直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的研究鄒競(jìng)帆

1、目錄中文摘要1英文摘要21 緒論41.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究意義和應(yīng)用前景51.2.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)在變頻調(diào)速中的應(yīng)用61.2.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)在變速恒頻發(fā)電中的應(yīng)用91.3無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)81.4 本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)91.5 本章總結(jié)102 無(wú)刷雙饋電機(jī)的基本理論112.1無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)112.1.1定子繞組的研究和設(shè)計(jì)112.1.2轉(zhuǎn)子套組的研究和設(shè)計(jì)112.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理132.3無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行方式152.3.1自起動(dòng)與異步運(yùn)行152.3.2 同步運(yùn)行方式152.3.3 雙饋調(diào)速運(yùn)行方式162.3.4 發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式

2、172.4本章總結(jié)183仿真軟件與有限元分析方法193.1 Ansoft軟件的簡(jiǎn)介193.2有限元分析方法的簡(jiǎn)介193.2.1無(wú)刷雙饋電機(jī)有限元分析的假設(shè)條件193.2.2無(wú)刷雙饋電機(jī)有限元分析的基本方程203.3本章總結(jié)204 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的仿真結(jié)果與分析214.1直線電機(jī)基本理論的簡(jiǎn)介214.2 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的提出254.3 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)Maxwell 2D模塊的仿真264.3.1模型的建立264.3.2模型的網(wǎng)格剖分274.3.3求解設(shè)置284.4 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果及分析284.5本章總結(jié)325 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的總結(jié)與展望335.1 全文總結(jié)335.2 直

3、線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的展望33謝辭34參考文獻(xiàn)35直線型無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的研究摘要：無(wú)刷雙饋電機(jī)是最近些年越來(lái)越被大量學(xué)者關(guān)注并加以研究的一種新型電機(jī)。無(wú)論在交流調(diào)速系統(tǒng)，還是在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)都展現(xiàn)非常好的研究和應(yīng)用前景。無(wú)刷雙饋電機(jī)同時(shí)包含了同步電機(jī)和異步電機(jī)的特點(diǎn)，具有兩套極數(shù)不相同的定子繞組，分別為功率繞組和控制繞組，并通過(guò)具有籠型或者磁阻型結(jié)構(gòu)的 轉(zhuǎn)子進(jìn)行磁耦合。無(wú)刷雙饋電機(jī)沒(méi)有了電刷和滑環(huán)，無(wú)刷雙饋電機(jī)將電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，維護(hù)的費(fèi)用進(jìn)一步削減,并且良好的起動(dòng)與工作的性能使得異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等諸多工作方式更加容易實(shí)現(xiàn)和轉(zhuǎn)換。結(jié)合中外文獻(xiàn)，本文先對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的起源和發(fā)展進(jìn)

4、行了回顧，并探討了無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究意義和發(fā)展前景。在基于無(wú)刷雙饋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，介紹了無(wú)刷雙饋電機(jī)的各種運(yùn)行方式，同時(shí)分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文在介紹了Ansoft軟件的特點(diǎn)功能后，探討了直線電機(jī)較傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提出了直線無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)電機(jī)。由于直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)目前只處于理論階段，所以利用Ansoft軟件的二維瞬態(tài)場(chǎng)建立直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的Maxwell-2D模型，并基于直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算的仿真結(jié)果圖進(jìn)行分析，從發(fā)出電能的角度說(shuō)明直線無(wú)刷發(fā)電機(jī)的可行性。關(guān)鍵詞：無(wú)刷雙饋電機(jī)；直線電機(jī)；直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)；發(fā)電功能Re

5、search of linear brushless doubly-fed generatorAbstract：BDFM is a new type of motor which is recently and increasingly concerned and study by the large number of scholars. Both in AC drive system, or in the VSCF system,it is showing very good research and application prospects.BDFM also includes the

6、 features of the synchronous and asynchronous motors,BDFM has two stator windings in which has different number of poles,namely, the power winding and control winding,and magnetically coupled by the rotor which have a cage-type structure or reluctance structure. Not having brushes and slip rings, BD

7、FM can runs more stable and reliably,and need less maintenance costs,moreover,its starting with the good performance of work makes asynchronous, synchronous, and doubly-fed VSCF power generation, and many work more easily achieved and conversion.Combination of Chinese and foreign literature, this ar

8、ticle reviews the origins and development of the BDFM and discusses the significance of the research and development prospects of BDFM.On the basis of the structural characteristics and working principle of BDFM, the paper describes the various modes of operation BDFM, while analyzing the advantages

9、 and disadvantages of BDFM.This paper describes the characteristics of Ansoft software feature explores the many advantages of linear motor ,compared to conventional rotary motor, and then puts forward the straight BDFG. Since the linear brushless doubly-fed generator is currently only in the theore

10、tical stage,In this paper, we use two-dimensional transient field Ansoft software to build Maxwell-2D model of linear brushless doubly-fed generator ,and analyzes the model of linear BDFG by finite element theories. Finally, analyzes the simulation results Figure of calculation.In this way,this pape

11、r instructs linear brushless generator,from the perspective of energy conversion, is feasible. Keywords:BDFM；linear motor；linear brushless doubly-fed generator；generating function1 緒論無(wú)刷雙饋電機(jī)作為一顆近年來(lái)在電機(jī)產(chǎn)業(yè)中發(fā)展起來(lái)的新星，是一種新式交流調(diào)速電機(jī)的類(lèi)型，既可以用來(lái)作為發(fā)電機(jī)，也能夠作為電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)是由功率繞組和控制繞組組成，它們定子繞組相互獨(dú)立而通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)磁場(chǎng)耦合完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。本章首先向我

12、們介紹了無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展的過(guò)程和目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究情況，然后探討了無(wú)刷雙饋電機(jī)的科研意義和未來(lái)應(yīng)用價(jià)值，再闡述了無(wú)刷雙饋電機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，最后將本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單敘述出來(lái)。1.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀圖1.1 串級(jí)感應(yīng)電機(jī)示意圖如圖1.1所示。兩臺(tái)繞線式異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接在一起，這種裝置就是串級(jí)感應(yīng)電機(jī)。兩臺(tái)繞線式異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是通過(guò)相同軸方向連接組成的，進(jìn)而逐步發(fā)展成為無(wú)刷雙饋電機(jī)。在第二十世紀(jì)開(kāi)始，由于成本和性能方面的考慮，學(xué)者曾幾次試圖將它發(fā)展成一個(gè)單一的單元級(jí)聯(lián)式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。在1907年，亨特提出了一種新穎的電機(jī)，該電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子繞組具有不同極數(shù)，同時(shí)定

