数，紧耦合的功率绕组和控制绕 组分上下两层同槽安放在定子槽中，定子内径、定子外径、铁芯长度、气隙、转 子外径、转子内径的取值在非正弦供电时满足发电机体积和质量最小的要求。

五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法，对于所述五相定子双绕组异步 发电机，以非正弦供电时发电机体积V和质量M最小为目标，对定子内径、定 子外径、铁芯长度、气隙、转子外径、转子内径的取值进行迭代优化，具体包括 如下步骤：

A、初始化发电机体积V、定子槽数Z₁、转子槽数Z₂、转子内径D_i2，选定定 转子槽型；

B、计算定子内经D_i1、定子外径D₁、铁芯长度l_ef、气隙δ、转子外径D₂， 保持转子内径D_i2不变并在保证槽满率的前提下调整定转子槽型，开始第k次迭 代优化，k为正整数；

C、在发电机控制绕组侧注入五相基波电压和五相三次谐波电压，调节五相 基波电压的幅值和初始相位以及五相三次谐波电压的幅值和初始相位，使得基波 气隙磁场与三次谐波磁场的合成磁场波形为“准方波”且合成磁场幅值满足气隙 磁密度幅值给定的约束；

D、由第k次迭代中的气隙磁密幅值计算第k次迭代的发电机齿部磁密B_tk和轭部磁密B_ck；

E、在步骤D所述第k次迭代的齿部磁密B_t和轭部磁密B_c满足过饱和临界给 定值约束时确定发电机体积和质量，进入步骤F，

否则，k取值加1，返回步骤B；

F、当前后两次迭代优化的体积和质量满足优化目标时，结束迭代优化过程， 第k次迭代优化计算的定子内径、定子外径、铁芯长度、气隙、转子外径、转子 内径即为最优解，

当前后两次迭代优化的体积和质量未满足优化目标时，k取值加1，返回步 骤B继续迭代直至得到满足优化目标的定子内径、定子外径、铁芯长度、气隙、 转子外径、转子内径。

作为所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步 骤A按如下表达式初始化发电机体积V、定子槽数Z₁、转子槽数Z₂：

Z₁＝2mp，Z₂＝Z₁+σ，

且转子内径D_i2根据转轴强度和刚度确定，

其中，C_A为发电机常数，P为发电机功率，n为转速，m为相数，p为极对 数，σ为2至10之间的整数。

进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤B按照 如下表达式计算定子内经D_i1、定子外径D₁、铁芯长度l_ef、气隙δ、转子外径D₂：

$D_{i1}=\sqrt[3]{\frac{2p}{\lambda \pi }V},D_1=\frac{D_{i1}}{0.64},l_{ef}=\frac{V}{{D_{i1}}^2},\delta =0.3(0.4+\sqrt{D_{i1}{l}_{ef}})\times {10}^{-3},$D₂＝D_i1-2δ，

其中，λ为发电机主要尺寸比，气隙δ的单位为米。

作为所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步 骤C中所述使得基波气隙磁场与三次谐波磁场的合成磁场波形为“准方波”且合 成磁场幅值满足气隙磁密度幅值给定的约束，具体为：

θ₃＝3θ₁，B_δ1sin(θ₁)+B_δ3sin(θ₃)≤B_δ^*，

其中，B_δ1和θ₁分别为基波气隙磁场的幅值和相位，B_δ3和θ₃分别为三次谐 波磁场的幅值和相位，B_δ^*为气隙磁密度幅值给定。

再进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤D按 照如下表达式计算第k次迭代的发电机齿部磁密B_tk和轭部磁密B_ck：

$B_{tk}=\frac{B_{\delta k}}{0.95b_t},B_{ck}=\frac{0.68{\mathrm{\tau B}}_{\delta k}}{1.90h_c},$

其中，B_δk为第k次迭代中的气隙磁密幅值，b_t为定子齿宽，τ为极距，h_c为 轭部高度。

更进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤E按 照如下表达式确定发电机体积和质量：

$V=\frac{{{\mathrm{\pi D}}_1}^2}{4}{l}_{ef},M=\frac{\pi }{4}\rho ({D_1}^2-{D_{i1}}^2-Z_1{\mathrm{Az}}_1+{D_2}^2-{D_{i2}}^2-Z_2{\mathrm{Az}}_2),$

其中，ρ为铁磁材料密度，分别为定子槽面积和转子槽面积。

作为述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步骤 F中所述优化目标为：|V_k-V_k+1|≤ε₁，|M_k-M_k+1|≤ε₂，

其中，V_k+1、V_k分别为第k+1次、第k次迭代计算的发电机体积，M_k+1、M_k分别为第k+1次、第k次迭代计算的发电机质量，ε₁为体积之差的阈值，ε₂为 质量之差的阈值。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)提出了一种五相定子双绕组异步电机，定子双绕组为一套星形整距集 中结构的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，功率绕组和控 制绕组均为单层绕组且具有相同的极对数，紧耦合的功率绕组和控制绕组分上下 两层同槽安放在定子槽中，该发电机相比于三相定子双绕组异步发电机，具有更 高的功率密度和可靠性，并且有一定的容错能力，更适用于对功率密度和可靠性 有更高要求的电动汽车、船舶推进和飞机等电源系统中；

