（电气工程专业论文）径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的有限元分析与研究.pdf

一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：二。一。年六月十二日 一名：引蜘 签字日期：驯扩年6 月纠日 r 一- i i 中图分类号：t m 3 5 2 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的有限元分析与研究 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f b r u s h l e s sd o u b l yf e d m a c h i n ew i t hr a d i a ll a m i n a t e dr e l u c t a n c er o t o r 作者姓名：张千 导师姓名：刘慧娟 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 1 1 职称：副教授、 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电机及其控制 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一 f 0 致谢 本论文的工作是在我的导师刘慧娟副教授的悉心指导下完成的，刘慧娟副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来刘慧娟老师对我的关心和指导。 刘慧娟副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向刘慧娟老师表示衷心的谢意。 刘慧娟副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，。赵铮、上官明珠等同学对我论文中的研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 一 ，、i一 中文摘要 中文摘要 摘要：风力发电作为一种新能源发电在全球范围内受到广泛关注，发展适用于风 力发电的新型特种电机也越来越受到重视。无刷双馈电机是一种新型的交流电机， 其结构简单，可靠性高，同时具有同步电机和异步电机的特点，通过控制励磁绕 组电压及频率易于实现变速恒频恒压发电，适合风力发电等条件恶劣的运行环境， 在变频调速系统中，需要的变频器容量远小于电机本身的容量，降低了系统成本。 因此，无刷双馈电机有着良好的推广应用前景，研究无刷双馈电机具有重要的理 论意义和实用价值。 本文首先介绍了无刷双馈电机的定转子结构，以普通凸极磁阻转子电机为例 分析了无刷双馈电机的运行原理，揭示了磁阻转子对定子绕组磁场调制作用。其 次以一种新型磁阻转子结构的无刷双馈电机轻向叠片磁阻转子无刷双馈电机 为研究对象，运用有限元的方法对电机的瞬态场进行了分析。建立了二维时变场 的数学模型，计算并分析了电机空载运行甘啪勺磁链、气隙磁密，电压及负载同步 运行时的转矩性能，功率绕组电压等参数。并探讨了径向叠片磁阻转子( r l r - r o t o r ) 电机转子极对数对电机空负载情况下电机各项性能参数的影响，对比研究了三种 不同转子结构无刷双馈电机的空负载参数特性。为实际工程应用中电机的优化设 计及选择提供了必要的理论依据。 运用绕组函数理论对径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的电感参数进行了计 算，并与有限元计算的电感参数对比分析，并介绍了电机电感的实验测量方法。 简要说明了无刷双馈电机的几种运行方式，针对一台1 5 k w 径向叠片磁阻转子无 刷双馈电机进行了实验研究，对其电阻电感参数进行了测量，验证了电机的转速 与频率之间的约束关系；对电机的单馈异步，同步及双馈超同步、亚同步等运行 方式进行了实验研究，并与有限元计算的结果进行了相应比较，实验结果证实了 有限元计算模型的有效性，表明了该电机在工程应用中是可以制造与实现的。为 无刷双馈电机及其控制系统的更深入研究奠定了基础。 关键词：径向叠片；磁阻转子；无刷双馈电机；有限元 分类号：t m 3 5 2 卅j，|j ， a b s m r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t l lw i n dp o w e rg e n e r a t i o na sak i n do fr e n e w a b l ee n e r g yh a sb e e n e x t e n s i v ec o n c e m e da l lo v e rt h ew o r l d ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ns p e c