13、轉(zhuǎn)子繞組共用相同的磁路1。之后的格瑞迪根據(jù)亨特提出的基本理論上，對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出一些可行的極數(shù)組合，無(wú)刷雙饋電機(jī)的雛形就這樣形成了2。然而由于電力電子器件發(fā)展的限制以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的局限，雖然該電機(jī)在初期取得了一些經(jīng)濟(jì)效益，但是隨后研究工作陷入了停滯階段。20世紀(jì)70年代左右，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制極數(shù)的發(fā)展，由于無(wú)刷雙饋電機(jī)固有的一些優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們又重新對(duì)該種電機(jī)進(jìn)行了研究。布羅德韋根據(jù)亨特的基本理論提出了一種特殊結(jié)構(gòu)的籠型轉(zhuǎn)子，同時(shí)運(yùn)用轉(zhuǎn)子槽的矢量圖具體討論該種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)定子兩種不同繞組的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”調(diào)制效應(yīng)3。隨后，布羅德韋等人通過(guò)研究籠型轉(zhuǎn)子短路繞組的磁障作用

14、后，發(fā)現(xiàn)磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以來(lái)替換短路籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4。從第二十世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)具有籠型和磁阻型這兩種轉(zhuǎn)子的無(wú)刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)和它們各自的控制方法進(jìn)行了更為深刻的研究，并形成了各自相應(yīng)的研究體系。 從第二十世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)威斯康星大學(xué)，俄亥俄大學(xué)，俄勒岡大學(xué)，英國(guó)的劍橋大學(xué)、澳大利亞的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)等高等學(xué)校在無(wú)刷雙饋電機(jī)各方面都進(jìn)行了更深的研究活動(dòng)。在國(guó)外，以無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究對(duì)象的不同可以分為兩大流派，其一是美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)和英國(guó)劍橋大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，他們對(duì)具有籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行了研究；另一是威斯康星州大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)等研究研究團(tuán)隊(duì)，他們則對(duì)具有磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)

15、構(gòu)的無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行了。他們?cè)趯?duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)所采用的研究方法因?yàn)榫哂羞@兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而有所差別，進(jìn)而形成了兩種不同的研究體系。在國(guó)內(nèi)，上世紀(jì)80年代末沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)展了無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究工作并獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，隨后的浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、太原理工大學(xué)也開(kāi)始了對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究?jī)?nèi)容主要集中于電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)的等效電路模型及參數(shù)計(jì)算等方面。近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的控制策略的研究也一直是關(guān)注的很大一部分。1.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究意義和應(yīng)用前景無(wú)刷雙饋電機(jī)同時(shí)包含了同步

16、電機(jī)和異步電機(jī)的特點(diǎn)，屬于交流電機(jī)的一種，但這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成以及工作過(guò)程和傳統(tǒng)的交流電機(jī)又有很大的不同。無(wú)刷雙饋電機(jī)沒(méi)有電刷和滑環(huán)，它的兩套極數(shù)不相同的定子繞組（功率繞組和控制繞組）沒(méi)有直接的磁耦合，而是通過(guò)具有籠型或者磁阻型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行磁耦合5-9。無(wú)刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理是運(yùn)用轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)諧波或者磁導(dǎo)諧波對(duì)定子繞組有差別的極數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的調(diào)制效應(yīng)來(lái)完成的，所以控制繞組連接方式的變換或者外加電源的頻率的改變都會(huì)讓無(wú)刷雙饋電機(jī)在多種運(yùn)行方式中轉(zhuǎn)換。最近十年來(lái),無(wú)刷雙饋電機(jī)成了眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者爭(zhēng)相研究的對(duì)象。和籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)一樣，沒(méi)有了電刷和滑環(huán)，無(wú)刷雙饋電機(jī)將電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，維護(hù)

17、的費(fèi)用進(jìn)一步削減,并且良好的起動(dòng)與工作的性能使得異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等諸多工作方式更加容易實(shí)現(xiàn)和轉(zhuǎn)換。限制傳統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的一些核心技術(shù)問(wèn)題，以及在水利、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方面的變速恒頻問(wèn)題都有可能在對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的進(jìn)一步探索中得到解決。所以,我們就有了在更加深入研究無(wú)刷雙饋電機(jī)這條道路上堅(jiān)定的走下去的理由，這項(xiàng)事業(yè)有著十分重要意義。同時(shí)，對(duì)無(wú)刷雙饋點(diǎn)這一新型電機(jī)的研究，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的推動(dòng)下已經(jīng)有了不小的突破：1.2.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)在變頻調(diào)速中的應(yīng)用交流變頻調(diào)速傳動(dòng)這么多年的發(fā)展,可以看出，它有潛力比肩于直流調(diào)速傳動(dòng)。直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)有正在被它一步一步地代替的趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)

18、用在電氣傳動(dòng)上時(shí),交流變頻調(diào)速傳動(dòng)可以使設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，讓原有的技術(shù)效能得到提高，也更節(jié)電。盡管做了推廣，但目前我國(guó)變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用增長(zhǎng)很緩慢,原因主要有下面兩個(gè)10:變頻調(diào)速裝置還是過(guò)多地進(jìn)口昂貴的國(guó)外設(shè)備,僅僅在節(jié)電上,要經(jīng)過(guò)3至6年的設(shè)備改造才能扭虧為盈; 針對(duì)高壓電機(jī)來(lái)說(shuō)，其變頻調(diào)速裝置的方案有兩種:第一種是高壓直接變頻,但是該方法需要很多的器件，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜；第二種是高一低一高的變頻，但需另增加額外設(shè)備即兩臺(tái)變壓器。兩者都面臨這些問(wèn)題：功率因數(shù)不高而諧波所占比例較高,二者均需要花費(fèi)大量初期資金,但不能達(dá)到令人滿意的可靠性。在諸如發(fā)電廠和鋼鐵廠這些生產(chǎn)部門(mén)中,負(fù)載中存在廣泛多

