直线无刷双馈发电机的研究邹竞帆

1、目录中文摘要1英文摘要21 绪论41.1 无刷双馈电机的发展及国内外研究现状41.2无刷双馈电机的研究意义和应用前景51.2.1 无刷双馈电机在变频调速中的应用61.2.2 无刷双馈电机在变速恒频发电中的应用91.3无刷双馈电机的优点与缺点81.4 本文主要研究内容与结构91.5 本章总结102 无刷双馈电机的基本理论112.1无刷双馈电机的结构112.1.1定子绕组的研究和设计112.1.2转子套组的研究和设计112.2无刷双馈电机的工作原理132.3无刷双馈电机的运行方式152.3.1自起动与异步运行152.3.2 同步运行方式152.3.3 双馈调速运行方式162.3.4 发电机运行方式

2、172.4本章总结183仿真软件与有限元分析方法193.1 Ansoft软件的简介193.2有限元分析方法的简介193.2.1无刷双馈电机有限元分析的假设条件193.2.2无刷双馈电机有限元分析的基本方程203.3本章总结204 直线无刷双馈发电机的仿真结果与分析214.1直线电机基本理论的简介214.2 直线无刷双馈发电机的提出254.3 直线无刷双馈发电机Maxwell 2D模块的仿真264.3.1模型的建立264.3.2模型的网格剖分274.3.3求解设置284.4 直线无刷双馈发电机仿真结果及分析284.5本章总结325 直线无刷双馈发电机的总结与展望335.1 全文总结335.2 直

3、线无刷双馈发电机的展望33谢辞34参考文献35直线型无刷双馈发电机的研究摘要：无刷双馈电机是最近些年越来越被大量学者关注并加以研究的一种新型电机。无论在交流调速系统，还是在变速恒频发电系统都展现非常好的研究和应用前景。无刷双馈电机同时包含了同步电机和异步电机的特点，具有两套极数不相同的定子绕组，分别为功率绕组和控制绕组，并通过具有笼型或者磁阻型结构的 转子进行磁耦合。无刷双馈电机没有了电刷和滑环，无刷双馈电机将电机运行更加稳定可靠，维护的费用进一步削减,并且良好的起动与工作的性能使得异步、同步、双馈和变速恒频发电等诸多工作方式更加容易实现和转换。结合中外文献，本文先对无刷双馈电机的起源和发展进

4、行了回顾，并探讨了无刷双馈电机的研究意义和发展前景。在基于无刷双馈的结构特点和工作原理的基础上，介绍了无刷双馈电机的各种运行方式，同时分析了无刷双馈电机的优缺点。本文在介绍了Ansoft软件的特点功能后，探讨了直线电机较传统的旋转电机的诸多优点，进而提出了直线无刷双馈电机的发电机。由于直线无刷双馈发电机目前只处于理论阶段，所以利用Ansoft软件的二维瞬态场建立直线无刷双馈发电机的Maxwell-2D模型，并基于直线无刷双馈发电机的模型进行有限元分析计算，最后对计算的仿真结果图进行分析，从发出电能的角度说明直线无刷发电机的可行性。关键词：无刷双馈电机；直线电机；直线无刷双馈发电机；发电功能Re

5、search of linear brushless doubly-fed generatorAbstract：BDFM is a new type of motor which is recently and increasingly concerned and study by the large number of scholars. Both in AC drive system, or in the VSCF system,it is showing very good research and application prospects.BDFM also includes the

6、 features of the synchronous and asynchronous motors,BDFM has two stator windings in which has different number of poles,namely, the power winding and control winding,and magnetically coupled by the rotor which have a cage-type structure or reluctance structure. Not having brushes and slip rings, BD

7、FM can runs more stable and reliably,and need less maintenance costs,moreover,its starting with the good performance of work makes asynchronous, synchronous, and doubly-fed VSCF power generation, and many work more easily achieved and conversion.Combination of Chinese and foreign literature, this ar

8、ticle reviews the origins and development of the BDFM and discusses the significance of the research and development prospects of BDFM.On the basis of the structural characteristics and working principle of BDFM, the paper describes the various modes of operation BDFM, while analyzing the advantages

9、 and disadvantages of BDFM.This paper describes the characteristics of Ansoft software feature explores the many advantages of linear motor ,compared to conventional rotary motor, and then puts forward the straight BDFG. Since the linear brushless doubly-fed generator is currently only in the theore

10、tical stage,In this paper, we use two-dimensional transient field Ansoft software to build Maxwell-2D model of linear brushless doubly-fed generator ,and analyzes the model of linear BDFG by finite element theories. Finally, analyzes the simulation results Figure of calculation.In this way,this pape

11、r instructs linear brushless generator,from the perspective of energy conversion, is feasible. Keywords:BDFM；linear motor；linear brushless doubly-fed generator；generating function1 绪论无刷双馈电机作为一颗近年来在电机产业中发展起来的新星，是一种新式交流调速电机的类型，既可以用来作为发电机，也能够作为电动机。该电机是由功率绕组和控制绕组组成，它们定子绕组相互独立而通过转子绕组通过磁场耦合完成机电能量转换。本章首先向我