i a l g e n e r a t o r , w h i c hi ss u i t a b l ef o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s t h eb r u s h l e sd o u b l yf e d m a c h i n e ( b d f m ) i sa n e w t y p ea cm a c h i n e ，i th a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha sb r u s h l e s s ， s i m p l i c i t ya n dr e l i a b i l i t y b e s i d e s ，i th a st h ec h a r a c t e r sb o t ha s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n d s y n c h r o n o u sm a c h i n e t h eb d f mc a l lb ee a s i l yt or e a l i z ev a r i a b l es p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c yc o n s t a n tv o l t a g eg e n e r a t i o nb yc o n t r o l l i n ge x c i t i o nf r e n q u e n c ya n dv o l t a g e s ot h eb d f mc a nb ea p p l i e di nh a r s he n v i r o n m e n tl i k ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n , e t c i n t h ef r e q u e n c y v a r i a b l es p e e d a d j u s t a b l es y s t e m ，t h eb d f mn e e d sam u c hs m a l l e rp o w e r e l e c t r o n i cc o n v e a e r ，c o m p a r e dt oac o n v e n t i o n a la ci n d u c t i o nm a c h i n e ，a n dr e d u c et h e c o s to ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h eb d f mh a sg o o dp r o s p e c to fp o p u l a r i z i n g ，a n d r e s e a r c ho ft h eb d f mh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a p e r , f i r s t ，p r e s e n tt h es t a t o ra n dr o t o rs t r u c t u r e so ft h eb d f m t h e nt a k e s a l i e n tr e l u c t a n c er o t o rb d f ma sa ne x a m p l e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h eb d f mi s c l e a r l ye l u c i d a t e d ，a n dt h em o d u l a t i o no ft h er e l u c t a n c er o t o rt os t a t o rw i n d i n gf i e l di s r e v e a l e d s e c o n d ，p r e s e n t sab d f m 诵t l lr a d i a ll a m i n a t e dr e l u c t a n c er o t o r ( r l r r o t o r ) a sr e s e a r c ho b j e c t ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e dt oa n a l y z et r a n s i e n tf i e l do f t h i sn o v e lm a c h i n e t h ef l u xl i n k a g e ，a i rg a pm a g n e t i cd e n s i t y , v o l t a g eo fn o l