19、樣的通風(fēng)機(jī)和水泵,相比于閥門(mén)擋板，若采用交流變頻調(diào)速裝置來(lái)調(diào)節(jié)流量，可以很大程度地做到節(jié)能。但即便如此,由于變頻器(特別是大中容量的變頻器)過(guò)于昂貴，風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載中卻很難采用普通的變頻調(diào)速系統(tǒng),所以，這往往使變頻調(diào)速在大中型電機(jī)成為一句空話。所以，若想使變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)能被廣泛地使用，至關(guān)重要的一環(huán)就在于研究如何通過(guò)降低所需變頻器容量以降低整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本。無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)讓以上難題迎刃而解11。無(wú)刷雙饋電機(jī)在結(jié)構(gòu)上不再裝設(shè)滑環(huán)和電刷,既能夠使電機(jī)運(yùn)行起來(lái)更可靠,又可節(jié)約維護(hù)電機(jī)的費(fèi)用,這一點(diǎn)和磁阻型轉(zhuǎn)子電機(jī)或籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)是相同的。另外，它性能良好，起動(dòng)與運(yùn)行表現(xiàn)得都很出色,可實(shí)現(xiàn)多

20、種運(yùn)行方式：異步、同步、雙饋等12。它具有以下特點(diǎn):當(dāng)系統(tǒng)采用了無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速時(shí),絕大多數(shù)的輸入電功率要輸入給定子功率繞組，它可以使用50Hz交流電，即直接接入電網(wǎng),而定子控制繞組的"轉(zhuǎn)差功率”就只由變頻器來(lái)提供。優(yōu)點(diǎn)如下：成本降低，更能可靠運(yùn)行，無(wú)刷化真正實(shí)現(xiàn)13；可以調(diào)節(jié)功率因數(shù),線路損耗得以減少，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的初期花費(fèi)也能降低，并使調(diào)速系統(tǒng)的力能指標(biāo)有了提高；相比,由于去掉了電刷和滑環(huán),相比有刷雙饋和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠更可靠地運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)可以經(jīng)受住不利條件而穩(wěn)定地作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，甚至是變頻器出現(xiàn)了故障；對(duì)于運(yùn)行中的電機(jī)，僅有控制繞組和功率繞組的頻率、相序能決定電

21、機(jī)轉(zhuǎn)速,而無(wú)論負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小都不會(huì)影響轉(zhuǎn)速,所以電機(jī)的機(jī)械特性很硬14;高壓電機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)往往有一系列問(wèn)題：花費(fèi)高，不可靠，污染電網(wǎng)的諧波所占比例大等。但如果采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),就可以有效的解決高壓電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)前述的問(wèn)題。因?yàn)樵跓o(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由高壓電源供給功率繞組,由普通的低壓變頻器供給控制繞組15-17。無(wú)刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)，要以風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)機(jī)械為主攻方向，它們耗去了全國(guó)發(fā)電量的30%,只要對(duì)全國(guó)當(dāng)前存在的3700萬(wàn)臺(tái)設(shè)備中的三成進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造,就可每年節(jié)約120億kw·h的電,差不多是80億元,一到一年半時(shí)間即可拿回改造的投資。如果能結(jié)合新增加的配套設(shè)

22、備將會(huì)起到更大的節(jié)電效果。所以非常有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高和節(jié)能降耗，它的推廣應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義不言而喻。1.2.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)在變速恒頻發(fā)電中的應(yīng)用隨著地球能源的消耗，新能源（又名可再生能源）受到大家越來(lái)越多的關(guān)注。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒊毕芎蜕锬艿榷妓愕纳鲜强稍偕茉?8。風(fēng)力發(fā)電是一種依靠風(fēng)能轉(zhuǎn)換的產(chǎn)生電能的技術(shù),隨著它的飛速發(fā)展的,越來(lái)越多的人注意到它。目前，風(fēng)電的單機(jī)容量已經(jīng)能夠做的很大,并且耗費(fèi)成本都減少與常規(guī)能源的耗費(fèi)成本相提并論。對(duì)于其它新能源,像太陽(yáng)能、海洋能這一類(lèi),它們的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上風(fēng)力發(fā)電電,原因就是在現(xiàn)在的情況下這些新能源發(fā)電所需要的成本實(shí)在太高了。雖然變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有

23、很多種，但如今依然存在很多缺點(diǎn)。就像前面所說(shuō)到的，依靠繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生電能的交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最近幾年有了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者投入其中20。這種研究的發(fā)展不僅實(shí)現(xiàn)了變速恒頻的控制而且將變頻器容量大大減少，大約占系統(tǒng)的一半。除此之外，方便控制有功功率和無(wú)功功率可以補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功功率，這對(duì)電網(wǎng)很有益。但滑環(huán)和電刷依然是這種繞線感應(yīng)電機(jī)的硬傷，它很大程度上限制了電機(jī)運(yùn)行環(huán)境，從而造成電機(jī)成本和維護(hù)費(fèi)用的增加。這個(gè)缺點(diǎn)造成的損失將會(huì)有無(wú)刷雙饋電機(jī)的越來(lái)越廣泛的運(yùn)用而補(bǔ)償回來(lái)。 但從現(xiàn)在關(guān)于無(wú)刷雙饋點(diǎn)機(jī)研究情況來(lái)看，我們要加強(qiáng)對(duì)變速恒頻無(wú)刷雙饋電機(jī)的深入研究，以用來(lái)平衡在無(wú)刷雙饋電

24、機(jī)電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)的研究19，這將大大增加風(fēng)力發(fā)電的發(fā)張步伐。無(wú)刷雙饋電機(jī)顧名思義就是沒(méi)有電刷也能夠完成能量雙饋的運(yùn)行，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率因素都可以調(diào)節(jié)。當(dāng)無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組產(chǎn)生電能，控制繞組用來(lái)作為交流勵(lì)磁，那么此時(shí)無(wú)刷雙饋點(diǎn)機(jī)工作在交流勵(lì)磁發(fā)電狀態(tài)。電機(jī)的變速恒頻發(fā)電狀態(tài)可以通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)，而電機(jī)的功率因素則通過(guò)勵(lì)磁電流的幅值和相位的調(diào)整得以調(diào)節(jié)14。無(wú)刷雙饋電機(jī)可變速運(yùn)行的柔性聯(lián)接改變了以往傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)恒速運(yùn)行的剛性聯(lián)接，這樣發(fā)電系統(tǒng)變的更加可靠平穩(wěn)。特別是無(wú)刷雙饋點(diǎn)機(jī)運(yùn)用到風(fēng)電和水電當(dāng)中，通過(guò)發(fā)電機(jī)變速工作狀態(tài)使得整個(gè)系統(tǒng)處于一個(gè)效率很高的狀態(tài)，能高效率的利用風(fēng)

