新型旋转整流器式混合励磁无刷交流同步电机研究

论文摘要

混合励磁同步电机作为一种新型电机结构形式,内部既有永磁体又有励磁绕组,可以有效解决永磁电机气隙磁场调节困难以及电励磁电机效率相对较低的问题,具有较大的研究应用价值。与此同时,无刷同步电机由于其可靠性高、维护简单,在航空、风电等领域有着极为广泛的应用。因此,探索具有功率密度高、可控性好、运行可靠等优点的新型交流变频无刷同步电机具有重要意义。本文研究了一种新型切向/径向磁路并联结构的混合励磁同步电机（Tangential/Radial Hybrid Excitation Synchronous Machine,简称T/R-HESM）,详细介绍了该电机的基本结构和工作原理。根据电机特殊的切向/径向磁路特点,建立了其等效磁路模型,从磁路角度分析了电机的磁场调节原理。采用有限元分析法,在JMAG-Studio软件中建立了T/R-HESM的2D有限元模型,仿真获得了该电机的磁场分布情况及一系列静态、动态特性。结果表明:该电机可方便地实现气隙磁场的完全调节与控制,其并联磁路能形成显著的聚磁效应。为了提高T/R-HESM的运行可靠性,拓宽其应用领域,采用旋转整流器技术对电机进行了无刷化改进。针对T/R-HESM的特殊结构,本文提出了两级式无刷复励方案,并对无刷励磁系统的核心部件励磁机进行了电磁设计,分别建立了其在空载和带旋转整流器两种情况下的有限元模型,仿真分析了励磁机的空载特性及电流放大特性,以及旋转整流器输入、输出情况。结果证明无刷励磁系统完全满足T/R-HESM的励磁要求。为了对整个电机系统进行深入的研究,在MATLAB中建立了两级式电机系统数学模型,仿真得到了无刷励磁系统的相关特性,以及两级式电机的发电特性,其结果与JMAG-Studio电磁仿真所得是一致的。最后,设计生产了一台380V/1.5KW的样机进行相关实验研究。分别对主发电机,励磁机以及整个两级式电机系统进行了静态、动态特性试验。所得实验结果不仅验证了T/R-HESM以及励磁机在理论分析、电磁设计上的合理性以及仿真分析上的正确性,也证明了整个系统方案的可行性及研究应用价值。

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 的国内外研究现状
• 1.2.1 串联磁路式HESM 的研究现状
• 1.2.2 并联磁路式HESM 的研究现状
• 1.3 HESM 的特点及应用
• 1.3.1 HESM 的特点及其适用场合
• 1.3.2 HESM 在航空电源系统中的应用前景
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 T/R-HESM 的基本原理及特性分析
• 2.1 T/R-HESM 的基本结构
• 2.2 T/R-HESM 的工作原理及其等效磁路分析
• 2.2.1 T/R-HESM 的工作原理
• 2.2.2 等效磁路与永磁体工作点分析
• 2.3 T/R-HESM 二维有限元模型的建立
• 2.4 T/R-HESM 的静态、动态特性分析
• 2.4.1 磁场分布情况分析
• 2.4.2 空载特性分析
• 2.4.3 外特性分析
• 2.4.4 调节特性分析
• 2.4.5 短路特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 T/R-HESM 的无刷化实现及励磁机设计
• 3.1 系统无刷励磁方案的确定
• 3.1.1 同步电机的励磁系统
• 3.1.2 传统三级式无刷同步电机的组成
• 3.1.3 两级式无刷复励方案的提出
• 3.2 励磁机的电磁设计
• 3.2.1 性能要求和技术指标
• 3.2.2 结构及尺寸的确定
• 3.2.3 绕组连接方案的选定
• 3.2.4 主要结构参数的计算
• 3.3 无刷励磁系统的建模仿真及特性分析
• 3.3.1 励磁机建模仿真与特性分析
• 3.3.2 无刷励磁系统建模仿真与特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 两级式电机系统的MATLAB 建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.1.1 Simulink 与PSB 模型简介
• 4.1.2 旋转整流器式同步电机数学模型介绍
• 4.2 两级式电机系统仿真模型的建立
• 4.2.1 主发电机模型的建立
• 4.2.2 励磁机及励磁系统模型的建立
• 4.2.3 两级式无刷同步电机整体模型的建立
• 4.3 两级式电机系统的特性仿真研究
• 4.3.1 励磁机及无刷励磁系统的特性分析
• 4.3.2 两级式电机系统的发电稳态特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 两级式电机系统的实验研究
• 5.1 样机及实验平台
• 5.2 主发电机特性试验
• 5.2.1 空载特性试验
• 5.2.2 外特性试验
• 5.2.3 调节特性试验
• 5.2.4 短路试验
• 5.3 励磁机特性试验
• 5.4 两级式电机特性试验
• 5.4.1 空载试验
• 5.4.2 带载试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间获得的荣誉及发表的学术论文