超导感应电机的研究

论文摘要

目前,国内外超导电机的研究主要集中在以下几个方面:超导单极直流电机、半超导同步电机和应用超导块材的超导特种电机。尤其是半超导同步电机的研究是目前超导电机的研究主流。主要原因是同步电机激磁由转子直流励磁绕组提供,用超导替代常导制造直流励磁绕组可以实现很高的磁密,从而电机可以不用铁心,使电机体积、重量大幅度降低。而感应电机激磁由交流电枢绕组提供,仅仅在转子上应用超导仍需保留常导电机中的铁心。但超导感应电机具有自身的优点,如不需旋转引流机构、结构简单、可靠性高、起动方便,起动后又能达到同步速、效率高,一旦超导交流损耗问题得到突破,可进一步减小电机体积,提高功率密度。目前关于超导感应电机方面的研究还很少,希望本文能够为其进一步发展提供参考。本文参考已经商业化的传统JS2-400M2-4型鼠笼转子感应电机,将其转子铜（铝）绕组替换成Bi-2223/Ag超导材料,改造成了超导感应电机。采用了三种不同的方法对其进行分析,并和原普通感应电机进行对比。第一种方法是有限元法:首先,本文利用Ansoft公司的Maxwell有限元分析软件仿真了超导感应电机空载起动和施加负载后的稳定运行过程,然后,分别计算了超导感应电机和原普通感应电机在额定状态下的电磁参数和性能参数,结果表明超导感应电机的功率密度比原感应电机比提高约10%。第二种方法是等效电路法:由于超导感应电机与传统感应电机结构和原理相同,所以传统感应电机的等效电路法也适用于超导感应电机,不同的是,超导感应电机的转子电阻随运行状态的不同而变化,所以,要把能准确描述超导材料特性的Weibull函数和等效电路联合起来,即通过非线性等效电路模型分析超导感应电机性能。通过这种方法,本文研究了超导感应电机的稳态特性,计算了最大同步转矩和最小起动电压,结果表明,超导感应电机相对普通感应电机,具有更大的起动转矩和最大转矩倍数,且效率更高。第三种方法是建立超导感应电机的数学模型,利用Simulink工具对其暂态过程进行仿真。针对上述超导感应电机,本文提出了一些优化方案。如果缩小定子内径,同时增加定子槽面积和每槽导体数,可进一步提高功率密度,将每槽导体数由原来的12改为14后,功率密度又提高了约15%。然后,分析了转子交流分量产生的原因,可以采用转子斜槽来消除交流分量。最后,比较了YBCO超导感应电机和BSCCO超导感应电机,计算结果表明YBCO超导感应电机性能更优越。虽然,本文的一些分析过程还是有些粗略的,不能向传统电机那样精确地设计和分析电机,比如等效电路分析过程中有许多假设等.这有很多原因,比如超导材料的特性比较复杂,还很难精确描述,现有的仿真软件也没有考虑超导材料的特性等。但本文中的设计和分析方法还是能大体上正确地设计超导感应电机和反应出超导感应电机的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 超导材料的特性及研究现状
• 1.2.1 超导体及超导线材的特性
• 1.2.2 高温超导材料的种类、性能和工业化生产
• 1.3 超导电机的特点和研究现状
• 1.3.1 超导同步发电机
• 1.3.2 高温超导同步电动机
• 1.3.3 高温超导感应电机
• 1.4 本文研究主要内容
• 第2章 高温超导感应电机设计与分析
• 2.1 超导感应电机的设计
• 2.2 超导感应电机有限元仿真
• 2.2.1 有限元法的基本原理
• 2.2.2 Ansoft有限元仿真设置
• 2.2.3 有限元仿真结果
• 2.3 等效电路法分析超导感应电机特性
• 2.3.1 Weibull函数描述的超导材料特性
• 2.3.2 非线性等效电路分析方法
• 2.3.3 计算结果和讨论
• 2.4 超导感应电机的Simulink建模与仿真
• 2.4.1 数学模型
• 2.4.2 Simulink建模与仿真
• 2.5 超导感应电机与普通电机性能对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 超导感应电机的优化
• 3.1 改进电机结构尺寸
• 3.2 采用斜槽减少转子绕组交流分量
• 3.2.1 气隙磁场及转子电流谐波分析
• 3.2.2 采用斜槽法减少转子绕组交流分量
• 3.3 不同超导材料对电机性能影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 总结和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表（或录用）的学术论文
• 致谢