25、能和水能。所以無(wú)刷雙饋點(diǎn)機(jī)的研究運(yùn)用價(jià)值能很好的在風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電中體現(xiàn)出來(lái)，具有很大的意義21,22。無(wú)刷雙饋電機(jī)無(wú)論作為發(fā)電機(jī)工作還是作為電動(dòng)機(jī)工作,性能表現(xiàn)均很優(yōu)異。若替換掉抽水儲(chǔ)能電站機(jī)組現(xiàn)有的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī),而改用無(wú)刷雙饋電機(jī)，系統(tǒng)工作起來(lái)更可靠，運(yùn)行效率也會(huì)更高,所以抽水儲(chǔ)能電站是無(wú)刷雙饋電機(jī)的一個(gè)可以大顯身手的場(chǎng)合。除此之外,運(yùn)行可靠的無(wú)刷化結(jié)構(gòu)固然是無(wú)刷雙饋電機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)23，另外，電勵(lì)磁同步電機(jī)和繞線式、籠型感應(yīng)電機(jī)都具備的長(zhǎng)處都體現(xiàn)在了無(wú)刷雙饋電機(jī)上。它可以工作在多種運(yùn)行方式下：自起動(dòng)、雙饋和異步等,處于哪種模式取決與饋電方式和控制繞組是如何聯(lián)接的，而對(duì)它們的

26、更改是非常方便的，正是有了靈活多變的運(yùn)行方式，它的起動(dòng)特性和運(yùn)行性能才更上一層樓。由前述可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)在變速恒頻發(fā)電和調(diào)速傳動(dòng)方面確實(shí)前景令人看好。但是,凡事有利必有弊，無(wú)刷雙饋電機(jī)也有不足之處，這種不足是固有的。它的定子繞組由兩個(gè)對(duì)稱的三相繞組構(gòu)成,所以電機(jī)體積做得很大因此,而它的功率密度又比一般的電機(jī)低。但即使這樣，體積仍小于兩臺(tái)作串極聯(lián)接的感應(yīng)電機(jī)。由于所配套的變頻器價(jià)格和容量的減少,很大程度上減少了整個(gè)無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的花費(fèi)，即便是電機(jī)本身的價(jià)格稍高點(diǎn)。1.3無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)無(wú)刷雙饋電機(jī)在近些年引起大家注意并非偶然，它具有有如下四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取消了電刷和集

27、電環(huán)等裝置，使得運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定，減少了維護(hù)費(fèi)用。變頻電源只是單向控制繞組提供電能，所以他的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比電動(dòng)機(jī)的額定功率要小，這樣既減少了變頻調(diào)速系統(tǒng)所耗費(fèi)用，也削弱了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。功率因素可以調(diào)節(jié)。作為電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬，控制簡(jiǎn)單；當(dāng)變頻設(shè)備突發(fā)狀況時(shí)，就能夠切斷控制繞組的電源，單單從功率繞組電源汲取電能，從而使得一步運(yùn)行能夠進(jìn)行，系統(tǒng)的安全性和可靠性進(jìn)一步提升。雖然無(wú)刷雙饋電機(jī)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，再加上大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)它的深刻研究，但是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作運(yùn)行上還是存在以下的五點(diǎn)問(wèn)題：使用含有諧波的變頻電源的控制繞組，以及電機(jī)本身存在大量諧波磁場(chǎng)讓無(wú)刷雙饋電機(jī)中不可避免含有大量諧，這些諧波對(duì)電

28、網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一些不良影響。無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極數(shù)轉(zhuǎn)換效率低，需要不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)提高效率。無(wú)刷雙饋電機(jī)損耗大，效率低。大容量的無(wú)刷雙饋電機(jī)起動(dòng)比較困難。無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜參數(shù)計(jì)算也很復(fù)雜，與實(shí)際電機(jī)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型求解困難；具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能的控制策略目前只是處于理論研究階段，比較缺乏實(shí)踐基礎(chǔ)，還有很多核心關(guān)鍵的技術(shù)難題急需解決?？傊?，作為一種引起大家熱切關(guān)注的新式交流調(diào)速電機(jī)，無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，性能優(yōu)良，在電氣傳動(dòng)中的調(diào)速節(jié)能方面有廣闊應(yīng)用前景，但也會(huì)存在很多需要我們深入研究探討的理論與技術(shù)問(wèn)題。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)近些年興起的無(wú)刷雙饋電機(jī)本身?yè)碛斜姸鄡?yōu)點(diǎn)，

29、但它作為傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)也還存在一些不足，所以本文提出將旋轉(zhuǎn)型無(wú)刷雙饋電機(jī)變換成直線型無(wú)刷雙饋電機(jī)，這樣無(wú)刷雙饋電機(jī)就又擁有了直線電機(jī)的眾多優(yōu)點(diǎn)。目前，這種直線無(wú)刷雙饋電機(jī)只處于理論階段，并沒(méi)有實(shí)際成品。所以本文通過(guò)介紹無(wú)刷雙饋電機(jī)和直線電機(jī)的相關(guān)知識(shí)，利用ansoft軟件建立直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)電機(jī)模型，設(shè)置參數(shù)，并對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算仿真。根據(jù)計(jì)算出的仿真圖的結(jié)果，結(jié)合無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的原理，分析功率繞組感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，即發(fā)電端的結(jié)果，從電能轉(zhuǎn)換的角度體現(xiàn)直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的可行性。全文結(jié)構(gòu)如下所述：第一章，緒論。簡(jiǎn)單敘述了無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究意義和應(yīng)用前景，并闡述了無(wú)刷

30、雙饋電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。第二章，無(wú)刷雙饋電機(jī)的基本理論。介紹了無(wú)刷雙饋電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)具有不同極對(duì)數(shù)的兩套繞組結(jié)構(gòu)，分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理并論述了各種不同運(yùn)行方式。第三章，仿真軟件與有限元分析方法。簡(jiǎn)單介紹了ansoft軟件的特點(diǎn)及本文所用的是maxwell對(duì)直線無(wú)刷雙饋電機(jī)模型經(jīng)行仿真。同時(shí)也闡述了有限元分析方法基礎(chǔ)和無(wú)刷雙饋電機(jī)的有限元分析方法。第四章直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的仿真結(jié)果與分析。先介紹了一些直線的電機(jī)的基本理論，主要為直線電機(jī)結(jié)構(gòu)方面。然后探討了直線電機(jī)較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪，最后提出本文研究對(duì)象直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)。利用ansoft 軟件對(duì)直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，并設(shè)置參數(shù)