o a d o p e r a t i o na n dt h et o r q u ec a p a b i l i t y , v o l t a g eo fp o w e rw i n d i n go fl o a do p e r a t i o na r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fr a d i a ll a m i n a t e dr e l u c t a n c er o t o rp o l e - n u m b e r t ot h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fn o - l o a da n dl o a do p r a t i o na r ed i s c u s s e d b d f m s p e r f o r m a n c e sw i t hd i f f e r e n tr o t o rs t r u c t u r e sa r ec o m p a r a t i v e ds t u d i e d a l lt h e s es e s u l t s p r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ew i n d i n gf u n c t i o nt h e o r yi su s e dt oc a l c u l a t et h ei n d u c t a n c eo ft h eb d f m 、 ，i 血 r a d i a ll a m i n a t e dr e l u c t a n c er o t o r , a n dc o m p a r et ot h ei n d u c t a n c ev a l u ec o m p u t e db y f e m i n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tm e t h o do fi n d u c t a n c e b r i e f l ye x p l a i n s e v e r a lo p e r a t i o nm o d e lo ft h eb d f m ，a n dt h e n ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h e so na1 5k w r l r - r o t o rb d f mh a v eb e e nm a d e t h er e s i s t a n c ea n di n d u c t a n c ep a r a m e t e r sa r et e s t e d o ni t v e r i f yt h ec o n s t r a i n tr e l a t i o n sb e t w e e nm o t o r ss p e e da n de x c i t i o nf r e q u e n c y t h e i n v e s t i g a t i o no na s y n c h r o n o u so p e r a t i o n ，s y n c h r o n o u so p e r a t i o n ，s u p e r s y n c h r o n o u s o p e r a t i o na n ds u b s y n c h r o n o u so p e r a t i o na r ec o n d u c t e di ne x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a l v 北京交通大学硕士学位论文 r e s u l t sa r ec o m p a r e dt os i m u l a t i o nr e s u l t sb yf e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h ev a l i d i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i ts h o wt h a tt h em a c h i n ec a nb em a d ea n d r e a l i z ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a l lt h er e s e a r c h e sa l ep r o p o s e da sab a s i sf o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o no ft h eb d f ma n di t ss y s t e m k e y w o r d s ：r a d i a ll a m i n a t e d ；r e l u c t a n c er o t o r ；b d f m ；f e m c l a s s n 0 ：t m 3 5 2 - 目录 目录 中文摘要i i i a b s l r a c t v 1引言1 1 1无刷双馈电机的发展。