12、们介绍了无刷双馈电机的发展的过程和目前国内外对其研究情况，然后探讨了无刷双馈电机的科研意义和未来应用价值，再阐述了无刷双馈电机的一些优点与缺点，最后将本文主要研究内容与结构简单叙述出来。1.1 无刷双馈电机的发展及国内外研究现状图1.1 串级感应电机示意图如图1.1所示。两台绕线式异步感应电机的转子连接在一起，这种装置就是串级感应电机。两台绕线式异步感应电动机是通过相同轴方向连接组成的，进而逐步发展成为无刷双馈电机。在第二十世纪开始，由于成本和性能方面的考虑，学者曾几次试图将它发展成一个单一的单元级联式感应电动机。在1907年，亨特提出了一种新颖的电机，该电机定子与转子绕组具有不同极数，同时定

13、转子绕组共用相同的磁路1。之后的格瑞迪根据亨特提出的基本理论上，对这种电机进行了进一步的改进，提出一些可行的极数组合，无刷双馈电机的雏形就这样形成了2。然而由于电力电子器件发展的限制以及计算机控制技术的局限，虽然该电机在初期取得了一些经济效益，但是随后研究工作陷入了停滞阶段。20世纪70年代左右，随着电力电子技术和计算机控制极数的发展，由于无刷双馈电机固有的一些优势，学者们又重新对该种电机进行了研究。布罗德韦根据亨特的基本理论提出了一种特殊结构的笼型转子，同时运用转子槽的矢量图具体讨论该种特殊结构对定子两种不同绕组的“极数转换器”调制效应3。随后，布罗德韦等人通过研究笼型转子短路绕组的磁障作用

14、后，发现磁阻型转子结构可以来替换短路笼型转子结构4。从第二十世纪80年代以来，国内外学者们对具有笼型和磁阻型这两种转子的无刷双馈电机的设计和它们各自的控制方法进行了更为深刻的研究，并形成了各自相应的研究体系。 从第二十世纪70年代以来，美国威斯康星大学，俄亥俄大学，俄勒冈大学，英国的剑桥大学、澳大利亚的纽卡斯尔大学等高等学校在无刷双馈电机各方面都进行了更深的研究活动。在国外，以无刷双馈电机的研究对象的不同可以分为两大流派，其一是美国俄勒冈州立大学和英国剑桥大学等研究团队，他们对具有笼型转子结构的无刷双馈电机进行了研究；另一是威斯康星州大学和俄亥俄州立大学等研究研究团队，他们则对具有磁阻型转子结

15、构的无刷双馈电机进行了。他们在对无刷双馈电机所采用的研究方法因为具有这两种不同转子结构而有所差别，进而形成了两种不同的研究体系。在国内，上世纪80年代末沈阳工业大学研究团队首先开展了无刷双馈电机的研究工作并获得了国家自然科学基金项目的支持，随后的浙江大学、重庆大学、西安交通大学、华南理工大学、太原理工大学也开始了对无刷双馈电机的研究。目前国内外对无刷双馈电机的研究内容主要集中于电机的结构设计、电机的等效电路模型及参数计算等方面。近年来，随着风力发电技术的发展，对无刷双馈电机用于风力发电领域的控制策略的研究也一直是关注的很大一部分。1.2无刷双馈电机的研究意义和应用前景无刷双馈电机同时包含了同步

16、电机和异步电机的特点，属于交流电机的一种，但这种电机的结构组成以及工作过程和传统的交流电机又有很大的不同。无刷双馈电机没有电刷和滑环，它的两套极数不相同的定子绕组（功率绕组和控制绕组）没有直接的磁耦合，而是通过具有笼型或者磁阻型结构的转子进行磁耦合5-9。无刷双馈电机的机电能量转换原理是运用转子的磁动势谐波或者磁导谐波对定子绕组有差别的极数旋转磁场的调制效应来完成的，所以控制绕组连接方式的变换或者外加电源的频率的改变都会让无刷双馈电机在多种运行方式中转换。最近十年来,无刷双馈电机成了众多国内外学者争相研究的对象。和笼型转子感应电机一样，没有了电刷和滑环，无刷双馈电机将电机运行更加稳定可靠，维护

17、的费用进一步削减,并且良好的起动与工作的性能使得异步、同步、双馈和变速恒频发电等诸多工作方式更加容易实现和转换。限制传统交流调速系统发展的一些核心技术问题，以及在水利、风力发电系统方面的变速恒频问题都有可能在对无刷双馈电机的进一步探索中得到解决。所以,我们就有了在更加深入研究无刷双馈电机这条道路上坚定的走下去的理由，这项事业有着十分重要意义。同时，对无刷双馈点这一新型电机的研究，开发和应用在众多国内外学者的推动下已经有了不小的突破：1.2.1 无刷双馈电机在变频调速中的应用交流变频调速传动这么多年的发展,可以看出，它有潜力比肩于直流调速传动。直流调速传动系统有正在被它一步一步地代替的趋势。当应