31、進(jìn)行計(jì)算仿真，再對(duì)仿真所得結(jié)果進(jìn)行客觀分析，從轉(zhuǎn)換電能角度論述直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的可行性。第五章，直線無(wú)刷發(fā)電機(jī)的問(wèn)題與總結(jié)。先對(duì)全文從理論論述到研究分析仿真結(jié)果進(jìn)行全面總結(jié)，然后對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)存在問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行討論。1.5 本章總結(jié)本章對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究背景和意義，以及在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的發(fā)展和目前的研究情況使我們得以認(rèn)識(shí)到無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種非常有潛力，并且有著很高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型特種電機(jī)。無(wú)刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，不但能夠減少調(diào)速系統(tǒng)的所花費(fèi)用，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中，無(wú)刷雙饋電機(jī)所具有的功率因數(shù)可調(diào)、效率高，電能質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)使其受到

32、了廣泛的關(guān)注。由此我們可以看出，對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)的不斷研究和開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)不僅具有理論意義也具有重大的實(shí)際意義的研發(fā)項(xiàng)目。2 無(wú)刷雙饋電機(jī)的基本理論無(wú)刷雙饋電機(jī)同時(shí)有異步電機(jī)和同步電機(jī)的特點(diǎn)使它與一般的交流電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，具有多種不同的定子和轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式。本章將探討一下無(wú)刷雙饋電機(jī)不同結(jié)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子繞組的特點(diǎn)，再闡述該電機(jī)的工作原理，最后簡(jiǎn)單介紹無(wú)刷雙饋電機(jī)的各種運(yùn)行方式。2.1無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容與傳統(tǒng)異步電機(jī)一樣，有主要尺寸確定，電機(jī)參數(shù)的選擇，電參數(shù)的計(jì)算和性能計(jì)算。近些年來(lái)，學(xué)者們對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，包括研究了電機(jī)的主要尺寸的確定和電磁負(fù)

33、荷的選擇，討論了包括定，轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則。2.1.1定子繞組的研究和設(shè)計(jì)無(wú)刷雙饋電機(jī)在工作時(shí)，兩個(gè)定子繞組都需要增加勵(lì)磁電壓，并在電機(jī)磁路中產(chǎn)生兩個(gè)不同的磁場(chǎng)。他們只能通過(guò)轉(zhuǎn)子來(lái)間接耦合，即在定子繞組中不相互耦合。對(duì)于不同的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)定子繞組結(jié)構(gòu)可以完全相同。為了滿足上述定子繞組磁場(chǎng)的要求，需要對(duì)定子繞組進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。不少的學(xué)者們分別對(duì)單繞組和雙繞組的連接方式進(jìn)行的研究和設(shè)計(jì)。當(dāng)采用一套繞組產(chǎn)生雙磁場(chǎng)時(shí)，為是繞組在產(chǎn)生兩種極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)時(shí)都能對(duì)稱分布，往往采用Y形多并聯(lián)之路行駛。當(dāng)采用兩套繞組產(chǎn)生雙磁場(chǎng)時(shí)，方案具有較大的靈活性，不存在絕緣和對(duì)稱的問(wèn)題，可根據(jù)諧波要求對(duì)繞

34、組進(jìn)行人獨(dú)立設(shè)計(jì)。研究表明為了減少兩個(gè)定子磁場(chǎng)繞組的直接耦合作用，在涉及兩個(gè)繞組的極對(duì)數(shù)時(shí)，需要涉及兩個(gè)繞組的極對(duì)數(shù)之差較大。2.1.2轉(zhuǎn)子套組的研究和設(shè)計(jì)無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種學(xué)者的研究下提出了不少心的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要分為籠型和磁阻結(jié)構(gòu)。籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有圖2.1所示三種結(jié)構(gòu):磁阻式24,25、籠型26-28和繞線式29,30它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用原理都相同，只是在制造工藝上存在差異。極數(shù)少的磁場(chǎng)下節(jié)距較小的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體回路產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，而極數(shù)多的磁場(chǎng)下節(jié)距接近整距的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體回路產(chǎn)生的裝具較大，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽和導(dǎo)體分布時(shí)，可以不均勻分布。圖2.1 籠型轉(zhuǎn)子的三種結(jié)構(gòu)磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要

35、有圖2.2所示結(jié)構(gòu)。他們是通過(guò)磁阻轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)諧波的調(diào)制作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)換功能。圖2.2 磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋電機(jī)在電機(jī)基本原理上具有同一性，兩者電機(jī)的系統(tǒng)分析方法相類(lèi)似，磁阻型轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)在電機(jī)性能上也具有與籠型轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)大部分的優(yōu)點(diǎn)，但由于該類(lèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在工藝制造方面的相對(duì)簡(jiǎn)易，正逐步吸引了越來(lái)越多學(xué)者的研究和關(guān)注。 2.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的工作原理圖2.3 無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖 2.3所示，兩套具有不同極對(duì)數(shù)的繞組（功率繞組和控制繞組）組成電機(jī)的定子部分。功率繞組部分極對(duì)數(shù)為p p，頻率為f p，控制繞組極對(duì)數(shù)p c頻率f c，并與三相電源通過(guò)可逆變頻器連接。這

36、兩套定子繞組間的電磁不存在耦合關(guān)聯(lián)，它們之間的電磁耦合的聯(lián)系是通過(guò)轉(zhuǎn)子間的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)間會(huì)有磁場(chǎng)調(diào)制作用。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子極數(shù)p r 應(yīng)滿足p r=p p +p c31。將頻率為f p和f c的電源分別接入功率繞組和控制繞組，并且f p不等于f c，這樣兩套繞組會(huì)有電流流過(guò)，產(chǎn)生兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再通過(guò)轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用產(chǎn)生耦合，這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換。 將三相電源接入極對(duì)數(shù)p p頻率為f p的功率繞組的定子時(shí)當(dāng)電機(jī)定子極對(duì)數(shù)為p p的功率繞組，這樣通過(guò)功率繞組的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n sp為：（下標(biāo) p 表示功率繞組）（2-1）將頻率為f c的變頻

37、電源連接到定子極對(duì)數(shù)p c的控制繞組，這樣就會(huì)產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，方向和功率繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，控制繞組的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速為n sc：（下標(biāo) c 表示功率繞組）（2-2）n r為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，那么在定子磁場(chǎng)在通過(guò)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)頻率分別是： （2-3） （2-4） 若要使電機(jī)能夠產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩 （2-5）即 （2-6）則將式(2-3) (2-4)代入式(2-6)得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速rn 表達(dá)式 （2-7）當(dāng)電機(jī)定子極對(duì)數(shù)為p c 的控制繞組接入變頻電源,頻率為f c，控制繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與功率繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同時(shí)，按照相似推導(dǎo)可得此種情況下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n r 為 （2-8）由式(2-