1 1 2国内外研究现状2 1 3电机电磁场计算方法及软件3 1 3 1 计算方法3 1 3 2 常用软件4 1 4目的和意义5 1 5本文所做的工作6 2无刷双馈电机的原理9 2 1无刷双馈电机的结构9 2 2定子结构9 2 3转子结构二二1 1 2 4工作原理1 3 2 5本章小结19 3无刷双馈电机电磁场的有限元分析2 1 3 1正弦时变电磁场的微分方程2 1 3 1 1 时变电磁场方程。2 1 3 1 2 失量磁位方程2 2 3 2径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的瞬态场计算2 4 3 2 1 磁链2 6 3 2 2 空载磁密2 8 3 2 3 空载气隙磁通密度谐波分析3 0 3 2 4 空载电压3l 3 2 - 5 电磁转矩3 2 3 2 6 功角3 3 3 2 7 功率因数3 5 3 3本章小结3 6 4 不同转子无刷双馈电机的性能比较3 7 4 1转子极对数对径向叠片磁阻转子无刷双馈电机性能影响3 7 北京交通大学硕士学位论文 5 6 4 1 1 磁链 4 1 2 空载气隙磁密谐波含量。 4 1 3 空载电压比较。 4 1 4 负载运行。 4 2 不同转子结构的无刷双馈电机性能比较 4 2 1 磁力线分布4 8 4 2 2 空载磁链4 9 4 2 - 3 空载电压。5 1 4 2 4 负载运行- 5 2 4 3本章小结5 4 径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的参数计算5 5 5 1绕组函数原理5 5 5 1 1 绕组函数基本原理一5 5 5 1 2 绕组函数5 6 5 2电感计算5 8 5 2 1 电感计算模型一5 9 5 2 2 电感计算6 0 5 3电感的实验测量6 2 5 3 1 静测法。6 2 5 - 3 2 动测法6 3 5 4本章小结6 4 径向叠片磁阻转子无刷双馈电机系统实验6 5 6 1 无刷双馈电机的运行方式。6 5 6 1 1 自启动与异步运行6 5 6 1 2 同步运行6 5 6 1 3 双馈运行。6 6 6 1 4 发电运行。6 7 6 2实验电机参数6 7 6 3 电机系统实验6 9 6 3 1 电机参数测定7 0 6 3 2 电机空载特性实验7 l 6 3 3 单馈异步运行实验7 2 6 3 4 同步运行实验7 2 6 3 5 双馈运行实验7 3 目录 6 4本章小结7 5 7 结论7 7 参考文献7 9 作者简历8 3 独创性声明8 5 学位论文数据集8 7 一1 j 引言 1 引言 近年来，国内外许多专家学者都将目光投向了无刷双馈电机。该电机在定子 绕组上实现了无刷双馈，仅有简单的转子结构，同时具有异步机和同步机的优良 特性，既可以作为交流调速电机，又能作为变速恒频发电机，易于调节电机的有 功和无功功率。由于实现了无刷化，提高了电机的可靠性，同时减小了变频器容 量，降低了电机系统成本。在风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再生能 源的开发利用中有着良好的应用前景，作为一种新型电机，其研究也在不断发展。 1 1无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机是一种新型的交流电机，从2 0 世纪9 0 年代开始得到研究，它 是由级联的异步电动机发展而来。级联式异步电机是由两台异步电机同轴串级连 接而成【l 】，首先在1 8 9 3 年由美国的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 提出。其结构如图 1 1 所示，功率电机的定子绕组接工频电网，控制电机的定子绕组通过外电阻短接， 两台电机的转子绕组相互连接。采用这种方法可以获得低速运行，并且能在一定 范围调速，曾一度引起人们注意。 功率电机控制电机 图1 1 级联式异步机 f i g 1 1c a s c a d ea s y n c h r o n o u sm a c h i n e 为了降低成本和提高运行性能，曾有几次发展单一机组串级电机的尝试， h u n t 2 4 】做出了重要贡献，他提出了较以前电机更为先进可行的理论。这种电机具 有一套转子绕组和一套具有不同极对数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。 