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无刷双馈电机磁场调制机理与电磁设计研究

作　者: 刘航航
导　师: 韩力
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 无刷双馈电机磁场调制电感参数电磁设计软件研发
分类号: TM34
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
引　用: 1次
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内容摘要

无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machine,BDFM)作为一种新型交流电机,具有变频器容量小、功率因数和转速调节灵活等优点,在电动机变频调速运行以及发电机变速恒频运行方面具有良好的应用前景。然而,由于BDFM结构和运行机理的特殊性,其参数计算、数学模型和电磁设计均较为复杂,目前尚未见到该类电机的完整电磁设计软件。本文依托重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目,以笼型转子BDFM为研究对象,针对BDFM的磁场调制机理与电磁设计展开研究。首先,简要介绍了BDFM的基本结构、工作原理和功率平衡关系;其次,从电机学的基本理论出发,深入分析了定、转子绕组的磁动势,从理论上分析了改善BDFM磁场调制效果的方法,进而研究了BDFM能量转换关系;第三,根据常规交流电机电磁设计的基本理论,以及BDFM的特点,阐述了BDFM电磁设计的原理与方法,并结合d-q轴模型介绍了BDFM性能计算的方法;第四,分别利用考虑谐波影响下的绕组函数法和有限元法,对BDFM的电感参数进行了计算和对比分析;最后,在Visual Basic平台上自主研发了一套BDFM的电磁设计软件,利用该软件对样机进行了电磁设计和运行特性的计算,并对样机的结构参数和性能参数进行了分析,并提出了磁场调制效果的判别准则。结果表明,BDFM在调速范围较低的场合,能减小所需变频器容量,从而降低系统成本;通过增加笼型转子BDFM转子短路环数以及改变其空间分布,可以改善BDFM的磁场调制效果;在考虑高次谐波影响的情况下,计算BDFM电感参数的方法更为合理;针对不同的应用场合,BDFM的电磁设计方案有较大的不同,完整的BDFM电磁设计软件对新产品的研发具有重要作用,通过BDFM的效率高低来判断其磁场调制效果的方法更具有实用性。本文的研究工作为BDFM磁场分析、参数计算、电磁设计提供了理论基础,提供的电磁设计方案对BDFM的性能仿真、动态分析具有一定的参考价值。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题背景及研究意义  8-9
  1.2 BDFM 发展历史及研究现状  9-12
  1.3 本文的研究内容  12-13
2 无刷双馈电机的基本结构和工作原理  13-20
  2.1 引言  13
  2.2 BDFM 结构特点  13-15
  2.3 BDFM 转速与转差率关系  15-17
    2.3.1 BDFM 电流频率与转速关系  15-16
    2.3.2 BDFM 转速与转差率关系  16-17
  2.4 BDFM 功率平衡关系分析  17-19
  2.5 小结  19-20
3 无刷双馈电机的磁动势与磁场调制  20-29
  3.1 引言  20
  3.2 BDFM 定子绕组磁动势及产生的气隙磁密  20-21
  3.3 气隙磁密在转子绕组参考坐标轴系下的表达式  21-22
  3.4 BDFM 转子磁动势分析  22-25
    3.4.1 与功率绕组对应的转子磁动势  22-24
    3.4.2 与控制绕组对应的转子磁动势  24-25
  3.5 转子磁动势分析实例  25-28
    3.5.1 削弱高次谐波的方法  27-28
    3.5.2 能量转换原理  28
  3.6 小结  28-29
4 无刷双馈电机的电磁设计方法  29-49
  4.1 引言  29
  4.2 BDFM 主要性能指标  29
  4.3 BDFM 主要尺寸及电磁负荷的选择  29-32
  4.4 BDFM 定转子结构设计  32-34
    4.4.1 BDFM 定子绕组设计  32-33
    4.4.2 BDFM 定转子槽数槽型设计  33-34
  4.5 BDFM 磁路计算  34-36
    4.5.1 BDFM 气隙磁压降的计算  34-35
    4.5.2 BDFM 齿部磁压降的计算  35
    4.5.3 BDFM 轭部磁压降的计算  35-36
  4.6 BDFM 性能计算  36-38
  4.7 BDFM 电感参数计算  38-47
    4.7.1 利用绕组函数法计算BDFM 电感参数  39-41
    4.7.2 利用有限元法计算BDFM 电感参数  41-43
    4.7.3 解析法与有限元法计算结果及对比分析  43-47
  4.8 小结  47-49
5 无刷双馈电机的电磁设计应用  49-63
  5.1 引言  49
  5.2 电磁设计软件编制原则  49
  5.3 BDFM 电磁设计软件  49-51
  5.4 BDFM 电磁设计实例  51-59
    5.4.1 定子尺寸设计  51-52
    5.4.2 定子绕组设计  52-53
    5.4.3 转子设计  53
    5.4.4 方案确定及计算结果  53-59
  5.5 判别磁场调制效果方法  59-62
  5.6 小结  62-63
6 结论与展望  63-64
  6.1 总结  63
  6.2 展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
附录  69-71
  A.BDFM 样机设计基本参数  69-70
  B.BDFM 样机转子结构图  70-71
  C.BDFM 电磁设计软件说明  71
  D. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  71
  E. 作者在攻读学位期间发表承担的科研项目情况  71

无刷双馈电机磁场调制机理与电磁设计研究

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