18、用在电气传动上时,交流变频调速传动可以使设备的结构变得简单，让原有的技术效能得到提高，也更节电。尽管做了推广，但目前我国变频调速传动系统的应用增长很缓慢,原因主要有下面两个10:变频调速装置还是过多地进口昂贵的国外设备,仅仅在节电上,要经过3至6年的设备改造才能扭亏为盈; 针对高压电机来说，其变频调速装置的方案有两种:第一种是高压直接变频,但是该方法需要很多的器件，结构也很复杂；第二种是高一低一高的变频，但需另增加额外设备即两台变压器。两者都面临这些问题：功率因数不高而谐波所占比例较高,二者均需要花费大量初期资金,但不能达到令人满意的可靠性。在诸如发电厂和钢铁厂这些生产部门中,负载中存在广泛多

19、样的通风机和水泵,相比于阀门挡板，若采用交流变频调速装置来调节流量，可以很大程度地做到节能。但即便如此,由于变频器(特别是大中容量的变频器)过于昂贵，风机泵类负载中却很难采用普通的变频调速系统,所以，这往往使变频调速在大中型电机成为一句空话。所以，若想使变频调速节能技术能被广泛地使用，至关重要的一环就在于研究如何通过降低所需变频器容量以降低整个调速系统的成本。无刷双馈电机调速传动系统让以上难题迎刃而解11。无刷双馈电机在结构上不再装设滑环和电刷,既能够使电机运行起来更可靠,又可节约维护电机的费用,这一点和磁阻型转子电机或笼型转子电机是相同的。另外，它性能良好，起动与运行表现得都很出色,可实现多

20、种运行方式：异步、同步、双馈等12。它具有以下特点:当系统采用了无刷双馈电机调速时,绝大多数的输入电功率要输入给定子功率绕组，它可以使用50Hz交流电，即直接接入电网,而定子控制绕组的"转差功率”就只由变频器来提供。优点如下：成本降低，更能可靠运行，无刷化真正实现13；可以调节功率因数,线路损耗得以减少，无功功率补偿装置的初期花费也能降低，并使调速系统的力能指标有了提高；相比,由于去掉了电刷和滑环,相比有刷双馈和串级调速系统，该系统能够更可靠地运行。电动机可以经受住不利条件而稳定地作为感应电动机运行，甚至是变频器出现了故障；对于运行中的电机，仅有控制绕组和功率绕组的频率、相序能决定电

21、机转速,而无论负载转矩大小都不会影响转速,所以电机的机械特性很硬14;高压电机的调速传动往往有一系列问题：花费高，不可靠，污染电网的谐波所占比例大等。但如果采用无刷双馈电机的调速系统,就可以有效的解决高压电机变频调速系统前述的问题。因为在无刷双馈电机调速系统中，由高压电源供给功率绕组,由普通的低压变频器供给控制绕组15-17。无刷双馈电机的应用开发的市场，要以风机、泵类机械为主攻方向，它们耗去了全国发电量的30%,只要对全国当前存在的3700万台设备中的三成进行调速节能改造,就可每年节约120亿kw·h的电,差不多是80亿元,一到一年半时间即可拿回改造的投资。如果能结合新增加的配套设

22、备将会起到更大的节电效果。所以非常有利于经济效益的提高和节能降耗，它的推广应用现实意义不言而喻。1.2.2 无刷双馈电机在变速恒频发电中的应用随着地球能源的消耗，新能源（又名可再生能源）受到大家越来越多的关注。太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等都算的上是可再生能源18。风力发电是一种依靠风能转换的产生电能的技术,随着它的飞速发展的,越来越多的人注意到它。目前，风电的单机容量已经能够做的很大,并且耗费成本都减少与常规能源的耗费成本相提并论。对于其它新能源,像太阳能、海洋能这一类,它们的发展远远比不上风力发电电,原因就是在现在的情况下这些新能源发电所需要的成本实在太高了。虽然变速风力发电系统有

23、很多种，但如今依然存在很多缺点。就像前面所说到的，依靠绕线转子感应电机产生电能的交流励磁变速恒频风力发电系统在最近几年有了长足的发展，越来越多的学者投入其中20。这种研究的发展不仅实现了变速恒频的控制而且将变频器容量大大减少，大约占系统的一半。除此之外，方便控制有功功率和无功功率可以补偿电网的无功功率，这对电网很有益。但滑环和电刷依然是这种绕线感应电机的硬伤，它很大程度上限制了电机运行环境，从而造成电机成本和维护费用的增加。这个缺点造成的损失将会有无刷双馈电机的越来越广泛的运用而补偿回来。 但从现在关于无刷双馈点机研究情况来看，我们要加强对变速恒频无刷双馈电机的深入研究，以用来平衡在无刷双馈电