后来，c r e e d y 【5 】对上述电机做了进一步改进，为其设计了合理的定转子绕组，使得 电机在电阻的控制的方式下获得较大的启动转矩和良好的速度控制，可以运用在 大转矩低速的场创6 1 ，实现了无刷化，形成了无刷双馈电机的雏形一单一定子自 北京交通大学硕士学位论文 串级电机。但是，由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未 能投入实际应用，其发展也一度停滞。 直到2 0 世纪7 0 年代，b r o a d w a y 1 1 t 7 1 对h u n t 提出的电机做了改进，简化了转 子绕组，定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自串级无刷异步机的理论向 前推进了一步。后来，b r o a d w a y 6 】【8 - 9 】又将相调制理论应用到极变换绕组中，使定 子绕组对称化，普通双层绕组经过适当的连接就能得到，简化了定子绕组。 基于笼型转子短路绕组的磁障作用，b r o a d w a y 等人提出了可用磁阻转子替代 短路的笼型转子。2 0 世纪8 0 年代中期，h e y n e 和e i a n t a b l y 1 0 - 1 1 在自串级感应电 机的基础上提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机的实验结果。 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代，无刷双馈电机d - q 动态数学模型和同步坐标系 数学模型的建立 1 2 - 1 7 】，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化奠定了坚 实的基础。各种控制方法被应用在无刷双馈电机的控制系统，如标量控制，转子 磁场定向控制，直接转矩控制，模型参数白适应控制等【1 8 - 2 2 。电力电子器件和微 处理器的发展对无刷双馈电机系统的发展起了促进作用团】。 近年来，对无刷双馈电机的研究主要集中在美英两国，分别研究磁阻转子和 笼型转子的无刷双馈电机，并形成了两套不同的理论分析体系。 1 2 国内外研究现状 无刷双馈电机的研究主要分为两大类：一是以t a l i p o 教授为首的w i s c o n s i n 大学和l o n g y ax u 2 4 - 2 9 1 教授为首的o h i o 州立大学，重点研究磁阻转子结构的双励 磁磁阻电机( d e b r m ) ；另一个是以a w a l l a c e 教授和r s p e e l 3 0 - 3 6 教授为首的 o r e g o n 州立大学和以w i l l i a m s o n 了7 3 8 j 教授为首的英国剑桥大学，重点研究笼型转 子结构的无刷双馈电机( b d f m ) 。 国外对无刷双馈电机的研究己从对电机的结构的改造阶段，发展到建立比较 准确使用的数学模型，开始寻找适用于无刷双馈电机的控制方法，促进它进入实 用化阶段。美国o r e g o n 州立大学在建模和控制策略方面做了较多的研究，先后提 出了三种数学模型和多种控制策略【3 9 删。o h i o 州立大学也对无刷双馈电机做过深 入研究，曾获得1 9 9 1 年美国国家自然科学基金的资助【2 4 】【2 9 1 。日本和澳大利亚等国 对该机及其系统也进行过相关研究。 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内一些高校和科研机构才陆续开始对无刷双馈电 机开始研究。沈阳工业大学对a l a 转子的无刷双馈电机做过深入研烈4 5 。5 0 】，其他 国内高校主要针对笼型转子无刷双馈电机的原理，性能，建模以及控制策略上的 理论研究，如浙江大学【5 4 掰l ，西安交通大学 5 5 - 5 7 】，重庆大学5 8 - 6 0 ，湖南大学 6 1 - 6 3 】， 2 引言 中国矿业大学等6 4 确】，虽然做出了试验样机及其控制系统，但总体研究工作仅限 于实验室，没有实用化的样机。 1 3 电机电磁场计算方法及软件 1 3 1 计算方法 对电机电磁场的精确计算与分析是合理设计电机和进行优化设计的重要依 据。电机电磁场计算实际上是一些偏微分方程的求解，求解偏微分方程的各种数 学方法均可应用于求解电机电磁场问题，对电机电磁场的分析计算除了传统的解 析算法外，常用的方法还有图解法、模拟法、数值计算法等几种，在计算电机电 磁场的过程中，可以选择最优的方法。 一、解析法 适用范围有限，对一些实际电机内部复杂的电磁场问题不易解决。解析法又 包括： 镜象法：可以求解介质中恒定电流产生的磁场，虽然镜像法简单，但解决的 问题有限。 保角变换法：解决具有多边形边界的二维无源恒定磁场问题，需要研究各种 函数的变化关系，选择合适的变换应用于实际的电磁场计算。 分离变量法：虽然是一种有效而简便的方法，但对边界的限制比较苛刻，对 复杂的边界条件难以收敛。 二、图解法 图解法是根据稳定磁场的特性画出磁场的等位线和磁力线，从曲线分布的密 集或稀疏的程度得到磁场的强弱。