38、7)和式(2-8)可得： （2-9）若功率繞組的三相變頻電源順序與控制繞組的三相電源順序相同,則fc取正號(hào)，若兩個(gè)繞組的電源三相相序相反，則取負(fù)號(hào)。從式(2-9)可知，控制繞組、功率繞組所用電的頻率以及極對(duì)數(shù)決定了無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與同步電機(jī)一樣，特性很硬。p p 、p c 、f p 若保持不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速由f c決定，f c的變化是由改變變頻器的輸出實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而調(diào)節(jié)無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的雙饋調(diào)速，控制繞組和功率繞組的所接電源的頻率和極對(duì)數(shù)決定了其調(diào)速范圍；當(dāng)轉(zhuǎn)速n r發(fā)生變化時(shí)，功率繞組的發(fā)電頻率 f p可以保持不變，因?yàn)榭梢酝秸{(diào)節(jié)輸入到控制繞組輸入端的電流頻率f

39、 c，這樣，轉(zhuǎn)速改變也可以發(fā)出恒定頻率的電能。2.3無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行方式無(wú)刷雙饋電機(jī)是一步步發(fā)展過(guò)來(lái)的，源頭是兩臺(tái)繞線式異步感應(yīng)電機(jī)作同軸串極連接的構(gòu)成體， 和一臺(tái) 2(p p +p c )極的繞線式異步感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行方式很相近，繞線式異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組各相當(dāng)與無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制繞組和功率繞組。在不同的外部勵(lì)磁條件下，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的無(wú)刷雙饋電機(jī)具有自起動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)異步運(yùn)行、同步運(yùn)行、雙饋調(diào)速等運(yùn)行方式32。2.3.1自起動(dòng)與異步運(yùn)行如圖2.4所示，當(dāng)定子功率繞組端接到工頻三相交流電壓，控制繞組端串接起動(dòng)電阻，通過(guò)改變電阻的大小可以改變電機(jī)的起動(dòng)特性。圖2.4電機(jī)的串電阻起動(dòng)電

40、機(jī)起動(dòng)后空載轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速之后，電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行方式。無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行模式下的工作特性類(lèi)似于普通異步電機(jī)的工作特性。當(dāng)電機(jī)的控制繞組發(fā)生故障時(shí)，則可以讓其暫時(shí)工作在異步運(yùn)行模式下以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 2.3.2 同步運(yùn)行方式如圖2.5所示，當(dāng)定子功率繞組端接到工頻三相交流電壓，控制繞組采用“兩并一串”方式加直流勵(lì)磁，此時(shí)電機(jī)工作在同步運(yùn)行方式。在該狀態(tài)下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組中直流電流的大小，改變控制繞組電壓的大小可以調(diào)節(jié)改變功率繞組中電流的無(wú)功分量，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率因數(shù)的作用。 圖2.5 同步運(yùn)行方式2.3.3 雙饋調(diào)速運(yùn)行方式如圖 2.6所示，當(dāng)定子功率繞組端由工頻三相交流電壓，控制

41、繞組由變頻器供電，此時(shí)電機(jī)工作在雙饋調(diào)速運(yùn)行方式。在該狀態(tài)下，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組端變頻器頻率來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。定義自然同步轉(zhuǎn)速n r0 為： （2-10）功率繞組和控制繞組的電流相序相同時(shí)，電機(jī)工作在超同步雙饋運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于自然同步轉(zhuǎn)速n r0 ；當(dāng)功率繞組和控制繞組的電流相序相反時(shí)，電機(jī)工作在亞同步雙饋運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于自然同步轉(zhuǎn)速n r0 。圖2.6 雙饋運(yùn)行方式2.3.4 發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式 如圖 2.7所示，當(dāng)定子控制繞組端接變頻器作為交流勵(lì)磁，而功率繞組直接接入電網(wǎng)，此時(shí)電機(jī)則工作在發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式。在該種運(yùn)行方式下，我們既可以根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化來(lái)相應(yīng)地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率從而實(shí)

42、現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，也可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的幅值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)。 圖2.7 發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式2.4本章總結(jié)綜上所述，無(wú)刷雙饋電機(jī)既可以運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)，也可以運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)。運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，無(wú)刷雙饋電機(jī)可以運(yùn)行在異步、同步以及雙饋狀態(tài)。運(yùn)行于異步狀態(tài)時(shí)，它具有普通異步電機(jī)的工作特性；運(yùn)行于同步和雙饋狀態(tài)時(shí)它具有普通同步電機(jī)的工作特性。運(yùn)行發(fā)電狀態(tài)時(shí)，我們可以通過(guò)改變控制繞組的電壓大小和相位來(lái)調(diào)節(jié)功率因素，也可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。如果想大規(guī)模地讓無(wú)刷雙饋電機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用，研究其控制策略很有必要，因?yàn)闊o(wú)刷雙饋電機(jī)的多繞組耦合性很強(qiáng)，相比異步電機(jī)和同步電機(jī)，其動(dòng)態(tài)特性和帶負(fù)荷性能比較差。 3仿真軟件

43、與有限元分析方法Ansoft是一種既可以對(duì)電磁機(jī)構(gòu)成完成數(shù)值計(jì)算，也能對(duì)一個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合仿真的軟件。這款電磁場(chǎng)有限元軟件在很早之前就已經(jīng)引進(jìn)了，并在電器、機(jī)械、石油化工、汽車(chē)、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并在各個(gè)研究領(lǐng)域取得了重大的突破和成績(jī)。3.1 Ansoft軟件的簡(jiǎn)介首先，學(xué)者使用非常方便，因?yàn)榇塑浖呀?jīng)成功研究出許多電機(jī)模型，我們只需要從Rmxport中取出模型，插入軟件。其次，軟件模型能夠從Rmxport轉(zhuǎn)化為2D模型，再有甚至可以轉(zhuǎn)化為3D模型。最后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Simplorer，既可以與電路一起進(jìn)行仿真，提供了電機(jī)的一個(gè)整體框架，也能