24、机电动和发电状态的研究19，这将大大增加风力发电的发张步伐。无刷双馈电机顾名思义就是没有电刷也能够完成能量双馈的运行，同时电机的转速和功率因素都可以调节。当无刷双馈电机的功率绕组产生电能，控制绕组用来作为交流励磁，那么此时无刷双馈点机工作在交流励磁发电状态。电机的变速恒频发电状态可以通过电机转速变化调整得以实现，而电机的功率因素则通过励磁电流的幅值和相位的调整得以调节14。无刷双馈电机可变速运行的柔性联接改变了以往传统同步发电机系统恒速运行的刚性联接，这样发电系统变的更加可靠平稳。特别是无刷双馈点机运用到风电和水电当中，通过发电机变速工作状态使得整个系统处于一个效率很高的状态，能高效率的利用风

25、能和水能。所以无刷双馈点机的研究运用价值能很好的在风力发电和水力发电中体现出来，具有很大的意义21,22。无刷双馈电机无论作为发电机工作还是作为电动机工作,性能表现均很优异。若替换掉抽水储能电站机组现有的绕线转子感应电机和同步电机,而改用无刷双馈电机，系统工作起来更可靠，运行效率也会更高,所以抽水储能电站是无刷双馈电机的一个可以大显身手的场合。除此之外,运行可靠的无刷化结构固然是无刷双馈电机的一个优点23，另外，电励磁同步电机和绕线式、笼型感应电机都具备的长处都体现在了无刷双馈电机上。它可以工作在多种运行方式下：自起动、双馈和异步等,处于哪种模式取决与馈电方式和控制绕组是如何联接的，而对它们的

26、更改是非常方便的，正是有了灵活多变的运行方式，它的起动特性和运行性能才更上一层楼。由前述可以看出，无刷双馈电机在变速恒频发电和调速传动方面确实前景令人看好。但是,凡事有利必有弊，无刷双馈电机也有不足之处，这种不足是固有的。它的定子绕组由两个对称的三相绕组构成,所以电机体积做得很大因此,而它的功率密度又比一般的电机低。但即使这样，体积仍小于两台作串极联接的感应电机。由于所配套的变频器价格和容量的减少,很大程度上减少了整个无刷双馈电机调速系统的花费，即便是电机本身的价格稍高点。1.3无刷双馈电机的优点与缺点无刷双馈电机在近些年引起大家注意并非偶然，它具有有如下四项优点：特殊的结构设计取消了电刷和集

27、电环等装置，使得运行更加可靠稳定，减少了维护费用。变频电源只是单向控制绕组提供电能，所以他的容量远远比电动机的额定功率要小，这样既减少了变频调速系统所耗费用，也削弱了对电网的谐波污染。功率因素可以调节。作为电动机的调速范围宽，控制简单；当变频设备突发状况时，就能够切断控制绕组的电源，单单从功率绕组电源汲取电能，从而使得一步运行能够进行，系统的安全性和可靠性进一步提升。虽然无刷双馈电机具有众多优点，再加上大量的国内外学者对它的深刻研究，但是它的结构设计和工作运行上还是存在以下的五点问题：使用含有谐波的变频电源的控制绕组，以及电机本身存在大量谐波磁场让无刷双馈电机中不可避免含有大量谐，这些谐波对电

28、网的正常运行产生一些不良影响。无刷双馈电机的转子磁场极数转换效率低，需要不断优化转子结构来提高效率。无刷双馈电机损耗大，效率低。大容量的无刷双馈电机起动比较困难。无刷双馈电机数学模型复杂参数计算也很复杂，与实际电机对应的准确数学模型求解困难；具有优良的动静态性能的控制策略目前只是处于理论研究阶段，比较缺乏实践基础，还有很多核心关键的技术难题急需解决。总之，作为一种引起大家热切关注的新式交流调速电机，无刷双馈电机结构特殊，性能优良，在电气传动中的调速节能方面有广阔应用前景，但也会存在很多需要我们深入研究探讨的理论与技术问题。1.4 本文主要研究内容与结构近些年兴起的无刷双馈电机本身拥有众多优点，

29、但它作为传统的旋转电机也还存在一些不足，所以本文提出将旋转型无刷双馈电机变换成直线型无刷双馈电机，这样无刷双馈电机就又拥有了直线电机的众多优点。目前，这种直线无刷双馈电机只处于理论阶段，并没有实际成品。所以本文通过介绍无刷双馈电机和直线电机的相关知识，利用ansoft软件建立直线无刷双馈发电机电机模型，设置参数，并对建立的模型进行计算仿真。根据计算出的仿真图的结果，结合无刷双馈发电机的原理，分析功率绕组感应电压和感应电流，即发电端的结果，从电能转换的角度体现直线无刷双馈发电机的可行性。全文结构如下所述：第一章，绪论。简单叙述了无刷双馈电机的发展及国内外研究现状，研究意义和应用前景，并阐述了无刷

30、双馈电机的优点和缺点。第二章，无刷双馈电机的基本理论。介绍了无刷双馈电机的特殊结构具有不同极对数的两套绕组结构，分析了无刷双馈电机的工作原理并论述了各种不同运行方式。第三章，仿真软件与有限元分析方法。简单介绍了ansoft软件的特点及本文所用的是maxwell对直线无刷双馈电机模型经行仿真。同时也阐述了有限元分析方法基础和无刷双馈电机的有限元分析方法。第四章直线无刷双馈发电机的仿真结果与分析。先介绍了一些直线的电机的基本理论，主要为直线电机结构方面。然后探讨了直线电机较传统旋转电机的优势在哪，最后提出本文研究对象直线无刷双馈发电机。利用ansoft 软件对直线无刷双馈发电机进行建模，并设置参数