图解法比较形象、直观，易于掌握，但要经过 多次修改才能得出较满意的图形，且精度较差。图解法可以用来近似求解线性无 电流区域的二维稳定磁场或忽略涡流效应的磁场问题。 三、模拟法 模拟法能解决稳态磁场和交变电磁场问题，对于边界条件复杂的电机电磁场， 用解析方法求解比较困难或图解法精度不够时，模拟法得到了发展和应用，成为 一种有效的电机电磁场计算方法。模拟法包括数学模拟和物理模拟。 数学模拟：数学模拟是利用同一数学方程式，用一种场的某一问题来模拟另 一种场的问题。 物理模拟：物理模拟一般用尺寸缩小的电机来模拟求解大电机电磁场，或做 一个模型来模拟电机局部电磁场，推算出实物上的相应量。 3 北京交通大学硕士学位论文 模拟方法目前在很多领域得到了广泛的应用，在实际中，对电机进行全面模 拟比较困难。 四、数值计算法 数值计算法是将连续域内的电磁场问题变换成离散问题来求解。目前，在解 决电机电磁场计算问题中最常用数值计算法是有限元法和有限差分法，它们都是 将所求的电磁场区域划分成很多的网格，通过数学上的处理，建立网格上各点与 相邻各点之间场量的代数方程组，通过计算机解出这组庞大的代数方程组，从而 得到问题的解。 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ：有限元法的基本原理是从电磁场偏微分 方程出发，根据变分原理，将求解的电磁场边值问题转化为泛函求极值的问题， 使泛函的极值与求解的偏微分方程的边值问题等价，然后通过离散化处理，构造 一个分片解析的有限元子空间，将变分问题转化为多元函数的极值问题进行求解， 从而得到问题的解。有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状的模型， 因而成为工程中行之有效的分析手段。 有限差分法f d m ( f i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d ) ：有限差分法是将偏微分方程中的 偏导数用差商来代替，把求解区域中计算无限多个点上的函数值变为计算有限多 个点上的函数值，以得到近似解。差分法常用矩形网格划分求解区域，其剖分不 灵活，不适合处理复杂边界问题。 五、变网络等效磁路法 利用气隙比磁导法建立适于电机的变网络等效磁路模型，可以计算电机电感 及静态特性，能较正确地考虑磁路饱和及非线性的影响，但计算精度比有限元法 差。 1 3 2 常用软件 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值计算方法。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是 具体公式推导和运算求解不同。有限元分析可分成前处理、计算和后处理三个阶 段：前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结 果，使用户能简便提取信息，分析计算结果。 近些年，有限元方法得到了很大的发展和应用，有限元数值计算技术己经比 较成熟，目前已有许多现成的应用软件，基于有限元原理的a n s o f t 、a n s y s 等软件 给电机电磁场计算带来了方便，可以很好地计算电机内部电磁场的分布情况。 m a x w e l l2 d 3 d 是a n s o f t 公司推出的一个功能强大、易于使用的电磁场有限 4 引言 元计算软件，是a n s o f t 机电系统设计解决方案的重要组成部分，可以为产品的设 计和优化提供最可靠的依据，非常适合于电磁装置的有限元分析。它能够计算电 场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场。可以用来分析电机、传感器、变压器、 永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。 广泛的应用于电机、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航天、船 舶、军事等行业。 h n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁，声学于一体的大型通用有限元分析软 件，具有较高的分析精度。它可以用来灵活方便地分析电磁场的多方面问题，如 电感、电容、阻抗、磁通密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、转矩等。是 分析电机电磁场最常用的软件之一。 f l u x 软件是一款针对于电机、传感器、变压器等电磁设备的专业二维及三维 仿真软件。它基于有限元算法，主要用于电磁设备、热装置、热处理的分析与设 计。用户可以通过f l u xt os i m u l i n k 接口将f l u x 模型作为独立模块应用到其他 专业仿真软件中进行更高级的分析，如：设计设计、电机起动的瞬时控制等。