44、和Matlab等進(jìn)行聯(lián)合仿真，甚至可以Ansys的Workbench下與Fluent流體場(chǎng)分析工具等耦合進(jìn)行分析，這是此軟件非常有特點(diǎn)的地方。本文采用Ansoft公司的Maxwell各模塊對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行仿真，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后對(duì)無(wú)刷雙饋性能進(jìn)行仿真。 3.2有限元分析方法的簡(jiǎn)介1960年，Courant提出了有限元理論，先離散全部求解區(qū)域，然后分割成許多被稱之為單元或有限元的小的子區(qū)域。插值函數(shù)在單元中構(gòu)造，在能量泛函的積分式中使用構(gòu)造好的插值函數(shù)，再離散泛函數(shù)，離散成多元函數(shù)。對(duì)所有的自變量分別求其導(dǎo)函數(shù)，并令導(dǎo)函數(shù)為零，得到一組解為極值的方程，再次由第一類(lèi)邊界條件對(duì)該方程組修正，最后使

45、用計(jì)算機(jī)求解33。3.2.1無(wú)刷雙饋電機(jī)有限元分析的假設(shè)條件下面是對(duì)BDFM的具體假設(shè)條件：（1）BDFM的端部磁場(chǎng)效應(yīng)被忽略（2）通入三相電流的定子繞組槽內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度各處相等，方向沿軸向，即只存在軸向的電流密度J和磁矢量位A，無(wú)其他方向分量。（3）鐵心沖片材料各向同性，所以其B-H曲線是一一對(duì)應(yīng)的，即是單值的。（4）BDFM外部的磁場(chǎng)不計(jì)，即求解區(qū)域外無(wú)磁場(chǎng)。磁矢量位在定子外徑的圓上為零。3.2.2無(wú)刷雙饋電機(jī)有限元分析的基本方程由電磁理論可知，分析磁場(chǎng)的基本方程有積分形式和微分形式兩種。而有限元法是針對(duì)微分形式進(jìn)行的。微分形式是maxwell方程組，即有 （3-1）式中： H磁場(chǎng)強(qiáng)度，D-

46、外加電流強(qiáng)度，J-電通密度，E-磁場(chǎng)強(qiáng)度，B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，-磁導(dǎo)率由于BDFM求解區(qū)域有電流源存在，因此計(jì)算時(shí)必須采用矢量磁位A。其定義如下： （3-2）式中：外加電流密度，矢量磁位，軸坐標(biāo)方向在計(jì)算BDFM的磁場(chǎng)時(shí)，定子外徑圓周為求解的邊界，它是第一類(lèi)邊界，在該邊界上矢量磁位等于零。因此，針對(duì)圖3-2的模型，BDFM的邊界條件方程為： （3-3） （3-4）式中電機(jī)定子外徑。利用式（3-3）、式（3-4）和有限元分析軟件ANSYS, 就可以對(duì)BDFM的磁場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算.。3.3本章總結(jié)AnsoftMaxwell是一種非常有名的有限元軟件，在世界范圍都是很常用的商用低頻電磁場(chǎng)。軟件以麥克斯韋

47、微分方程為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元離散的計(jì)算方式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼狻? 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的仿真結(jié)果與分析4.1直線電機(jī)基本理論的簡(jiǎn)介直線電機(jī)是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，而不需要通過(guò)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的新穎電機(jī)，也是一種具有廣闊應(yīng)用和發(fā)展前景的電機(jī)。圖4.1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)圖4.1中a為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，b為直線電機(jī)。直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看做是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后將電機(jī)的圓周展成直線。圖4.2 旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)的演變這樣就得到了由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的原始直線電機(jī)。由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)為次級(jí)。途中演變而來(lái)的電

48、機(jī)，它的初級(jí)和次級(jí)長(zhǎng)度相等，由于在運(yùn)行時(shí)初級(jí)和次級(jí)之間相互運(yùn)動(dòng)，如果在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，初級(jí)和次級(jí)正巧對(duì)其，那么在運(yùn)動(dòng)中，初級(jí)與次級(jí)之間的香霧耦合補(bǔ)分雨來(lái)越少，而不能正常運(yùn)動(dòng)。為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，初級(jí)和次級(jí)間的耦合保持不變，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，試講初級(jí)與次級(jí)不同長(zhǎng)度。在制造直線電機(jī)時(shí)，既可以是初級(jí)短，次級(jí)唱，也可以是初級(jí)長(zhǎng)，次級(jí)短。兩者分別成為短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)和長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)。但是因?yàn)樵谥圃斓幕ㄙM(fèi)上，運(yùn)行的消耗上都較短次級(jí)少很多，所以，在目前市場(chǎng)上，排除特殊場(chǎng)合，一般都采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。如4.3圖所示圖4.3 直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)繞組上圖4.3所示只在一邊放置初級(jí)，對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)型稱為單邊型直線電機(jī)。

49、這種結(jié)構(gòu)電機(jī)，一個(gè)最大特點(diǎn)實(shí)在初級(jí)和次級(jí)之間存在一個(gè)很大的法向吸引力，一般在鋼次級(jí)約為推理十倍左右，在大多數(shù)的場(chǎng)合下，這種法向吸引力是不希望存在的，如果在次級(jí)的兩邊都裝上初級(jí)，那么這個(gè)法向吸引力可以抵消，這種如下圖4.4所示為雙邊型。圖4.4 雙邊型直線電機(jī)上述介紹的直線電機(jī)稱為扁平型直線電機(jī)，是目前應(yīng)用最廣泛的，除了上述扁平結(jié)構(gòu)外，還可以做成圓筒型的，即管型結(jié)構(gòu)。它可以看做是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變過(guò)來(lái)的，演變過(guò)程如圖4.5所示。圖中a表示一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及由定子繞組所構(gòu)成的磁場(chǎng)次級(jí)分布情況；圖中b表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫椭本€點(diǎn)擊后，初級(jí)繞組所構(gòu)成的磁場(chǎng)極性分布情況，然后將扁平型直線電機(jī)沿著和直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)相垂直

50、的防線卷成筒形，這樣就形成了圖中c圓筒型直線電機(jī)。圖4.5 管型結(jié)構(gòu)直線電機(jī)此外直線電機(jī)還有圓弧型和圓盤(pán)型結(jié)構(gòu)。所謂圓弧型結(jié)構(gòu)，就是將平板型直線電機(jī)的初級(jí)沿運(yùn)動(dòng)防線改成圓弧型，并安放于圓柱形次級(jí)的柱面外側(cè)，如圖4.6所示。圖中另一個(gè)把次級(jí)做成一片圓盤(pán)，材質(zhì)為銅或者鋁或者為兩個(gè)與鐵的復(fù)合體，講初級(jí)放在次級(jí)圓盤(pán)靠近外援的平面上，圓盤(pán)型直線電機(jī)的初級(jí)可以是雙面的，也可以是單面的。圓弧型和圓盤(pán)型直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，如圖中的箭頭所示，然后由于他們的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法與變頻型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，故仍歸入直線電機(jī)的范疇。圖4.6 圓盤(pán)結(jié)構(gòu)直線電機(jī)4.2 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的提出隨著綠色制造理念