31、进行计算仿真，再对仿真所得结果进行客观分析，从转换电能角度论述直线无刷双馈发电机的可行性。第五章，直线无刷发电机的问题与总结。先对全文从理论论述到研究分析仿真结果进行全面总结，然后对无刷双馈发电机存在问题和未来发展前景进行讨论。1.5 本章总结本章对无刷双馈电机的研究背景和意义，以及在国内和国外的发展和目前的研究情况使我们得以认识到无刷双馈电机是一种非常有潜力，并且有着很高实际应用价值的新型特种电机。无刷双馈电机的应用，在变频调速系统中，不但能够减少调速系统的所花费用，而且实现了无刷化，提升了系统运行的可靠性；在风力发电领域中，无刷双馈电机所具有的功率因数可调、效率高，电能质量好等优点使其受到

32、了广泛的关注。由此我们可以看出，对于无刷双馈电机的不断研究和开发是一项不仅具有理论意义也具有重大的实际意义的研发项目。2 无刷双馈电机的基本理论无刷双馈电机同时有异步电机和同步电机的特点使它与一般的交流电机相比，结构更为复杂，具有多种不同的定子和转子绕组的结构形式。本章将探讨一下无刷双馈电机不同结构的定子和转子绕组的特点，再阐述该电机的工作原理，最后简单介绍无刷双馈电机的各种运行方式。2.1无刷双馈电机的结构无刷双馈电机的结构设计内容与传统异步电机一样，有主要尺寸确定，电机参数的选择，电参数的计算和性能计算。近些年来，学者们对无刷双馈电机的设计进行了研究，包括研究了电机的主要尺寸的确定和电磁负

33、荷的选择，讨论了包括定，转子绕组结构设计的电机设计特点和设计原则。2.1.1定子绕组的研究和设计无刷双馈电机在工作时，两个定子绕组都需要增加励磁电压，并在电机磁路中产生两个不同的磁场。他们只能通过转子来间接耦合，即在定子绕组中不相互耦合。对于不同的转子绕组结构定子绕组结构可以完全相同。为了满足上述定子绕组磁场的要求，需要对定子绕组进行特殊的设计。不少的学者们分别对单绕组和双绕组的连接方式进行的研究和设计。当采用一套绕组产生双磁场时，为是绕组在产生两种极对数磁场时都能对称分布，往往采用Y形多并联之路行驶。当采用两套绕组产生双磁场时，方案具有较大的灵活性，不存在绝缘和对称的问题，可根据谐波要求对绕

34、组进行人独立设计。研究表明为了减少两个定子磁场绕组的直接耦合作用，在涉及两个绕组的极对数时，需要涉及两个绕组的极对数之差较大。2.1.2转子套组的研究和设计无刷双馈电机转子绕组结构已经在各种学者的研究下提出了不少心的转子结构，主要分为笼型和磁阻结构。笼型转子结构主要有图2.1所示三种结构:磁阻式24,25、笼型26-28和绕线式29,30它们产生转子磁场的作用原理都相同，只是在制造工艺上存在差异。极数少的磁场下节距较小的转子导体回路产生的转矩较小，而极数多的磁场下节距接近整距的转子导体回路产生的装具较大，因此在设计转子槽和导体分布时，可以不均匀分布。图2.1 笼型转子的三种结构磁阻转子结构主要

35、有图2.2所示结构。他们是通过磁阻转子磁导谐波的调制作用来实现的磁场级数的转换功能。图2.2 磁阻转子结构 不同转子结构的无刷双馈电机在电机基本原理上具有同一性，两者电机的系统分析方法相类似，磁阻型转子无刷双馈电机在电机性能上也具有与笼型转子无刷双馈电机大部分的优点，但由于该类转子结构在工艺制造方面的相对简易，正逐步吸引了越来越多学者的研究和关注。 2.2无刷双馈电机的工作原理图2.3 无刷双馈电机结构图如图 2.3所示，两套具有不同极对数的绕组（功率绕组和控制绕组）组成电机的定子部分。功率绕组部分极对数为p p，频率为f p，控制绕组极对数p c频率f c，并与三相电源通过可逆变频器连接。这

36、两套定子绕组间的电磁不存在耦合关联，它们之间的电磁耦合的联系是通过转子间的特殊结构实现的，转子的特殊结构间会有磁场调制作用。在电机设计过程中，转子极数p r 应满足p r=p p +p c31。将频率为f p和f c的电源分别接入功率绕组和控制绕组，并且f p不等于f c，这样两套绕组会有电流流过，产生两个不同极对数的磁场，磁场再通过转子的特殊结构的调制作用产生耦合，这样就实现了电机的机电转换。 将三相电源接入极对数p p频率为f p的功率绕组的定子时当电机定子极对数为p p的功率绕组，这样通过功率绕组的电流产生磁场的同步转速n sp为：（下标 p 表示功率绕组）（2-1）将频率为f c的变频