这 些功能使f l u x 成为目前国际市场上最具灵活性的软件。 m a g n e t 是专门用于2 d 3 d 电磁场仿真的软件，可方便用于计算电机瞬态运动 场。它支持多运动部件的瞬态运动求解器；支持二维场l 4 阶、三维场1 3 阶的 求解能力；具有局部网格细分和求解阶次自适应功能；具有参数化功能，可以将 模型的变量进行参数化，使用户可以在一个模型中，一次完成多工况的仿真分析。 1 4目的和意义 研究开发出性能优良、成本低廉的新型交流电机调速传动系统是电机及其自 动控制领域的重大科研课题之一。 无刷双馈电机的出现和发展，能有效的解决制约传统交流电机及其驱动系统 发展的某些技术难题，也能够攻克在风力、水力发电系统中实现变速恒频发电的 一些关键技术问题。因此，对该电机的研究具有重要意义。 1 在交流调速的几种方法中，变频调速发展前途最好，它的发展是与电力电 子器件及控制技术的发展密不可分的。采用常规异步机的变频调速系统变频器成 本较高，对电网还存在谐波污染。无刷双馈电机作为变频调速电机，应用于大容 量电气传动系统中时，可以降低调速系统的成本【6 7 j ，同时获得良好的节能效果， 还实现了无刷化，提高了系统的可靠性。 2 用无刷双馈电机取代常规高压电机，可以有效解决高压电机变频调速中存 在的技术难题。实现高压电机的变频调速一般有两种途径1 6 引，但都存在缺陷：采 北京交通大学硕士学位论文 用高压变频器，需要多组器件并联，控制线路庞大复杂，技术难度大，可靠性较 差，价格昂贵；采用高低高变频方案，虽然可以运用标准低压变频器，却多了两 台同容量的变压器，增加成本。采用无刷双馈电机，功率绕组由高压电源供电， 控制绕组由普通变频器即可解决上述问题。 3 无刷双馈电机从根本上解决了无刷化，还具有笼型、绕线式异步电机和同 步电机的共同优点。通过简单改变控制绕组的连接和馈电方式，可以方便的实现 自启动、异步、同步，双馈等多种运行方式，使其既具有感应电机的良好起动性 能，又具有同步机的良好运行性能。 4 无刷双馈电机作为发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适用于多极 低速运行的风力或水力发电系统【6 9 1 。电机功率绕组用于并网发电，控制绕组作为 励磁，根据转速的变化实时调整励磁电流频率即可实现变速恒频发电，通过改变 励磁电流的幅值和相位可实现无功功率调节，在风力发电系统中有着良好的应用 前景1 7 0 - 7 2 。 1 5本文所做的工作 国内主要研究的是笼型转子的无刷双馈电机，而研究磁阻转子无刷双馈电机 较少，主要是沈阳工业大学的王凤翔，张凤阁教授在2 0 世纪九十年代进行过研究， 所研究的转子类型是a l a ( a x i a l l yl a m i n a t e d a n i s o t r o p i c ) 磁阻转子。再者，国内 其他高校对无刷双馈电机研究的定转子极数配合是固定的：定子绕组2 6 极、转子 为4 对极。本文在前人研究的基础上，对一种新型转子结构的电机轻向叠片磁 阻转子( r l r - r o t o r ) 的无刷双馈电机进行了相关研究，并研究了其他转子极对数 及不同结构转子类型无刷双馈电机，获得了一些成果。 本文的工作主要包括以下几方面： ( 1 ) 对无刷双馈电机的各种定转子结构作了相应介绍，以普通凸极磁阻转子 无刷双馈电机为例，对电机原理进行了分析，得到电机运行的基本公式； ( 2 ) 根据电磁场理论建立了径向叠片磁阻转子无刷双馈电机的而为电磁场模 型，并对其进行了有限元离散及泛函分析，推导出有限元求解方程；以1 5 k w 径 向叠片磁阻转子的新型无刷双馈电机为例，结合计算结果分析了其空载运行电压， 磁密，负载运行电压等参数，绘制出了转矩性能曲线；比较研究了不同极对数径 向叠片磁阻转子的电机的各项参数性能；比较了三种常见转子结构的电机各项参 数之间的差异； ( 3 ) 介绍了绕组函数的基本原理，推导了该新型转子结构电机的电感参数的 计算模型，并运用解析算法求解了电机的相应参数，并与有限元计算的电感参数 6 引言 进行了比较；同时介绍了电感的实验测量方法； ( 4 ) 说明了无刷双馈电机多种运行方式的运行原理，对一台1 5 k w 径向叠片 磁阻转子无刷双馈电机进行了实验研究，测量了电机的电阻电感参数，验证了电 机的转速与频率之间的约束关系；对电机的单馈异步，同步及双馈超同步、亚同 步等运行方式进行了实验研究，并与有限元计算的结果进行了相应比较。 7 无刷双馈电机的原理 2 无刷双馈电机的原理 2 1无刷双馈电机的结构 与常规交流电机相比，无刷双馈电机结构较为复杂。它是由双电机串级连接 发展而来，经历了双定子结构无刷双馈电机的阶段，最终形成了单电机结构的无 刷双馈电机。从外形上看，无刷双馈电机与常规电机没有区别，从转子结构上看， 可以是笼型转子或是磁阻转子，其中笼型转子结构是不同于感应电机的笼型转子， 磁阻转子也具有较特殊的磁路结构。