51、的不斷深入與強(qiáng)化，綠色產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。直線電機(jī)即是制造業(yè)近幾十年才興起的綠色產(chǎn)品之一，它主要具有下述特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于直線電機(jī)不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，重量和體積大大地下降。（2）定位精度高，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機(jī)控制，則還可以大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。（3）反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動(dòng)性好。直線電機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使得動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動(dòng)子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速

52、性和隨動(dòng)性；四是工作安全可靠、壽命長(zhǎng)?；谶@些直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)O(shè)想將兩種近些年快速發(fā)展的兩種電機(jī)，即無(wú)刷雙饋電機(jī)和直線電機(jī)進(jìn)行結(jié)合改進(jìn)，提出直線無(wú)刷直線發(fā)電機(jī)。下面將利用用 Ansoft軟件的二維瞬態(tài)場(chǎng)建立直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的Maxwell-2D模型，并基于直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算的仿真結(jié)果圖進(jìn)行分析。4.3 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)Maxwell 2D模塊的仿真4.3.1模型的建立比較旋轉(zhuǎn)式無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)也可大致分為籠型和磁阻型。本文將利用Ansoft 軟件建立籠型無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)Maxwell 2D模型。首先，根據(jù)電機(jī)的性能要

53、求確定定子和動(dòng)子結(jié)構(gòu)、槽尺寸、繞組等，電機(jī)主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.1。表4.1電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸主要尺寸定子槽寬11mm動(dòng)子槽寬14mm定子槽數(shù)72動(dòng)子槽數(shù)54定子槽口寬度3.5mm動(dòng)子槽口寬度3.5mm定子槽口高度0.5mm動(dòng)子槽口高度0.5mm定子深槽寬度14mm動(dòng)子深槽寬度9.6mm氣隙0.8mm然后確定電機(jī)材料屬性。直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)模型中要分別定義定子鐵心、動(dòng)子鐵心、氣隙3種材料。定子、動(dòng)子材料都采用D23_50，新增加的材料存放在Localdatabase中。最后建立電機(jī)模型，下圖4.7為直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的Maxwell2D模型。圖4.7電機(jī)的二維幾何模型4.3.2模型的網(wǎng)格剖分有限元應(yīng)

54、用于電磁場(chǎng)的實(shí)質(zhì)就是把連續(xù)的電磁場(chǎng)問(wèn)題變?yōu)殡x散系統(tǒng)的問(wèn)題來(lái)解決，電機(jī)模型離散化就是通過(guò)網(wǎng)格剖分實(shí)現(xiàn)的，它直接影響有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。軟件自身有自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的功能，但有時(shí)根據(jù)需要，需要用戶設(shè)置網(wǎng)格，理論上，網(wǎng)格越密集，準(zhǔn)確度越高?？紤]到計(jì)算機(jī)資源和運(yùn)行時(shí)間因素，只需要重點(diǎn)加密磁場(chǎng)變化較大的氣隙部分。對(duì)于本文直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，具體網(wǎng)格剖分設(shè)置如下：Length_Bar=1.9mm，分配給鼠籠條區(qū)域；Length_Coil=2.55mm，分配給定子繞組區(qū)；Length_Main=5.18mm，分配給電機(jī)整體區(qū)域。其中Bar和Main采用Surface Approximation剖分設(shè)置，對(duì)邊

55、界為曲線的bar和Main進(jìn)一步的剖分。網(wǎng)格剖分結(jié)果見(jiàn)圖4.8，圖4.9為氣隙部分網(wǎng)格剖分放大圖。圖4.8網(wǎng)格剖分圖圖4.9網(wǎng)格剖分圖4.3.3求解設(shè)置對(duì)電機(jī)的模型進(jìn)行離散化，根據(jù)電機(jī)不同部位精度要求進(jìn)行設(shè)置，確定有限元計(jì)算的邊界條件和外加激勵(lì)參數(shù)。Ansoft獨(dú)具特色的部分是自帶schematic capture，可以編輯功率變化電路，構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)進(jìn)行仿真，本文對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制繞組提供三相對(duì)稱交流電。為了能保證有限元求解的精度，需要在Analysis菜單中設(shè)置求解方式和精度的設(shè)置。設(shè)置速度為12.252m/s，仿真步長(zhǎng)為0.001s，仿真時(shí)間0.2s。通過(guò)瞬態(tài)求解器的設(shè)置來(lái)完成直線無(wú)

56、刷雙饋發(fā)電機(jī)的性能仿真。4.4 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果及分析本設(shè)計(jì)在Ansoft公司的Mawell2D環(huán)境下建立仿真結(jié)果及其分析Ansoft的求解是自動(dòng)完成的。下圖4.10所示直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的磁力線路圖圖4.10電機(jī)磁力線圖圖4.11 磁場(chǎng)分布云圖圖4.11所示直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的磁力線路圖基本符合真實(shí)的磁路，幾乎所有的磁力線都通過(guò)磁阻較小的鐵心，但同時(shí)，不可避免的有漏磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，這可能和磁路的設(shè)計(jì)和材料的選取有關(guān)。圖4.12控制繞組接入三相電流圖4.13功率繞組感應(yīng)電壓圖4.14功率繞組感應(yīng)電流圖4.12為在直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制繞組端接入的三相交流勵(lì)磁電流，通過(guò)直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)

57、模型的運(yùn)行仿真，在功率繞組端產(chǎn)生了基本符合正弦波形的三相正弦感應(yīng)電壓（圖4.13）和三相正弦感應(yīng)電流（圖4.14）。正弦波形不標(biāo)準(zhǔn)的原因可能為諧波磁場(chǎng)的影響和磁路飽和的原因。圖4.15功率繞組輸出功率上圖4.15所示為直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組所產(chǎn)生的輸出功率，由圖可知輸出功率為正并且較為穩(wěn)定。4.5本章總結(jié)綜合上述對(duì)直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)Maxwell2D模型仿真結(jié)果的分析，可以說(shuō)所提出的直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)能基本實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能，單從發(fā)電功能的角度證明了直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的可行性。5 直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的總結(jié)與展望本文綜合了無(wú)刷雙饋電機(jī)和直線的電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提出了直線無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，利用Ansoft軟件進(jìn)行建模仿真，取得了一定成果，但同時(shí)還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一