37、电源连接到定子极对数p c的控制绕组，这样就会产生一种旋转磁场，方向和功率绕组产生的磁场方向相反，控制绕组的电流产生的磁场同步转速为n sc：（下标 c 表示功率绕组）（2-2）n r为转子转速，那么在定子磁场在通过转子产生的感应电势频率分别是： （2-3） （2-4） 若要使电机能够产生恒定的电磁转矩 （2-5）即 （2-6）则将式(2-3) (2-4)代入式(2-6)得转子转速rn 表达式 （2-7）当电机定子极对数为p c 的控制绕组接入变频电源,频率为f c，控制绕组产生的旋转磁场方向与功率绕组产生的旋转磁场方向相同时，按照相似推导可得此种情况下转子转速n r 为 （2-8）由式(2-

38、7)和式(2-8)可得： （2-9）若功率绕组的三相变频电源顺序与控制绕组的三相电源顺序相同,则fc取正号，若两个绕组的电源三相相序相反，则取负号。从式(2-9)可知，控制绕组、功率绕组所用电的频率以及极对数决定了无刷双馈电机的转速，与同步电机一样，特性很硬。p p 、p c 、f p 若保持不变，电机转速由f c决定，f c的变化是由改变变频器的输出实现的，进而调节无刷双馈电机的转速，这样，能够实现无刷双馈电机的双馈调速，控制绕组和功率绕组的所接电源的频率和极对数决定了其调速范围；当转速n r发生变化时，功率绕组的发电频率 f p可以保持不变，因为可以同步调节输入到控制绕组输入端的电流频率f

39、 c，这样，转速改变也可以发出恒定频率的电能。2.3无刷双馈电机的运行方式无刷双馈电机是一步步发展过来的，源头是两台绕线式异步感应电机作同轴串极连接的构成体， 和一台 2(p p +p c )极的绕线式异步感应电机运行方式很相近，绕线式异步感应电机的转子绕组和定子绕组各相当与无刷双馈电机的控制绕组和功率绕组。在不同的外部励磁条件下，作为电动机运行的无刷双馈电机具有自起动能力，可实现异步运行、同步运行、双馈调速等运行方式32。2.3.1自起动与异步运行如图2.4所示，当定子功率绕组端接到工频三相交流电压，控制绕组端串接起动电阻，通过改变电阻的大小可以改变电机的起动特性。图2.4电机的串电阻起动电

40、机起动后空载转速接近同步转速之后，电机进入异步运行方式。无刷双馈电机的异步运行模式下的工作特性类似于普通异步电机的工作特性。当电机的控制绕组发生故障时，则可以让其暂时工作在异步运行模式下以保证系统的可靠运行。 2.3.2 同步运行方式如图2.5所示，当定子功率绕组端接到工频三相交流电压，控制绕组采用“两并一串”方式加直流励磁，此时电机工作在同步运行方式。在该状态下，可以通过调节控制绕组中直流电流的大小，改变控制绕组电压的大小可以调节改变功率绕组中电流的无功分量，实现调节功率因数的作用。 图2.5 同步运行方式2.3.3 双馈调速运行方式如图 2.6所示，当定子功率绕组端由工频三相交流电压，控制

41、绕组由变频器供电，此时电机工作在双馈调速运行方式。在该状态下，我们可以通过调节控制绕组端变频器频率来调节转子转速。定义自然同步转速n r0 为： （2-10）功率绕组和控制绕组的电流相序相同时，电机工作在超同步双馈运行方式，转子转速高于自然同步转速n r0 ；当功率绕组和控制绕组的电流相序相反时，电机工作在亚同步双馈运行方式，转子转速低于自然同步转速n r0 。图2.6 双馈运行方式2.3.4 发电机运行方式 如图 2.7所示，当定子控制绕组端接变频器作为交流励磁，而功率绕组直接接入电网，此时电机则工作在发电机运行方式。在该种运行方式下，我们既可以根据转速的变化来相应地调节励磁电流的频率从而实

42、现变速恒频发电，也可以通过改变励磁电流的幅值和相位来实现无功调节。 图2.7 发电机运行方式2.4本章总结综上所述，无刷双馈电机既可以运行于电动状态，也可以运行于发电状态。运行于电动状态时，无刷双馈电机可以运行在异步、同步以及双馈状态。运行于异步状态时，它具有普通异步电机的工作特性；运行于同步和双馈状态时它具有普通同步电机的工作特性。运行发电状态时，我们可以通过改变控制绕组的电压大小和相位来调节功率因素，也可以实现变速恒频发电。如果想大规模地让无刷双馈电机投入实际应用，研究其控制策略很有必要，因为无刷双馈电机的多绕组耦合性很强，相比异步电机和同步电机，其动态特性和带负荷性能比较差。 3仿真软件

