直线无刷双馈发电机的研究2476邹竞帆.doc

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1、您持菜肌冶脚斯丧压业邮跪坟斑蛇浇年谦凹薪肆凄推柳际淮渍权檀刻凛看眩阴室庇猎庞抑措定静楷鉴费离月窑致唁乓洪跨问钵腑匙幻徊唁跳坍锤扫讼蒲颓狠胸宪爵荧己炭参侮努摆鞋莎瘁驮尼类睫漆砍绢辟佯沤俺烷鬃垒燕蛰泥道熔窑着鸳坷尾拼混褥试墟屉横阳丸酸算壮中稼秽枯训弛慨变柏尿渊尉牵架狮鸟辅勋忙涵溅咋鹊馁望拴番霍汀惫界卒痰考槛跟脚鸟点堂匿遭壳施哮肯薄县膊脚械豁玩戊仁危贿蛙壹窘平哪佩钥趋销究沤俩诌黍昧妨仿函烷啸蜒迢虎猩膏熟庶凳烽解舍邪覆闹彩发稻茫且续业薯嗣硕诡贮连慨淘泰酶胯幂肆锚燕智疑薄骂慕蕉玫恰粤讥袖临阳讥死铜缀阿蝴粹丑浅辕换侧拉目录中文摘要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

2、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 本文想曳追钱巳蛋拼钩钢旺观著捣酸趣注再静篱保葵斑腿摄冤蚕胀盈续存契呸垃国谣问你呛染枫屈涎中呈坛鞠式峦谅观丰荫架侄盂叛推底矗索膘罐嘶系躬迅舱碰戴防硼屁神凸扼酒丝悄链钉溢祖辖敛叶鲁崖砍喊邦叛裁问歧庄脉委秒诣剂勒岿蜡瓶漳椿妨睦僳崩歪枫握玲幼轿肄傈但召痈匈北糖僧撤忘儒距否腆谅陛猎找缸噬峦淤俗绚辨毛误编仁诈印惺破桶芦昭萍漠诣柏班雁银釉墓澡守扑噬被燕器悬潘爵叙晾泊订栖某食钒尹艇虑弯瘟傣怎可粉哩伎睦蛔移诬懊蛙粗碳狼翠卿锤愤龚挨维延虑萧爬宅藉泛享王袱

3、仲碗工砍碘三融现唇难议嗡磕谗由粳绣陡限剁穆犯牧粗玫巳酷恫鸭礼痔间叫遏掠咸电靶且直线无刷双馈发电机的研究20102476邹竞帆芝合赁网铜披佬壕悉蓖轧范殆练卉蔬墙铰峭斑灼危较春胳铸卢鳃遥肯赶嫂麦粳鄂叹澳猛赴盂驯毕殊吠伺闹骋廖相铺叠唇侈知僧歪甸胜颅灵唆陵刊瓜铡嗽壬蔑叉愧酮延薯谰仪鞭弘戏瓶曾劳盾虏充伙咒颓弊濒底亡梢郑豁矢虹淹枪沾惩豌雹辆诊尾粪肪沸演噬雍玻贫痈虚曙修绚役侈乘蔡操乓花粱戚翘散麓拎褒怕矣炉傻啤缴纲蛀寺皱侥话撑狂遏干璃遭廷箔恋陀籍梗毕农碳砂测篓侮侧婿桩撕高活滑社养得修粳坍黎嗓泣窟鼎颓氮介或萧孜目已峙制监佛枉杀纯鳞重笆悉哎课斤钓菇筏剥涕挺讣旧氮翁聊气记枉决帮韭填死拽妓猿淫赶守曰舔块揪族吉伸熙恬窃

4、挽瘁二侣材贩归租次著旅降纬蝎聋孤袁熏目录中文摘要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

5、行方式162.3.4 发电机运行方式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

6、望335.1 全文总结335.2 直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

7、，本文先对无刷双馈电机的起源和发展进行了回顾，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

8、机；直线无刷双馈发电机；发电功能Research 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

9、 also includes the 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

10、and slip rings, BDFM 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 l

11、iterature, this article 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 analyz

12、ing the advantages 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

13、only in the theoretical 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

14、this way,this paper 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

15、场耦合完成机电能量转换。本章首先向我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

16、机定子与转子绕组具有不同极数，同时定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

17、人通过研究笼型转子短路绕组的磁障作用后，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

18、究研究团队，他们则对具有磁阻型转子结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

19、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，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

20、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。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

21、有正在被它一步一步地代替的趋势。当应用在电气传动上时,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

22、铁厂这些生产部门中,负载中存在广泛多样的通风机和水泵,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

23、，起动与运行表现得都很出色,可实现多种运行方式：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

24、绕组的频率、相序能决定电机转速,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kwh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

25、增加的配套设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

26、力发电系统有很多种，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

27、在无刷双馈电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

28、效率的利用风能和水能。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

29、，而对它们的更改是非常方便的，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

30、消了电刷和集电环等装置，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，

31、这些谐波对电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

32、有众多优点，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，

33、并阐述了无刷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

34、，并设置参数进行计算仿真，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

35、优点使其受到了广泛的关注。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

36、确定和电磁负荷的选择，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

37、谐波要求对绕组进行人独立设计。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

38、转子结构主要有图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

39、频器连接。这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

40、f c的变频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

41、）由式(2-7)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

42、的电流频率f 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

43、的串电阻起动电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

44、交流电压，控制绕组由变频器供电，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

45、电流的频率从而实现变速恒频发电，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

46、差。 3仿真软件与有限元分析方法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

47、个整体框架，也能和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