并列结构混合励磁同步发电机的研究

论文摘要

本文以提高混合励磁同步电机的功率密度、扩大电机的输出调节范围为研究目标,主要致力于并列结构混合励磁同步发电机的研究,在分析和总结永磁同步电机、电励磁同步电机、现有混合励磁同步电机研究现状的基础上,探讨了提高永磁同步电机性能的原理和方法;研究了并列结构混合励磁同步发电机、磁分路式径向结构混合励磁同步发电机两种电机的结构及其工作原理;并利用样机进行了验证。主要的研究内容和成果综述如下:首先,综述了国内外混合励磁同步电机的研究现状,从磁势联结方式入手探讨了混合励磁同步电机的分类,剖析了现有类型混合励磁电机的等效磁路及适宜结构特征,归纳了混合励磁同步电机的特点,讨论了它的应用及其发展前景。其次,围绕提高永磁同步电机性能的原理和方法开展了研究。给出了切向磁钢永磁同步电机磁钢厚度的几何约束条件;阐述了“聚磁”作用的两种定义,分析了极对数与“聚磁”的关系;研究了磁钢厚度、非导磁衬套厚度对电机性能的影响;从提高电机气隙磁密、减小切向磁钢永磁同步电机转轴侧漏磁的角度出发,重点探讨了辅助磁极的合理放置位置,并对辅助磁钢的厚度进行了优化;在磁钢厚度恒定、磁钢宽度达到极限而辅助磁极自然消失的情况下提出了切向磁钢永磁同步电机的结构优化方案。分析了2对极切向磁钢永磁同步电机作飞机交流发电机时电机性能的若干影响因素,比较研究了2对极切向磁钢永磁同步电机转子长度与定子长度之比Lr/Ls不同时电机的性能;探讨了切向磁钢永磁同步电机作飞机无刷直流发电机时电机性能、电机重量与极对数的关系;然后,重点研究了并列结构混合励磁同步发电机的结构、原理和设计方法。阐述了无刷并列结构混合励磁同步发电机的结构;结合其结构特点,探讨了并列结构混合励磁同步发电机中永磁同步发电机和电励磁同步发电机的设计原则和方法;借助于电枢反应理论,研究了负载电流和励磁电流不同配置情况下并列结构混合励磁同步发电机中永磁同步发电机和电励磁同步发电机各自的电枢反应,揭示了并列结构混合励磁同步发电机中的三种运行模态,即发电-电动模态、单发电模态、双发电模态,并定义了三种运行模态的边界线;探讨了并列结构混合励磁同步发电机中永磁同步发电机和电励磁同步发电机的三种组合方式,依据电励磁同步发电机的负载特性,研究了混合励磁电机中励磁电流的计算方法。通过样机进行了验证。接着,研究了磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的结构,利用等效磁路,分析了磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的工作原理,给出了该电机结构中特有的磁分流点、磁不分流点和负载平衡点的概念,探讨了改善电机输出调节范围的原理和方法,揭示了该电机的合理结构型式。通过样机进行了验证。最后,提出了进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 HESM 国内外研究现状和特点
• 1.2.1 混合励磁同步电机的研究现状
• 1.2.2 HESM 的特点
• 1.2.3 混合励磁同步电机的应用和发展前景
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 切向磁钢永磁同步电机的结构研究
• 2.1 IPMSM 的结构及磁场的有限元分析
• 2.1.1 IPMSM 的结构及其参数
• 2.1.2 磁场有限元分析的方法
• 2.2 IPMSM 磁钢厚度和气隙磁密的关系
• 2.2.1 IPMSM 磁钢厚度的几何约束条件
• m与电机性能的分析'>2.2.2 气隙δ不变时，磁钢厚度h_m与电机性能的分析
• 2.2.3 IPMSM“聚磁”性质的研究
• 2.3 IPMSM 非导磁衬套的研究
• 2.3.1 气隙δ变化时，非导磁性衬套厚度t 和磁钢厚度hm的变化
• δ和漏磁Φ_σ的关系'>2.3.2 气隙δ恒定时，非导磁衬套厚度t 与气隙磁密B_δ和漏磁Φ_σ的关系
• 2.3.3 磁钢厚度hm恒定时，非导磁衬套厚度t 与气隙δ的关系
• m气隙δ的关系'>2.3.4 非导磁衬套厚度t 恒定时，磁钢厚度h_m气隙δ的关系
• δ、漏磁Φ_σ不变的情况下，气隙δ、磁钢厚度h_m 和非导磁衬套厚度t 的关系'>2.3.5 在保持气隙磁密 B_δ、漏磁Φ_σ不变的情况下，气隙δ、磁钢厚度h_m 和非导磁衬套厚度t 的关系
• 2.4 IPMSM 辅助磁极的优化
• 2.4.1 求解模型与磁场分布
• 2.4.2 辅助磁极放置位置的确定
• 2.4.3 辅助磁钢厚度变化对工作气隙磁密的影响
• 2.4.4 引入辅助磁极后，电机磁场分布的有限元分析
• 2.5 IPMSM 的优化
• 2.6 设计实例
• 2.6.1 RMxprt 软件的介绍
• 2.6.2 极对数P＝2 时切向磁钢永磁同步发电机性能的研究
• 2.6.3 极对数对切向磁钢永磁同步发电机的影响
• 2.7 本章小结
• 第三章 并列结构混合励磁同步发电机的研究
• 3.1 并列结构HESG 的结构和工作原理
• 3.1.1 电机结构
• 3.1.2 工作原理
• 3.2 并列结构HESG 中永磁同步发电机的设计
• 3.2.1 并列结构混合励磁同步电机中PMSG 的设计原则
• 3.2.2 提高PMSG 性能的原理和方法
• 3.2.3 PMSG 结构的选择
• 3.3 并列结构HESG 中EESG 的设计
• 3.3.1 EESG 的设计原则
• 3.3.2 EESG 主要尺寸的确定
• 3.4 EESG 的空载和负载特性
• 3.4.1 空载特性
• 3.4.2 EESGXad、Xaq、Xσ的计算
• 3.4.3 不同负载时EESG 的负载特性
• 3.5 并列结构HESG 运行模态的分析
• 3.5.1 永磁同步发电机和HESG 在If=0 时的外特性
• 3.5.2 并列结构HESG 三种运行模态
• 3.5.3 不同负载情况下三种运行模态的边界线
• 3.6 HESG 的三种组合方法
• 3.6.1 PMSG 和EESG 的三种组合方法
• 3.6.2 励磁电流If的计算方法
• 3.7 实例验证
• 3.7.1 空载特性
• 3.7.2 外特性
• 3.7.3 调节特性
• 3.7.4 样机三种运行模态区域的划分
• 3.8 本章小结
• 第四章 磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的研究
• 4.1 转子磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的结构及工作原理
• 4.1.1 转子磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的结构
• 4.1.2 磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的工作原理
• 4.2 磁分流点、磁不分流点及负载平衡点的定义及计算
• 4.2.1 磁分流点、磁不分流点及负载平衡点的定义
• 4.2.2 磁分流点、磁不分流点的计算
• 4.2.3 负载平衡点的计算
• 4.3 磁分路式径向结构混合励磁同步发电机的实验验证
• 4.3.1 空载特性
• 4.3.2 外特性
• 4.3.3 调节特性
• 4.3.4 短路特性
• 4.4 电机结构的改进
• 4.4.1 减小导磁体间漏磁的方法
• 4.4.2 提高电机输出电压调节范围的方法
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结及展望
• 5.1 本文的主要研究内容
• 5.2 论文的主要创新点
• 5.3 进一步的研究方向和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文