43、与有限元分析方法Ansoft是一种既可以对电磁机构成完成数值计算，也能对一个系统联合仿真的软件。这款电磁场有限元软件在很早之前就已经引进了，并在电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业中得到广泛应用，并在各个研究领域取得了重大的突破和成绩。3.1 Ansoft软件的简介首先，学者使用非常方便，因为此软件已经成功研究出许多电机模型，我们只需要从Rmxport中取出模型，插入软件。其次，软件模型能够从Rmxport转化为2D模型，再有甚至可以转化为3D模型。最后，电机驱动电路Simplorer，既可以与电路一起进行仿真，提供了电机的一个整体框架，也能

44、和Matlab等进行联合仿真，甚至可以Ansys的Workbench下与Fluent流体场分析工具等耦合进行分析，这是此软件非常有特点的地方。本文采用Ansoft公司的Maxwell各模块对无刷双馈电机进行仿真，设置相关参数，然后对无刷双馈性能进行仿真。 3.2有限元分析方法的简介1960年，Courant提出了有限元理论，先离散全部求解区域，然后分割成许多被称之为单元或有限元的小的子区域。插值函数在单元中构造，在能量泛函的积分式中使用构造好的插值函数，再离散泛函数，离散成多元函数。对所有的自变量分别求其导函数，并令导函数为零，得到一组解为极值的方程，再次由第一类边界条件对该方程组修正，最后使

45、用计算机求解33。3.2.1无刷双馈电机有限元分析的假设条件下面是对BDFM的具体假设条件：（1）BDFM的端部磁场效应被忽略（2）通入三相电流的定子绕组槽内的磁场强度各处相等，方向沿轴向，即只存在轴向的电流密度J和磁矢量位A，无其他方向分量。（3）铁心冲片材料各向同性，所以其B-H曲线是一一对应的，即是单值的。（4）BDFM外部的磁场不计，即求解区域外无磁场。磁矢量位在定子外径的圆上为零。3.2.2无刷双馈电机有限元分析的基本方程由电磁理论可知，分析磁场的基本方程有积分形式和微分形式两种。而有限元法是针对微分形式进行的。微分形式是maxwell方程组，即有 （3-1）式中： H磁场强度，D-

46、外加电流强度，J-电通密度，E-磁场强度，B-磁感应强度，-磁导率由于BDFM求解区域有电流源存在，因此计算时必须采用矢量磁位A。其定义如下： （3-2）式中：外加电流密度，矢量磁位，轴坐标方向在计算BDFM的磁场时，定子外径圆周为求解的边界，它是第一类边界，在该边界上矢量磁位等于零。因此，针对图3-2的模型，BDFM的边界条件方程为： （3-3） （3-4）式中电机定子外径。利用式（3-3）、式（3-4）和有限元分析软件ANSYS, 就可以对BDFM的磁场进行分析和计算.。3.3本章总结AnsoftMaxwell是一种非常有名的有限元软件，在世界范围都是很常用的商用低频电磁场。软件以麦克斯韦

47、微分方程为基础，运用有限元离散的计算方式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。4 直线无刷双馈发电机的仿真结果与分析4.1直线电机基本理论的简介直线电机是一种将旋转运动直接转换成直线运动，而不需要通过中间转换机构的新颖电机，也是一种具有广阔应用和发展前景的电机。图4.1 旋转电机和直线电机图4.1中a为旋转电机，b为直线电机。直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看做是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。图4.2 旋转电机到直线电机的演变这样就得到了由旋转电机演变而来的原始直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧为次级。途中演变而来的电

48、机，它的初级和次级长度相等，由于在运行时初级和次级之间相互运动，如果在运动开始时，初级和次级正巧对其，那么在运动中，初级与次级之间的香雾耦合补分雨来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级和次级间的耦合保持不变，因此实际应用时，试讲初级与次级不同长度。在制造直线电机时，既可以是初级短，次级唱，也可以是初级长，次级短。两者分别成为短初级长次级和长初级短次级。但是因为在制造的花费上，运行的消耗上都较短次级少很多，所以，在目前市场上，排除特殊场合，一般都采用短初级长次级。如4.3图所示图4.3 直线电机的初级和次级绕组上图4.3所示只在一边放置初级，对于这样的结构型称为单边型直线电机。

49、这种结构电机，一个最大特点实在初级和次级之间存在一个很大的法向吸引力，一般在钢次级约为推理十倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸引力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸引力可以抵消，这种如下图4.4所示为双边型。图4.4 双边型直线电机上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最广泛的，除了上述扁平结构外，还可以做成圆筒型的，即管型结构。它可以看做是由旋转电机演变过来的，演变过程如图4.5所示。图中a表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场次级分布情况；图中b表示转变为扁平型直线点击后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线电机运动相垂直

50、的防线卷成筒形，这样就形成了图中c圆筒型直线电机。图4.5 管型结构直线电机此外直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。所谓圆弧型结构，就是将平板型直线电机的初级沿运动防线改成圆弧型，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图4.6所示。图中另一个把次级做成一片圆盘，材质为铜或者铝或者为两个与铁的复合体，讲初级放在次级圆盘靠近外援的平面上，圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然后由于他们的运行原理和设计方法与变频型直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。图4.6 圆盘结构直线电机4.2 直线无刷双馈发电机的提出随着绿色制造理念

