异向旋转双转子永磁同步电机基础理论分析与仿真研究

论文摘要

双转子异向旋转永磁同步电机具有单输入的电端口和两个独立输出的机械端口,可应用于水下航行器对转螺旋桨推进系统中,能够简化推进系统的结构、减小体积、降低重量和成本、而且没有电刷滑环,运行更加安全可靠。与传统电机相比,由于结构上的巨大差异,特别是目前该类电机的研究尚处于起步阶段,尚有许多基础理论需要研究,许多科学问题需要解决,本论文将围绕该类电机基础理论问题进行如下研究。首先,针对双转子永磁同步电机的定子和两个转子之间是由两个异向旋转磁场耦合的特点,建立其特殊的等效电磁模型和能量流通关系。由于异向旋转引起永磁体相对位置周期变化,从而在定子铁心中产生了周期变化的径向磁路,将可变径向磁阻引入等效磁路模型中,利用磁阻参数变化等效永磁体空间位置变化,所得等效磁路模型可较准确体现该电机内磁场变化。该电机可等效为两台主磁路并联、绕组反相序串联的永磁同步电机,电枢异向旋转磁场在气隙中与转子永磁体空载磁场相互作用产生电磁功率。根据该电机双机械口输出特点,建立双d-q轴稳态向量关系,然后重新定义了功率角并推导出双功角与电磁功率之间的独特功角特性。其次,针对该电机机械结构和电磁关系的特点,建立其数学模型并进行仿真研究。先分别建立两等效电机d-q轴数学模型,然后考虑电流相等的约束关系,将两者统一起来,得到单电口双机械口电机数学模型。通过计算机仿真分析,研究了该类电机性能并探讨各参数对效率和功率因数的影响。对于相同负载,当空载感应电动势相同且两者之和接近端电压时电机效率和功率因数较高,另外绕组电阻改变对电机性能影响不大。最后,在基础理论研究的基础上,该类电机采用由内而外的分体设计思路,设计了一台6极11kW试验样机,利用有限元分析软件对该样机模型进行了电磁场分析,验证了电磁设计方法的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 永磁电机的研究发展现状
• 1.2.2 双转子电机的研究发展现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 异向旋转双转子永磁电机结构特点与运行机理
• 2.1 设计思想和结构特点
• 2.1.1 双转子结构设计思想的提出
• 2.1.2 双转子电机结构特点
• 2.1.3 双气隙径向磁通电机比较
• 2.2 双转子永磁电机运行机理与特性
• 2.2.1 电机运行机理
• 2.2.2 电机特性
• 2.3 本章小结
• 第三章 异向旋转双转子永磁电机的磁电模型与能量转换关系
• 3.1 双转子永磁电机等效磁路模型
• 3.1.1 等效磁路法
• 3.1.2 磁路特点
• 3.1.3 等效磁路模型
• 3.1.4 等效磁路参数计算
• 3.2 双转子永磁电机电磁关系
• 3.3 双转子永磁电机等效电路与向量图
• 3.4 双转子永磁电机能量流通关系
• 3.4.1 功率和转矩平衡方程
• 3.4.2 功角特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 异向旋转双转子永磁电机仿真研究
• 4.1 计算机仿真研究的目的
• 4.2 双转子永磁电机状态方程
• 4.2.1 电压方程和磁链方程
• 4.2.2 电磁转矩和运动方程
• 4.2.3 电压约束
• 4.3 双转子永磁电机运行特性仿真
• 4.4 双转子永磁电机稳态性能仿真
• 4.4.1 稳态性能参数计算方法
• 4.4.2 参数变化对平均效率和功率因数的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 异向旋转双转子永磁电机设计与分析
• 5.1 双转子永磁电机电磁设计
• 5.1.1 设计思路
• 5.1.2 设计方案
• 5.1.3 样机设计
• 5.2 双转子永磁电机有限元磁场分析
• 5.2.1 静态磁场分析
• 5.2.2 瞬态磁场分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