(2)采用谐波注入的非正弦供电技术，以电机体积和质量最小为目标，对 电机参数进行迭代优化，改善了电机气隙磁密的波形使其为准方波，充分利用了 铁芯，改善电机的饱和，并且提高了电机转矩密度和功率密度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述 中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为五相定子双绕组异步发电机的发电系统结构框图。

图2为额定功率5kw、额定转速1500rpm、极对数为2的五相定子双绕组异 步发电机定、转子结构示意图。

图3(a)、图3(b)为额定功率5kw、额定转速1500rpm、极对数为2的五相 定子双绕组异步发电机的绕组排布图。

图4为正弦供电与三次谐波注入的非正弦供电气隙磁密波形对比图。

图5为五相定子双绕组异步发电机近似稳态等效电路图。

图6为非正弦供电的五相定子双绕组异步发电机的优化迭代算法图。

图中标号说明：L为滤波电感，C为励磁电容，D为二极管，C_cDC、C_pDC分 别为控制侧直流母线电容和功率侧直流母线电容，V_c、V_p分别为控制绕组和功率 绕组相电流，I_c、I_p分别为控制绕组和功率绕组相电流，E_r为反电动势，I_r为转 子电流，r_c、r_p分别为控制绕组和功率绕组的等效电阻，X_lc、X_lp分别为控制绕组 和功率绕组的漏抗，X_m为激磁电抗，r_r’/s为转子等效电阻。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例 性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同 的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与 现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想 化或过于正式的含义来解释。

图1为此发电机的发电系统。该发电机转子为笼型结构，简单坚固。定子有 两套极对数相同且均采用星形整距集中绕组结构的五相绕组，一套为功率绕组， 另一套为控制绕组，两套绕组均为单层绕组且都采用星形连接，功率绕组和控制 绕组紧耦合，功率绕组和控制绕组分上下两层同槽安放在定子槽中。功率绕组经 励磁电容C与五相不控整流桥的交流侧连接，五相不控整流桥的直流侧接有功 率侧直流母线电容C_pDC，控制绕组经滤波电感L与功率变换器的交流侧连接， 启动电源经二极管D向功率变换器供电，功率变换器的直流侧接有控制侧直流 母线电容C_cDC。这两套绕组在电气上没有直接连接，仅通过磁场耦合，功能分 开，匝比及容量设计灵活，电磁兼容性好，易于实现高性能的控制和高品质电能 的输出。发电运行时，从功率绕组侧整流输出高压直流电，功率变换器通过控制 绕组调节电机励磁来保证输出电压稳定。为清晰起见，图2、图3(a)及图3(b) 分别给出了一台额定功率5kw、额定转速1500rpm、极对数为2的五相定子双绕 组异步发电机定、转子结构示意图和该发电机的绕组排布图作为说明。该发电机 的定子20槽，转子18槽。定子槽内有两套绕组，一套为五相整距集中控制绕组， 一套为五相整距集中功率绕组。各相绕组在空间上互差36°机械角度。控制绕组 与功率绕组的绕组均为整距集中绕组结构，且均为单层绕组，均采用星形连接。 两套绕组为紧耦合，即功率绕组和控制绕组分上下两层同槽安放，上层为功率绕 组，下层为控制绕组。

采用三次谐波注入的非正弦供电方式，可提高电机的转矩密度和功率密度， 三次谐波注入提高电机转矩密度和功率密度的原理如下。

如图4所示，采用正弦供电的注入三次谐波电压，可在气隙中产生三次谐波 气隙磁场(方点线)，与基波电压产生的基波气隙磁场(虚线)叠加，使合成气 隙磁场波形近似为平顶波(实线)。可以明显看到，在采用三次谐波注入的非正 弦供电方式后合成气隙磁场与采用正弦供电时气隙磁场(圆点虚线)幅值相等， 但基波气隙磁场幅值增加了。图5为五相定子双绕组异步发电机的稳态近似等效 电路，为了简化分析，忽略了转子漏抗，V_c、V_p分别为控制绕组和功率绕组相电 流，I_c、I_p分别为控制绕组和功率绕组相电流，E_r为反电动势，I_r为转子电流， r_c、r_p分别为控制绕组和功率绕组的等效电阻，X_lc、X_lp分别为控制绕组和功率绕 组的漏抗，X_m为激磁电抗，r_r’/s为转子等效电阻。可以得到发电机转矩T的公式：