51、的不断深入与强化，绿色产品不断涌现。直线电机即是制造业近几十年才兴起的绿色产品之一，它主要具有下述特点： （1）结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降。（2）定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度。（3）反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速

52、性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。基于这些直线电机的优点，我们设想将两种近些年快速发展的两种电机，即无刷双馈电机和直线电机进行结合改进，提出直线无刷直线发电机。下面将利用用 Ansoft软件的二维瞬态场建立直线无刷双馈发电机的Maxwell-2D模型，并基于直线无刷双馈发电机的模型进行有限元分析计算，最后对计算的仿真结果图进行分析。4.3 直线无刷双馈发电机Maxwell 2D模块的仿真4.3.1模型的建立比较旋转式无刷双馈电机的转子结构，直线无刷双馈发电机的动子结构也可大致分为笼型和磁阻型。本文将利用Ansoft 软件建立笼型无刷双馈发电机Maxwell 2D模型。首先，根据电机的性能要

53、求确定定子和动子结构、槽尺寸、绕组等，电机主要数据见表4.1。表4.1电机设计的主要尺寸主要尺寸定子槽宽11mm动子槽宽14mm定子槽数72动子槽数54定子槽口宽度3.5mm动子槽口宽度3.5mm定子槽口高度0.5mm动子槽口高度0.5mm定子深槽宽度14mm动子深槽宽度9.6mm气隙0.8mm然后确定电机材料属性。直线无刷双馈发电机模型中要分别定义定子铁心、动子铁心、气隙3种材料。定子、动子材料都采用D23_50，新增加的材料存放在Localdatabase中。最后建立电机模型，下图4.7为直线无刷双馈发电机的Maxwell2D模型。图4.7电机的二维几何模型4.3.2模型的网格剖分有限元应

54、用于电磁场的实质就是把连续的电磁场问题变为离散系统的问题来解决，电机模型离散化就是通过网格剖分实现的，它直接影响有限元计算结果的准确性。软件自身有自适应网格剖分的功能，但有时根据需要，需要用户设置网格，理论上，网格越密集，准确度越高。考虑到计算机资源和运行时间因素，只需要重点加密磁场变化较大的气隙部分。对于本文直线无刷双馈发电机，具体网格剖分设置如下：Length_Bar=1.9mm，分配给鼠笼条区域；Length_Coil=2.55mm，分配给定子绕组区；Length_Main=5.18mm，分配给电机整体区域。其中Bar和Main采用Surface Approximation剖分设置，对边

55、界为曲线的bar和Main进一步的剖分。网格剖分结果见图4.8，图4.9为气隙部分网格剖分放大图。图4.8网格剖分图图4.9网格剖分图4.3.3求解设置对电机的模型进行离散化，根据电机不同部位精度要求进行设置，确定有限元计算的边界条件和外加激励参数。Ansoft独具特色的部分是自带schematic capture，可以编辑功率变化电路，构成一个完整系统进行仿真，本文对无刷双馈发电机控制绕组提供三相对称交流电。为了能保证有限元求解的精度，需要在Analysis菜单中设置求解方式和精度的设置。设置速度为12.252m/s，仿真步长为0.001s，仿真时间0.2s。通过瞬态求解器的设置来完成直线无

56、刷双馈发电机的性能仿真。4.4 直线无刷双馈发电机仿真结果及分析本设计在Ansoft公司的Mawell2D环境下建立仿真结果及其分析Ansoft的求解是自动完成的。下图4.10所示直线无刷双馈发电机的磁力线路图图4.10电机磁力线图图4.11 磁场分布云图图4.11所示直线无刷双馈发电机的磁力线路图基本符合真实的磁路，几乎所有的磁力线都通过磁阻较小的铁心，但同时，不可避免的有漏磁现象的出现，这可能和磁路的设计和材料的选取有关。图4.12控制绕组接入三相电流图4.13功率绕组感应电压图4.14功率绕组感应电流图4.12为在直线无刷双馈发电机控制绕组端接入的三相交流励磁电流，通过直线无刷双馈发电机

57、模型的运行仿真，在功率绕组端产生了基本符合正弦波形的三相正弦感应电压（图4.13）和三相正弦感应电流（图4.14）。正弦波形不标准的原因可能为谐波磁场的影响和磁路饱和的原因。图4.15功率绕组输出功率上图4.15所示为直线无刷双馈发电机功率绕组所产生的输出功率，由图可知输出功率为正并且较为稳定。4.5本章总结综合上述对直线无刷双馈发电机Maxwell2D模型仿真结果的分析，可以说所提出的直线无刷双馈发电机能基本实现发电的功能，单从发电功能的角度证明了直线无刷双馈发电机的可行性。5 直线无刷双馈发电机的总结与展望本文综合了无刷双馈电机和直线的电机的优点，提出了直线无刷双馈发电机，利用Ansoft软件进行建模仿真，取得了一定成果，但同时还有很多问题有待进一