無(wú)刷雙饋電機(jī)齒駐波磁場(chǎng)理論及應(yīng)用研究
2017-5-22 15:53:13??????點(diǎn)擊：
1研究背景與意義
交流電機(jī)是實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的主要機(jī)械裝置，其主要包括異步電機(jī)和同步電機(jī)兩種類型。由于結(jié)構(gòu)差異和運(yùn)行原理的區(qū)別，兩種電機(jī)均具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，學(xué)者們?cè)诓粩嗵剿餍碌碾姍C(jī)形式以期具有兩種常規(guī)交流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并彌補(bǔ)它們的不足之處。無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種近年來(lái)被重點(diǎn)關(guān)注的一種新型交流電機(jī)。它取消了普通交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)中的電刷與滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上一般放置兩套不同極對(duì)數(shù)的獨(dú)立繞組，分別被稱作功率繞組和控制繞組。它們將通過(guò)合理設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子使各自磁場(chǎng)間接耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同繞組間能量的相互流動(dòng)?？刂评@組作為電機(jī)的交流勵(lì)磁繞組，可以方便的通過(guò)電源進(jìn)行電壓幅值與頻率的調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步、雙饋等不同工作狀態(tài)的切換。特別的，當(dāng)控制繞組自短路連接或串接外電阻，無(wú)刷雙饋電機(jī)將運(yùn)行于異步狀態(tài)，這種狀態(tài)可以很好的彌補(bǔ)普通同步電機(jī)難以自行啟動(dòng)的缺陷。綜上所述，無(wú)刷雙饋電機(jī)工作狀態(tài)多樣，兼具異步電機(jī)與同步電機(jī)的運(yùn)行特性，能夠很好的適應(yīng)不同工況對(duì)電機(jī)的要求。另外，在變速恒頻發(fā)電及高壓變頻驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，無(wú)刷雙饋電機(jī)亦可有效減小配套變頻器的容量，極大節(jié)約了系統(tǒng)成本。
2解決的主要問(wèn)題
本文以無(wú)刷雙饋電機(jī)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用為研究對(duì)象，深入探究電機(jī)合成磁場(chǎng)的變化規(guī)律，并解決了以下幾個(gè)制約無(wú)刷雙饋電機(jī)應(yīng)用與普及的問(wèn)題：
?。?）借助駐波的概念描述由兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)分量疊加產(chǎn)生的無(wú)刷雙饋電機(jī)合成氣隙磁場(chǎng)的變化規(guī)律與特征。
?。?）利用無(wú)刷雙饋電機(jī)磁場(chǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可盡量削弱氣隙磁場(chǎng)中的無(wú)用諧波含量且避免磁場(chǎng)各極對(duì)數(shù)分量的比例隨負(fù)荷不斷變化。
（3）利用無(wú)刷雙饋電機(jī)合成磁場(chǎng)的特點(diǎn)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與電磁運(yùn)行性能進(jìn)行分析，總結(jié)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能?！?/span>
3重點(diǎn)內(nèi)容
3.1 合成磁場(chǎng)齒駐波特征
通過(guò)理論分析與計(jì)算對(duì)電機(jī)的合成磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)了這種磁場(chǎng)與駐波以及交流繞組齒諧波磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)，提出“齒駐波”磁場(chǎng)概念來(lái)描述無(wú)刷雙饋電機(jī)磁場(chǎng)幅值隨時(shí)間的波動(dòng)規(guī)律，并利用有限元仿真方法驗(yàn)證。
3.2 基于齒駐波磁場(chǎng)特征的無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于無(wú)刷雙饋電機(jī)齒駐波磁場(chǎng)特點(diǎn)，利用交流繞組齒諧波原理和不等匝、不等節(jié)距等諧波消除方法對(duì)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)磁動(dòng)勢(shì)諧波分析及對(duì)比，本文所提的新型繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)擁有較低的諧波含量及固定的磁動(dòng)勢(shì)幅值比例關(guān)系。與傳統(tǒng)特殊籠型結(jié)構(gòu)相比，這種繞線式結(jié)構(gòu)更符合齒駐波磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的要求
3.3 基于齒駐波磁場(chǎng)特征的無(wú)刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能研究
利用齒駐波磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的不平衡磁拉力和電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生進(jìn)行研究。由齒駐波磁場(chǎng)的對(duì)稱性，無(wú)刷雙饋電機(jī)極數(shù)配合必須滿足|pp?pc|=2k的限制條件才能消除不平衡磁拉力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。此外，根據(jù)齒駐波磁場(chǎng)的同步旋轉(zhuǎn)特征，本文從電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換基本原理出發(fā)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率角進(jìn)行定義，并推導(dǎo)出功角特性表達(dá)式，將無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率分析方法與普通交流電機(jī)相統(tǒng)一。利用30kW、2/6的無(wú)刷雙饋電機(jī)電動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元仿真分析，本文所提的功角特性和不平衡磁拉力的消除得到了很好的驗(yàn)證。
3.4 無(wú)刷雙饋電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程研究
為了方便分析，本文首先采用等效旋轉(zhuǎn)的觀點(diǎn)將無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制繞組與功率繞組統(tǒng)一，建立起以功率繞組磁場(chǎng)同步速旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一dq軸瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。其次，在所建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上對(duì)繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的對(duì)稱三相短路瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了解析計(jì)算，分析了這種電機(jī)在低電壓穿越運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì)。再次，針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，本文分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速突變、負(fù)載突變的瞬態(tài)變化過(guò)程并提出保持電壓幅值和頻率恒定的控制策略。最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電壓幅值波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入分析，并利用電壓補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行消除。經(jīng)動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)分析，本文所建立的數(shù)學(xué)模型及解析計(jì)算的有效性得到了驗(yàn)證。
4主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
?。?）對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)合成磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)了這種磁場(chǎng)與駐波以及交流繞組齒諧波磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)，首次提出“齒駐波”磁場(chǎng)概念。
?。?）基于齒駐波磁場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過(guò)諧波分析及對(duì)比，指出利用齒諧波原理及不等匝、不等節(jié)距等方法所設(shè)計(jì)的新型繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)諧波含量低且各分量比例恒定，是符合齒駐波磁場(chǎng)的理想結(jié)構(gòu)。
?。?）利用齒駐波原理對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的不平衡磁拉力的產(chǎn)生進(jìn)行研究。經(jīng)理論推導(dǎo)及有限元仿真驗(yàn)證，提出新的無(wú)刷雙饋電機(jī)的極數(shù)配合條件：|pp?pc|=2k。只有滿足此限制條件，才能保證無(wú)刷雙饋電機(jī)磁場(chǎng)的磁密幅值在氣隙圓周相對(duì)圓心對(duì)稱，進(jìn)而完全消除不平衡磁拉力。
?。?）經(jīng)解析計(jì)算并結(jié)合有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)齒駐波磁場(chǎng)原理提出定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)軸線夾角即為無(wú)刷雙饋電機(jī)功角，并據(jù)此推導(dǎo)出電機(jī)功角特性曲線。
（5）對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)將控制繞組視為等效旋轉(zhuǎn)的方法建立以功率繞組同步速旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一dq軸數(shù)學(xué)模型，并借助此模型分析無(wú)刷雙饋電機(jī)在功率繞組端發(fā)生三相對(duì)稱短路的瞬態(tài)物理過(guò)程。經(jīng)過(guò)解析計(jì)算、動(dòng)態(tài)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到無(wú)刷雙饋電機(jī)具有較小的短路電流，有利于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越運(yùn)行的結(jié)論?！?/span>
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