$T=\frac{m}{2}\frac{p}{2}\frac{{E_r}^{2}s}{{\omega }_e{r_r}^{\prime }},$

其中，m为相数，p为极对数，s为转差率，ω_e为电角频率，r_r’/s为转子等 效电阻。而反电动势E_r与气息磁密成正比：

$E_r={\omega }_e\left(\frac{2}{\pi }{B}_{max}\right)A_{pole}{N}_s,$

其中，B_max为气隙磁密基波幅值，A_pole为磁极面积，N_s为串联匝数，系数表示为气隙磁密平均值。从上述公式可以看出，电机转矩与反电动势平方成正比， 而反电动势又与气隙磁密基波幅值成正比。因此，增大气隙磁密基波幅值，可以 提高电机转矩。

考虑到该发电机特殊的绕组结构和特殊的供电方式，因此在优化设计时要考 虑到电机主要参数对其体积、重量的影响，尤其是非正弦供电时注入的谐波量对 电机体积、重量的影响，对电机进行迭代优化设计，该迭代算法如图6所示。

(1)给定发电机的功率P、转速n、极对数p。

(2)初步核算发电机体积V、定子槽数Z₁、转子槽数Z₂、转子内径D_i2： Z₁＝2mp，Z₂＝Z₁+σ，初定定子槽型为梨形槽，转子槽型为浅槽， 根据转轴强度和刚度确定转子内径D_i2，C_A为发电机常数；σ一般为在2到10 之间的整数。

(3)以发电机V和质量M最小为优化目标，对定子内径D_i1、定子外径D₁、 铁芯长度l_ef、气隙δ、转子外径D₂、转子内径D_i2进行迭代优化。减小发电机尺 寸，包括定子内径，定子外径、铁芯长度、气隙、转子外径，保持转子内径不变， 并在保证槽满率的前提下调整定转子槽型：D₂＝D_i1-2δ，λ为发电机主要尺寸比，气隙δ的单 位为米。

(4)采用注入适当三次谐波的非正弦供电方式：在发电机控制绕组侧提供 五相幅值为U₁、相位互差72°电角度、初始相位为φ₁的基波电压，并注入五相 幅值为U₃、相位互差216°电角度、初始相位为φ₃的三次谐波电压，通过控制基 波电压U₁和初始相位φ₁及注入的三次谐波电压的幅值U₃和初始相位φ₃，使基 波电压与三次谐波电压分别在气隙中产生的幅值为B_δ1、相位为θ₁的基波气隙磁 场和幅值为B_δ3、相位为θ₃的三次谐波磁场，并使基波气隙磁场与三次谐波磁场 的合成磁场波形为“准方波”且合成磁场幅值不超过气隙磁密度幅值给定B_δ^*，即 θ₁、θ₃，B_δ1、B_δ3满足以下关系式：

θ₃＝3θ₁，B_δ1sin(θ₁)+B_δ3sin(θ₃)≤B_δ^*。

(5)计算第k次迭代的发电机齿部磁密B_tk和轭部磁密B_ck：B_δk为第k次迭代中的气隙磁密幅值，b_t为定子齿宽，τ为极距， h_c定子轭部高度。

(6)校验第k次迭代的发电机齿部磁密B_tk和轭部磁密B_ck是否超过饱和临 界值给定B_t^*、B_c^*，若不满足B_tk≤B_t^*，B_ck≤B_c^*，则跳回步骤(3)开始下一次迭 代优化；第k次迭代的发电机齿部磁密B_tk和轭部磁密B_ck没有超过过饱和临界值 给定时，计算发电机体积V及重量M后进入步骤(7)：

$V=\frac{{{\mathrm{\pi D}}_1}^2}{4}{l}_{ef},M=\frac{\pi }{4}\rho ({D_1}^2-{D_{i1}}^2-Z_1{\mathrm{Az}}_1+{D_2}^2-{D_{i2}}^2-Z_2{\mathrm{Az}}_2),$

其中，ρ为铁磁材料密度，分别为定子槽面积和转子槽面积。

(7)校验是否达到体积重量最小化，将第k+1次迭代优化的结果与第k次 优化的结果进行比较，当满足|V_k-V_k+1|≤ε₁，|M_k-M_k+1|≤ε₂时，即该次优化后体积 重量与上次优化后体积重量之差小于一定值ε₁、ε₂时，判定已达到体积重量最小 的优化目标，否则，返回步骤(3)开始下一次迭代优化。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)提出了一种五相定子双绕组异步电机，定子双绕组为一套星形整距集 中结构的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，功率绕组和控 制绕组均为单层绕组且具有相同的极对数，紧耦合的功率绕组和控制绕组分上下 两层同槽安放在定子槽中，该发电机相比于三相定子双绕组异步发电机，具有更 高的功率密度和可靠性，并且有一定的容错能力，更适用于对功率密度和可靠性 有更高要求的电动汽车、船舶推进和飞机等电源系统中；

(2)采用谐波注入的非正弦供电技术，以电机体积和质量最小为目标，对 电机参数进行迭代优化，改善了电机气隙磁密的波形使其为准方波，充分利用了 铁芯，改善电机的饱和，并且提高了电机转矩密度和功率密度。