无刷双馈电机的结构示意图如图2 1 所示： a 图2 1 无刷双馈电机结构不慈图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h eb d f m 无刷双馈电机的定子上有两套极数不同的三相正弦对称分布绕组，其中一套 绕极数是劲，通常连接到电网上，定义为功率绕组；另一套绕组极数是幻，与变 阻器相连或通过变频器连接到电网，定义为控制绕组。两套定子绕组的极数不同， 二者之间没有直接的电磁耦合作用，两套绕组的耦合依靠转子磁路的调制。 2 2定子结构 无刷双馈电机的定子铁心与常规交流电机的定子铁心相同，定子上存在两个 极数不同的绕组，这是与常规电机不同的。当绕组供电频率一定时，电机绕组的 极数决定了电机的转速，因此可以根据电机转速的要求合理的选择两套绕组的极 数。 定子两套绕组的极数分别为勿和幻，不管是笼型转子还是磁阻转子，转子的 极对数通常选肼印+ g ( 将会在后面有关章节介绍) ，这时的无刷双馈电机相当于一 台2 矿2 9 极的交流电机。电机的转速怫与功率绕组频率石，控制绕组频率五及绕 组极数之间的关系为 刀，：鱼q 笾圭塑：鱼q 笾主型 2 1 l p 七qpr 若功率绕组与控制绕组电流相序相同时，上式取+ ，电机运行在超同步状 9 北京交通大学硕士学位论文 态，相序相反时，取，电机运行在亚同步状态。当控制绕组通入直流( 萨0 ) 时，电机同步运行，电机同步转速为： 刀r 0 - 盟 2 2 一p r 为了实现两套绕组的良好耦合，一般选择近极配合，本文研究的径向叠片磁 阻转子无刷双馈电机其中一种定子绕组极数配合为2 p = 4 ，2 q = 6 ( 矿5 ) 。 无刷双馈电机的定子绕组一般有两种形式：单绕组结构和双绕组结构和双绕 组结构。 单绕组即从一套绕组中引出两个端口，从不同的端口看进去时，绕组呈现两 种不同的极数劲和2 9 。图2 2 给出了3 6 槽2 极、6 极绕组单绕组连接方式，绕组 引出了两个端口，从a b c 端口看绕组极数为6 ，从a b e 端口看绕组极数为2 。这 样，单一的定子绕组同时具有功率绕组和控制绕组的作用。两种频率不同的电流 流入不同的端口时，在电机内会形成不同极数，不同转速的旋转磁场。 2 饭绕纠瑞f i 6 撇绕川稍门 图2 2 单绕组连接方式 f i g 2 2s i n g l ew i n d i n g sc o n n e c t i o n 采用单绕组能够提高定子槽和绕组的利用率，减小铜耗，但是较难设计，需 要考虑定子绕组极数的需求。采用双绕组虽然槽利用率有所降低，但设计容易， 而且两套定子绕组之间耦合作用较理想。 本文涉及的电机定子槽数为z | - 3 6 ，以两套绕组的极数分别是2 p = 4 ，2 q = 6 为 例说明绕组排列。极距 f 。：旦：一3 6 ：9 2 3 2 p 4 l ：里：一3 6 ：6 2 4 1 2 q 6 三相绕组采用y 联接，可以消除三次及其倍数谐波，设计绕组同时考虑削弱5 、 7 次谐波，4 绕组节距取： 气 m p2 言f p _ 7 5 2 5 取m p = 7 ，6 极绕组极距m 。= r q = 6 。绕组连接图如图2 3 。 1 0 无刷双馈电机的原理 ( a ) 4 极绕组 2 3转子结构 ( b ) 6 极绕组 图2 3 定子双绕组连接图 f i g , 2 3d u p l e xw i n d i n g sc o n n e c t i o no ft h es t a t o r 无刷双馈电机的两套定子绕组之间的耦合作用依靠转子磁路结构来实现。转 子作用是调制两套定子绕组的磁场，实现电机的机电能量转换。转子结构具有极 数转换器的功能。 无刷双馈电机的转子极数与定子绕组极数2 p 、2 9 相关，通常有两种选择： p ，= p q 取+ 时称为和调制，取时为差调制。和调制时转予极数多，转速低， 差调制时极数少，转速高；差调制时启动转矩小，电机电磁功率为两套定子绕组 提供的电磁功率之差，和调制时电机电磁功率为两套定子绕组提供的电磁功率之 和。相比较而言，和调制时电机性能更好，因而通常情况下，多采用和调制。对 定子绕组为( 4 + 6 ) 极电机，采用和调制时，转子极对数矿5 。本文均采用和调制。 转子结构与电机性能密切相关，转子的结构可以分为磁阻型和笼型两大类。 每一类又有多种不同的结构。图2 4 给出了几种常用的转子结构以及本文所研究的 径向叠片磁阻转子( i 也r - r o t o r ) 。 ( a ) 凸极磁阻转子( b ) 磁障磁阻转子( c ) a l a 转子 北京交通大学硕士学位论文 ( d ) 径向叠片磁阻转子( e ) 笼型转子 图2 4 转子结构 f i g 2 4r o t o rl 睫r i t o t l g o 图( a ) 凸极磁阻转子，结构简单可靠，制造容易，导磁效率较差； 图( b ) 是带磁障的磁阻转子，具有较好磁场调制作用，缺点是制造工艺复杂； 图( c ) 是a l a ( a x i a l l yl a m i n a t e da